《机械设计基础》教案——第十三章 轴.docx

授课题目：第十三章轴授课方式理论课J讨论课口实验课口本章课时122（请打J）习题课口其他口累计课时安排”教学目的、要求L八的工门”.,八四铲鼻浜Y.一人口、月、轴的分类和结构（分掌握、熟悉、了解二个层次）轴的材料轴的工艺结构以及轴的设计计算教学重点轴的工艺结构和轴的设计计算难点轴的分类轴的工艺结构课后总结分析轴的设计计算思考题综合题1、2讨论题综合题4、6作业一、二教学内容第一节概述第一节概述一、轴的分类、特点和应用轴是组成机器的主要零件之一，应用很广。做回转运动的传动零件（例如带轮、齿轮等）都是安装在轴上，并通过轴实现运动及动力的传递。轴的主要功用是支承回转零件并传递运动和动力。按照轴的承载情况，可将其分为：（1）转轴既承受弯矩又承受扭矩的轴（如图13-1所示的轴），这类轴在各种机器中最为常见。图13-1支承齿轮的转轴（2）心轴只承受弯矩而不承受扭矩的轴。心轴又分为转动心轴（图13-2a）和固定心轴（图13-2b）两种。a）转动心轴b）固定心轴图13-2心轴（3）传动轴只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴，如汽车传动轴（图13-3）。图13-3传动轴按照轴的结构形状，轴可分为光轴（图13-4）、阶梯轴（图13-1）和曲轴（图13-5）o光轴结构简单，加工容易，应力集中源少，主要用作传动轴。阶梯轴的各轴段截面直径不同，便于轴上零件的固定，在机器中应用最为广泛。曲轴是专用零件，主要用于内燃机中。图13-4图13-5曲轴直轴一般都制成实心的。若因机器结构需要或者为了减轻的重量，可采用空心轴。止匕外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴。它是由多组钢丝分层卷绕而成的（图13-6）,具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到任何位置（图13-7）o它能用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。图13-6钢丝软轴的绕制图13-7钢丝软轴二、轴的材料及其选用由于轴工作时产生的应力多为变应力，其失效一般为疲劳断裂，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性。同时还必须满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求，并具有良好的加工工艺性。轴的常用材料是碳素钢和合金钢。尺寸较小的钢轴的毛坯可以用轧制圆钢车制，尺寸较大的轴应该用锻造的毛坯。铸造毛坯应用很少。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，并能通过热处理改善其综合力学性能，所以应用较为广泛。一般的轴多用碳量比为0.25%0.50%的优质中碳钢制造，其中最常用的是45钢。对于轻载或不重要的轴可以用Q235和Q275o合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，但价格较贵。因此，常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴。常用的合金钢有20Cn40Cr>35SiMn>40MnB等。合金钢和碳素钢的弹性模量相差不多，不宜采用合金钢来提高轴的刚度。轴的常用材料及其主要力学性能见表13-lo轴也可以采用高强度铸铁和球墨铸铁来做，其毛坯是铸造成型的。这些材料具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。但是铸造轴的质量不易控制，可靠性较差。三、轴的结构组成如图13-8所示为阶梯轴的常见结构。轴上与轴承配合的部分称为轴颈,安装轮毂的部分称为轴头，联接轴颈和轴头的部分称为轴身。截面尺寸变化的部分称为轴肩或轴环，轴肩和轴环常用于轴上零件的定位。为了固定轴上的零件，轴上开有键槽，通过键联接实现轮毂的周向定位。此外，为了便于加工和装配，轴上还有轴肩的过渡圆角、轴端的倒角等结构。图13-8轴的结构第二节轴的结构设计、轴的强度和刚度轴的强度和刚度与工作应力的大小有关。因此，在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面。对于只受转矩的传动轴，为了使(1)使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。各轴段剖面上的切应力大小相等，常制成光轴或接近于光轴的形状；对于受交变弯曲载荷的轴应制成曲线形，如图13-9所示。实际生产中一般制成阶梯轴以便于安装和定位。图13-9等强度梁(2)尽量避免各轴段尺寸突然变化以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。为了减小应力集中，在各轴段尺寸过渡处制成适当大的圆角，并尽量避免在轴上开孔或开槽，必要时可采用减载槽、中间环或凹切圆角等结构，如图13-10所示。b)中间环C)减载槽图13-10减载结构(3)改善轴上零件的布置，可以减小轴所承受的载荷。如图13-11a所示的轴，轴上作用的最大转矩为Ti+石。如把输入轮布置在两输出轮之间如图13-11b所示，则轴所受的最大转矩由八十石减小为，从而提高了轴的强度和刚度。a)不合理布置b)合理布置图13-11轴上零件的合理布置(4)改进轴上零件的结构也可以减小轴的载荷。如图13-12所示为起重机卷筒机构的两种不同设计方案，图a的方案是大齿轮和卷筒联在一起，转矩经大齿轮直接传给卷筒，这样卷筒轴只受弯矩而不受转矩作用。在起重同样载荷尸时，轴的直径可比图b中的轴径小。图13-12卷筒的轮毂结构(5)改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度。轴的表面粗糙度和表面强化处理方法也会对轴的疲劳强度产生影响。轴的表面越粗糙，疲劳强度越低，因此，应注意轴表面粗糙度的选择。当采用对应力集中甚为敏感的高强度材料制作轴时，表面质量应十分注意。表面强化处理的方法有：表面高频淬火、渗碳、氧化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时，可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。二、拟定轴上零件的装配方案轴的结构形式很大程度上取决于轴上零件的装配方案，因此在进行轴的结构设计时，必须拟定几种不同的装配方案，以便进行比较与选择。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。例如图13-8所示中的装配方案是：齿轮、套筒、右端轴承、轴承端盖、半联轴器依次从轴的右端向左安装，左端只安装轴承及其端盖。这样就对各轴段的粗细顺序作了初步安排。三、零件在轴上的固定方法为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。(1)零件的轴向定位零件在轴上的轴向定位是为了保证零件有确定的工作位置，防止零件沿轴向移动并承受轴向力。零件的轴向定位方式很多，常用轴肩、轴环、套筒、轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等。轴肩和轴环定位结构简单，定位可靠，不需附加零件，能承受较大的轴向力。但采用轴肩就必然会使轴的直径加大，而且轴肩处将因截面突变而引起应力集中。为了轴上零件紧靠定位面，轴肩处的过渡圆角半径必须小于与之相配的零件内孔的圆角半径R或倒角C,轴肩的高度一般取力=(0.070.1)d,d为与零件相配处轴的直径。blAh,如图13-13所示。图13-13轴肩和轴环套筒定位结构简单，定位可靠，轴上不需开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的定位。如果两零件的间距较大，不宜采用套筒定位。另外套筒与轴配合较松，如果轴的转速较高时，也不宜采用套筒定位，如图13-8中的齿轮和右轴承就是靠套筒定位。圆螺母定位可承受大的轴向力，但轴上螺纹处会产生较大的应力集中，从而降低轴的疲劳强度，所以一般用于固定轴端的零件。当轴上两零件间距较大不宜采用套筒定位时也常采用圆螺母定位，如图13-14所示。图13-14圆螺母定位轴端挡圈适用于固定轴端零件，可以承受较大的轴向力，如图13-8所示。受载较小时可采用弹性挡圈定位（图13-5a）、紧定螺钉（S13-5b）oa)图13-15弹性挡圈和紧定螺钉定位（2）零件的周向定位轴上零件的周向定位是保证轴上的传动零件与轴一起转动。常用的固定方式有键联接、过盈配合等。转矩过大可采用花键联接；转矩较小可采用销钉和紧定螺钉联接。四、轴上各个轴段的尺寸确定（1）轴的各段直径的确定零件在轴上的定位及装拆方案确定后，轴的形状便大体确定。各轴段所需的直径与轴上的载荷大小有关。初步确定轴的直径时，通常支反力的作用点是未知的，不能决定弯矩的大小与分布情况，因而不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径。一般是按轴所受扭矩初步估算轴所需的直径。将初步计算出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin,然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处逐一确定各段轴的直径。在实际设计中，轴的直径也可凭设计者的经验选取，或参考同类机器用类比的方法确定。有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。安装滚动轴承、联轴器、密封圈等标准件部位的轴径,应取相应的标准值及所选配合的公差；轴上螺纹直径应符合螺纹标准；轴上花键部分必须符合花键标准。（2）轴的各段长度的确定确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑。轴的各段长度主要是根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。为了保证轴向定位可靠，轴与齿轮、带轮以及联轴器等零件相配合各部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23mm;轴颈的长度取决于滚动轴承的宽度尺寸；轴上转动零件之间或转动件与箱体内壁之间应留有适当间隙，一般取1015mm,以防止运转时相碰；装有紧固件（如螺母、挡圈等）的轴段，其长度应保证零件所需的装配或调整空间，通常取1520mm.五、轴的结构工艺性轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以减少加工时刀具、量具的数量和节约换刀时间。轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽、需车制螺纹的轴段应有退刀槽，如图13-16所示。图13-16砂轮越程槽和螺纹退刀槽当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上（见图13-8）。为使轴便于装配，轴端应有倒角。对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆。轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面，轴肩高度不能妨碍零件的拆卸。第三节轴的强度计算一、按扭转强度条件计算对于圆截面传动轴，其抗扭强度条件为T9.55x106尸T=W%0,2d3nlj式中，7为轴所传递的转矩（Nmm）；Wn为轴的抗扭截面系数（mn?）；P为轴所传递的功率（kW）；孔为轴的转速（r/min）；c、分别为轴的切应力、许用切应力（MPa）；d为轴的估算最小直径（mm）。轴的设计计算公式为9.55xl()6p0.2r11(13-2)试中，A=9.55×1060.2t,由轴的材料和承载情况确定的常数。常用材料的丘值、A值见表13-2。当作用在轴上的弯矩比转矩小，或轴只受扭矩时，上取较大值，A取较小值；反之，丘取较小值，A取较大值。对于转轴，可利用式13-2求出直径，作为转轴的最小直径。若在计算截面处有一个键槽，则应将直径增大5%；有两个键槽可增大10%。以补偿键槽对轴强度削弱的影响。二、按弯扭合成强度条件计算完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷（转矩和弯矩）的大小、方向、作用点、载荷种类及支点反力等就已确定，根据外载荷绘制出弯矩图和扭矩图，从而将弯矩和扭矩合成为当量弯矩进行计算。具体步骤如下：（1）画出轴的空间力系图将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求出水平面和垂直面上的支点反力。（2）分别作出水平面上的弯矩（MH）图和垂直面上的弯矩（MV）图。（3）计算出合成弯矩M=J,绘制出合成弯矩图。（4）作出扭矩（T）图。（5）计算当量弯矩Me=M2+（a）2,式中（X为考虑弯曲应力与扭转切应力循环特性的不同而引入的修正系数。通常弯曲应力为对称循