10.1轴的概述10.2轴的结构设计 1、教学目的:了解轴的功用、分类及常用材料及热处理,掌握轴的结构设计方法 2、重点与难点: 重点:轴的结构设计 难点:轴的结构设计应考虑的问题 3、教学手段与方法:多媒体与板书结合 4、教学时间:2学时 一、轴的功用及分类 1.轴的功用 轴是组成机器的重要零件之一。轴的主要功用是支承旋转零件(例如齿轮、蜗轮等)、传递 运动和动力。 2.轴的分类 (1)按轴承受的载荷不同,可将轴分为转轴,心轴和传动轴三种。心轴工作时仅承受弯矩而 不传递转矩,如自行车轴。转轴工作时既承受弯矩又承受转矩,如减速器中的轴。减速器,减 速器轴传动轴则只传递转矩而不承受弯矩,如汽车中联接变速箱与后桥之间的轴 (2)根据轴线的形状的不同,轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。曲轴和挠性钢丝轴属 于专用零件。直轴按外形不同又可分为光轴和阶梯轴。光轴形状简单,应力集中少,易加工, 但轴上零件不易装配和定位,常用于心轴和传动轴。阶梯轴各轴段截面的直径不同,这种设 计使各轴段的强度相近,而且便于轴上零件的装拆和固定,因此阶梯轴在机器中的应用最为 广泛。直轴一般都制成实心轴,但为了减少重量或为了满足有些机器结构上的需要,也可以 采用空心轴。 3、轴的常用材料及热处理 (1)材料:首先应有足够的强度,对应力集中敏感性低;还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀 性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。采用碳钢制 造最广泛,其中最常用的是45号钢。 轴的毛坯 (2)毛坯:可用轧制圆钢材、锻造、焊接、铸造等方法获得。对要求不高的轴或较长的轴 毛坯直径小于150mm时,可用轧制圆钢材:受力大,生产批量大的重要轴的毛坯可由锻造提 供:对直径特大而件数很少的轴可用焊件毛坯;生产批量大、外形复杂、尺寸较大的轴,可 用铸造毛坯。轴的常用材料及其主要力学性能见表10.1 三、轴的结构设计 、轴的组成:轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装仼何零件的轴段等部分组成
10.1 轴的概述 10.2 轴的结构设计 1、教学目的：了解轴的功用、分类及常用材料及热处理，掌握轴的结构设计方法 2、重点与难点： 重点：轴的结构设计 难点：轴的结构设计应考虑的问题 3、教学手段与方法：多媒体与板书结合 4、教学时间：2 学时 一、轴的功用及分类 1.轴的功用 轴是组成机器的重要零件之一。轴的主要功用是支承旋转零件（例如齿轮、蜗轮等）、传递 运动和动力。 2.轴的分类 （1）按轴承受的载荷不同,可将轴分为转轴，心轴和传动轴三种。心轴工作时仅承受弯矩而 不传递转矩，如自行车轴。转轴工作时既承受弯矩又承受转矩，如减速器中的轴。减速器, 减 速器轴传动轴则只传递转矩而不承受弯矩，如汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。 （2）根据轴线的形状的不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。曲轴和挠性钢丝轴属 于专用零件。直轴按外形不同又可分为光轴和阶梯轴。光轴形状简单，应力集中少，易加工， 但轴上零件不易装配和定位，常用于心轴和传动轴。阶梯轴各轴段截面的直径不同，这种设 计使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件的装拆和固定，因此阶梯轴在机器中的应用最为 广泛。直轴一般都制成实心轴，但为了减少重量或为了满足有些机器结构上的需要，也可以 采用空心轴。 3、轴的常用材料及热处理 （1）材料：首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低；还应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀 性及良好的加工性。常用的材料主要有碳钢、合金钢、球墨铸铁和高强度铸铁。采用碳钢制 造最广泛，其中最常用的是 45 号钢。 轴的毛坯： （2）毛坯：可用轧制圆钢材、锻造、焊接、铸造等方法获得。对要求不高的轴或较长的轴， 毛坯直径小于 150mm 时，可用轧制圆钢材；受力大，生产批量大的重要轴的毛坯可由锻造提 供；对直径特大而件数很少的轴可用焊件毛坯；生产批量大、外形复杂、尺寸较大的轴，可 用铸造毛坯。轴的常用材料及其主要力学性能见表 10.1 。 三、轴的结构设计 1、轴的组成：轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成
滚动轴承齿轮 套筒轴承盖联轴器 A 轴颈轴头轴颈轴身轴头 2、轴的结构要求及考虑因素:轴和装在轴上的零件要有准确的位置:轴上零件应便 于装拆和调整;轴应具有良好的制造工艺性等。轴的结构和形状取决于下面几个因素:(1) 轴的毛坯种类:(2)轴上作用力的大小及其分布情况;(3)轴上零件的位置、配合性质及其联 接固定的方法;(4)轴承的类型、尺寸和位置;(⑤5)轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要 3、轴的设计任务:对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构 设计时的已知条件有:机器的装配简图,轴的转速,传递的功率,轴上零件的主要参数和尺 寸等 4、考虑到轴的强度及刚度,在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面 1)使轴的形状接近于等强度条件。 2)尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中。 3)改变轴上零件的布置,有时可以减小轴上的载荷 4)改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。 5、零件在轴上的固定 (1)轴上零件的轴向定位及固定 轴向固定(轴肩、轴环、螺母、套筒及轴端挡圈定位等)
2、轴的结构要求及考虑因素：轴和装在轴上的零件要有准确的位置；轴上零件应便 于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。轴的结构和形状取决于下面几个因素：(1) 轴的毛坯种类：(2)轴上作用力的大小及其分布情况；(3)轴上零件的位置、配合性质及其联 接固定的方法；(4)轴承的类型、尺寸和位置；(5)轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要 求。 3、轴的设计任务：对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构 设计时的已知条件有：机器的装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺 寸等。 4、考虑到轴的强度及刚度，在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面。 1)使轴的形状接近于等强度条件。 2)尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中。 3)改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。 4)改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。 5、零件在轴上的固定： （1）轴上零件的轴向定位及固定 轴向固定(轴肩、轴环、螺母、套筒及轴端挡圈定位等)
r应小于零件上的外圆角半径R或倒角C h=R(C)+(0.5~2)mm 轴肩定位 圆螺母定位 弹性挡圈固定 止动垫圈固定 紧定螺钉固定 轴端压板 (2)轴上零件的周向定位及固定 为了满足机器传递运动和转矩的要求,轴上零件除了需要轴向定位外,还必须有可靠的周向 定位 常用的周向定位及固定方法有键、花键、销、过盈配合及紧定螺钉 6、轴的结构工艺性
轴肩定位 圆螺母定位 弹性挡圈固定 止动垫圈固定 紧定螺钉固定 轴端压板 （2）轴上零件的周向定位及固定 为了满足机器传递运动和转矩的要求，轴上零件除了需要轴向定位外，还必须有可靠的周向 定位。 常用的周向定位及固定方法有键、花键、销、过盈配合及紧定螺钉。 6、轴的结构工艺性
轴的结构应便于加工与装配。形状力求简单,阶梯轴的级数尽可能少,而且各段直径不易相 差太大。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。轴上各圆 角、倒角、砂轮越程槽及退刀槽等尺寸尽可能统一,同一轴上的各个键槽应开在同一母线位 置上。为便于装配,轴端应有倒角。轴肩高度不能妨碍零件的拆卸。对于阶梯轴一般设计成 两端小中间大的形状,以便于零件从两端装拆。 堞纹退刀槽 砂轮越程槽 键糟设置在同一方位母线上 轴端加工450倒角 思考题试指出图中结构不合理的地方,并予以改正。 作业:作业:P3习题1、2、3、4、5、6、7、8
轴的结构应便于加工与装配。形状力求简单，阶梯轴的级数尽可能少，而且各段直径不易相 差太大。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。轴上各圆 角、倒角、砂轮越程槽及退刀槽等尺寸尽可能统一，同一轴上的各个键槽应开在同一母线位 置上。为便于装配，轴端应有倒角。轴肩高度不能妨碍零件的拆卸。对于阶梯轴一般设计成 两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆。 思考题 试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。 作业：作业：P338 习题 1、2、3、4、5、6、7、8
10.3轴的强度计算 目的任务:掌握轴的强度计算方法 重点:轴的强度计算方法 难点:轴的弯扭合成强度计算 教学方法:多媒体 学时:2学时 轴的扭转强度计算 一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。 设轴在转矩T的作用下,产生剪应力τ。对于圆截面的实心轴,其抗扭强度条件为 T9.55×10°P Wr 0.2d'n (10.1) 式中T为轴所传递的转矩,单位为Nmn:Wr为轴的抗扭截面系数,单位为 P为轴所传递的功率,单位为kW;n为轴的转速,单位为r/min;r,[r]分别为轴的剪应 力、许用剪应力,单位为MPa;d为轴的估算直径,单位为mm。 轴的设计计算公式为 9.55×10°P 0202ln (10.2) 常用材料的]值、C值可查表102。[]值、C的大小与轴的材料及受载情况有关。当 作用在轴上的弯矩比转矩小,或轴只受转矩时,[值取较大值,C值取较小值,否则相反 由式(10.2)求出的直径值,需圆整成标准直径,并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽 可将算得的最小直径增大3%~5%,如有两个键槽可增大7%~10%。 二、轴的弯扭合成强度计算 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,可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。 进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁,作用于轴上零件的零件作为集中 力,其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中 点上。具体的计算步骤如下 (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图(M)和垂直面上和弯矩图(Mv) (3)计算出合成弯矩M=√M2+M2y,绘出合成弯矩图。 (4)作出转矩图(T)图 (5)计算当量弯矩M=√M2+(a1)2,绘出当量弯矩图。式中a为考虑弯曲应力 与扭转剪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环变化应力,而扭 转剪应力随工作情况的变化而变化。对于不变转矩取a=[G]/a]≈03:对于脉动循
10.3 轴的强度计算 目的任务：掌握轴的强度计算方法 重点：轴的强度计算方法 难点：轴的弯扭合成强度计算 教学方法：多媒体 学时：2 学时 一、轴的扭转强度计算 一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。 设轴在转矩 T 的作用下，产生剪应力 。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为 W T T = = d n P 3 6 0.2 9.55 10 （10.1） 式中 T 为轴所传递的转矩，单位为 N· mn ； WT为轴的抗扭截面系数，单位为 mm3； P 为轴所传递的功率，单位为 kW；n 为轴的转速，单位为 r/min； ，[ ]分别为轴的剪应 力、许用剪应力，单位为 MPa；d 为轴的估算直径，单位为 mm。 轴的设计计算公式为 n P C n T P d 3 6 3 3 0.2 9.55 10 0.2 = = (10.2) 常用材料的 值、C 值可查表 10.2。 值、C 的大小与轴的材料及受载情况有关。当 作用在轴上的弯矩比转矩小，或轴只受转矩时， 值取较大值，C 值取较小值，否则相反。 由式（10.2）求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽， 可将算得的最小直径增大 3%～5%，如有两个键槽可增大 7%～10%。 二、轴的弯扭合成强度计算 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，可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。 进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的零件作为集中 力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中 点上。具体的计算步骤如下： （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图（MH）和垂直面上和弯矩图(Mv) （3）计算出合成弯矩 M M H M V 2 2 = + ，绘出合成弯矩图。 （4）作出转矩图（T）图。 （5）计算当量弯矩 2 2 M M (aT) e = + ，绘出当量弯矩图。式中 α 为考虑弯曲应力 与扭转剪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环变化应力，而扭 转剪应力随工作情况的变化而变化。对于不变转矩取 a = −1b / +1b 0.3 ；对于脉动循