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第十章第十章 轴设计轴设计10-1 概概 述述一、轴的功用一、轴的功用 支撑回转零件；支撑回转零件；传递运动和转矩传递运动和转矩二、轴的类型二、轴的类型 心轴心轴 只承受弯矩只承受弯矩 传动轴传动轴 只承受转矩只承受转矩 转轴转轴 既受弯矩、又受转矩既受弯矩、又受转矩按受载按受载 直直 轴轴 曲曲 轴轴按轴心线按轴心线2、强度问题、强度问题 防止轴发生疲惫断裂防止轴发生疲惫断裂3、刚度问题、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形防止轴发生过大的弹性变形4、振动稳定性问题、振动稳定性问题 防止轴发生共振防止轴发生共振三、轴设计时所要解决的问题三、轴设计时所要解决的问题1、结构问题、结构问题 确定轴的形态和尺寸确定轴的形态和尺寸10-2 轴的结构设计轴的结构设计轴颈轴颈 与轴承相配的与轴承相配的部分；部分；轴头轴头 与轮毂相配的与轮毂相配的部分；部分；轴身轴身 连接轴颈与轴连接轴颈与轴头部分；头部分；轴颈轴颈 轴头轴头 轴身轴身 轴的结构应满足的要求：轴的结构应满足的要求：加工工艺性要好加工工艺性要好便于轴上零件装拆便于轴上零件装拆轴上零件要有精确的定位轴上零件要有精确的定位轴上零件要有牢靠的固定轴上零件要有牢靠的固定尽量削减应力集中尽量削减应力集中一、加工工艺要求一、加工工艺要求光轴光轴 等强度轴等强度轴 阶梯轴阶梯轴 车削车削 倒角倒角 加工方法不同，轴的结构也可能不同加工方法不同，轴的结构也可能不同磨削磨削 二、装拆要求二、装拆要求砂轮越程槽砂轮越程槽 装拆应便利；装拆应便利；不同的装拆方案，得到不同结构；不同的装拆方案，得到不同结构；轴的直径应圆整成标准值。轴的直径应圆整成标准值。定位定位 使轴上零件处于正确的工作位置；使轴上零件处于正确的工作位置；轴肩或轴环轴肩或轴环三、轴上零件的轴向定位和固定三、轴上零件的轴向定位和固定固定固定 使轴上零件坚固地保持这一位置。使轴上零件坚固地保持这一位置。目的目的 防止轴上零件工作时发生轴向蹿动。防止轴上零件工作时发生轴向蹿动。常用的轴向定位和固定方法：常用的轴向定位和固定方法：定位轴肩：定位轴肩：h(0.070.1)d R 或或 C非定位轴肩：非定位轴肩：h12 mm，作用是便于轴上零件的装拆，作用是便于轴上零件的装拆为保证定位精确，为保证定位精确，R R 或或 C C r r 轴环宽度一般取轴环宽度一般取：b =1.=1.4 h滚动轴承的定位轴肩或轴环高度滚动轴承的定位轴肩或轴环高度 查标准查标准套套 筒筒轴端挡圈轴端挡圈弹性挡圈弹性挡圈圆圆 螺螺 母母锥锥 面面对轴上零件起固定作用。对轴上零件起固定作用。常用于近距离的两个零件间的固定。常用于近距离的两个零件间的固定。用于轴上两零件距离较远时，或轴端。用于轴上两零件距离较远时，或轴端。需切制螺纹，减弱了轴的强度。需切制螺纹，减弱了轴的强度。需切环槽，减弱了轴的强度。需切环槽，减弱了轴的强度。承受不大的轴向力。承受不大的轴向力。用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。常与轴端挡圈协作运用。常与轴端挡圈协作运用。留意：留意：接受这些方法固定接受这些方法固定轴上零件时，为保轴上零件时，为保证固定牢靠，证固定牢靠，应使：与轮毂相配应使：与轮毂相配的轴段长度比轮毂的轴段长度比轮毂宽度宽度短短23 mm，即即：lB-(23)平平 键键问题：问题：四、轴上零件的周向固定四、轴上零件的周向固定目的目的 防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：花花 键键紧定螺钉紧定螺钉滚动轴承是否须要用键作周向固定？滚动轴承是否须要用键作周向固定？五、提高轴的强度五、提高轴的强度减小应力集中减小应力集中适当加大截面变更处的过渡圆角半径。适当加大截面变更处的过渡圆角半径。或接受：或接受：凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环减载槽减载槽改善轴的受力状况改善轴的受力状况变更轴上零件的结构，使受载减小。变更轴上零件的结构，使受载减小。五、结构设计示例五、结构设计示例10-3 轴的强度计算轴的强度计算应力分析：应力分析：FT弯曲应力弯曲应力b 对称循环变应力；对称循环变应力；扭剪应力扭剪应力T 循环特征依据实际状况而定。循环特征依据实际状况而定。计算方法：计算方法：按扭转强度计算；按扭转强度计算；按弯扭合成强度计算；按弯扭合成强度计算；平安系数法计算。平安系数法计算。一般的轴一般的轴一、一、按扭转强度计算按扭转强度计算扭剪应力扭剪应力:轴的抗扭轴的抗扭剖面系数剖面系数扭转强度公式一般用来初算轴的直径，扭转强度公式一般用来初算轴的直径，扭转强度设计式扭转强度设计式:令其为系数令其为系数 C系数系数 C C 与轴的材料和承载状况有关，查表与轴的材料和承载状况有关，查表10-310-3。弯矩相对转矩较小或只受转矩时，弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C 取小值。取小值。若该轴段有一个键槽，若该轴段有一个键槽，d 值值增大增大5%,弯矩较大时，弯矩较大时，C 取大值。取大值。计算出的计算出的 d 作为受扭段的最小直径作为受扭段的最小直径 dmin。留意：留意：有两个键槽，有两个键槽，增大增大10%。此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。二、二、按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算需已知：需已知：轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。弯、扭联合作用时，接受第三强度理论。弯、扭联合作用时，接受第三强度理论。则轴危急截面上的当量应力：则轴危急截面上的当量应力：对于直径为对于直径为 d 的实心轴：的实心轴：由于由于 b b 与与 的循环特征可能不同，需引进的循环特征可能不同，需引进校正系数校正系数将将 折合成对称循环变应力。折合成对称循环变应力。则强度条件为：则强度条件为：当量弯矩当量弯矩校正系数校正系数的取值：的取值：对于不变的转矩：对于不变的转矩：频繁启动、振动或状频繁启动、振动或状况不明：况不明：常常双向运转：常常双向运转：对称循环变对称循环变应力下的许应力下的许用应力用应力设计式：设计式：三、轴设计步骤和方法三、轴设计步骤和方法1、依据功率、依据功率 P 和转速和转速 n，用扭转强度，用扭转强度公式初算受扭段的最小直径公式初算受扭段的最小直径dmin。2、依据初算轴径，进行轴的结构设计。、依据初算轴径，进行轴的结构设计。3、按弯扭合成强度校核轴的危急截面。、按弯扭合成强度校核轴的危急截面。N将将 dmin 圆整成标准直径（查圆整成标准直径（查“机械设计课程设计机械设计课程设计”）受扭段受扭段最小直径最小直径dmin危急截面：危急截面：Me 最大的截面；最大的截面；画出空间受力图，求出支反力；画出空间受力图，求出支反力；分别作出水平面受力图和垂直面受力图；分别作出水平面受力图和垂直面受力图；分别作出水平面弯矩图分别作出水平面弯矩图MH和垂直面弯矩图和垂直面弯矩图MV；求合成弯矩：求合成弯矩：求危急截面的当量弯矩：求危急截面的当量弯矩：靠近靠近Memax ，直径较小的截面。，直径较小的截面。按弯扭合成强度条件校核：按弯扭合成强度条件校核：危急截面危急截面直径直径若强度不足，应适当若强度不足，应适当增大轴径。增大轴径。