第10章軸系零部件概述10.1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)10.2軸的承載能力校核10.3【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

了解軸的功用、類型及常用材料

理解并掌握軸上零件的常用定位方法

掌握階梯軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般方法

理解并掌握轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)過(guò)程10.1概述1．軸的分類

根據(jù)軸的受載情況和軸線的形狀，軸可進(jìn)行如下分類。（1）按受載情況分類

①心軸。

②傳動(dòng)軸。

③轉(zhuǎn)軸。心軸傳動(dòng)軸（2）按軸線的形狀分類①直軸。②曲軸。③撓性軟軸。轉(zhuǎn)軸直軸曲軸鋼絲軟軸鋼絲軟軸的結(jié)構(gòu)2．軸的常用材料（1）碳素鋼（2）合金鋼（3）球墨鑄鐵3．軸的設(shè)計(jì)要求和一般設(shè)計(jì)步驟 不同機(jī)械對(duì)軸的設(shè)計(jì)有不同要求。 對(duì)于一般機(jī)器中的軸，主要應(yīng)滿足強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的要求，具體要求如下。 ①具有足夠的承載能力。 ②具有合理的結(jié)構(gòu)形狀。 軸的一般設(shè)計(jì)步驟如下。 ①按工作要求選擇材料和熱處理方法。 ②初步估算軸的基本直徑。 ③進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度等結(jié)構(gòu)尺寸。 ④進(jìn)行必要的承載能力驗(yàn)算。 ⑤繪制軸的零件工作圖。10.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求

圖所示為軸各部分的名稱，其中軸頸是安裝軸承的軸段；軸頭是安裝傳動(dòng)件的軸段，如裝齒輪和聯(lián)軸器的部分；軸身是連接軸頸和軸頭的軸段；截面尺寸變化的臺(tái)階處為軸肩；直徑較大用于定位的短軸段稱為軸環(huán)。軸各部分名稱 通常軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求有以下幾點(diǎn)。 ①軸和軸上零件必須定位準(zhǔn)確，固定可靠。 ②軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整。 ③軸應(yīng)具有良好的制造和裝配工藝性。 ④軸的受力合理，軸的結(jié)構(gòu)盡可能減少應(yīng)力集中、有利于節(jié)約材料和減輕重量等。2．軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本方法（1）軸上零件的裝拆和調(diào)整

為了便于軸上零件的裝拆，一般將軸做成階梯軸。

軸上零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系不同，軸的結(jié)構(gòu)形式也不同。軸的結(jié)構(gòu)分析1—軸端擋圈2—V帶輪3—軸承蓋4—滾動(dòng)軸承5—套筒6—平鍵7—齒輪

（2）軸和軸上零件的定位及固定 為了保證軸的正常工作，軸在機(jī)器中的位置應(yīng)固定，零件在軸上也應(yīng)該定位準(zhǔn)確、固定可靠。 ①零件在軸上的軸向固定。 軸向固定方法很多，選擇時(shí)要考慮零件在軸上的位置、軸向力的大小、具體的安裝條件等。 a．軸肩和軸環(huán)。 b．套筒。 c．圓螺母。 d．擋圈。 e．錐形軸頭。 ②零件在軸上的定。軸肩和軸環(huán)圓螺母擋圈錐形軸頭軸段長(zhǎng)度軸上零件常用的定方法3．各軸段直徑和長(zhǎng)度的確定（1）各軸段直徑的確定

以圖所示為例，按照齒輪從左向右的裝配順序，階梯軸各軸段的直徑從最小直徑開(kāi)始確定，同時(shí)應(yīng)注意如下幾點(diǎn)。

①軸頸處的直徑必須按滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)孔直徑選取。

②滾動(dòng)軸承的定位軸肩直徑需按滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選取。

③安裝標(biāo)準(zhǔn)件（如密封裝置、聯(lián)軸器等）的軸段直徑應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑選取。

④安裝帶輪、齒輪的軸徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)值。（2）各軸段長(zhǎng)度的確定

4．軸的結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)使軸的結(jié)構(gòu)、形狀便于加工、裝配和維修，有利于提高生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本。砂輪越程槽螺紋退刀槽引導(dǎo)錐5．提高軸強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可采用一些措施以提高軸的強(qiáng)度和剛度。（1）改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)力集中（2）改善軸的受力情況，提高軸的疲勞強(qiáng)度（3）合理布置軸上的傳動(dòng)零件減小應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)起重機(jī)卷筒軸方案比較零件的合理布置9.3軸的承載能力校核1．軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

對(duì)于只傳遞轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)軸，其承載能力可通過(guò)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

傳動(dòng)軸強(qiáng)度的校核公式為式中

P—軸傳遞的功率，單位為kW；

n—軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；

T—扭矩，單位為N·mm；

d—軸的直徑，單位為mm； —軸的抗扭截面系數(shù)，對(duì)圓截面軸： ；

—軸的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa；[

]—材料的應(yīng)力，單位為MPa。

可得傳動(dòng)軸直徑的設(shè)計(jì)公式

常用材料的[

]值、C值的大小與材料和受載情況有關(guān)，見(jiàn)表。軸

的

材

料Q235.20354540Cr，35SiMn[

]/MPa12～2020～3030～4040～52C160～135135～118118～107107～98

常用材料的[

]值和C值2．轉(zhuǎn)軸的最小直徑估算

對(duì)于既受彎矩又傳遞轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)軸，可用來(lái)估算軸的最小直徑。即

當(dāng)最小直徑處開(kāi)有鍵槽時(shí)，考慮鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱，應(yīng)將計(jì)算值增大并圓整。

當(dāng)軸徑d＜100mm時(shí)，有一個(gè)鍵槽，軸徑增大3%～5%；有兩個(gè)鍵槽，軸徑增大7%～10%。

此外，也可采用經(jīng)驗(yàn)公式估算軸的最小直徑。

例如，一般減速器中高速級(jí)輸入軸的最小直徑可按與其相連的電動(dòng)機(jī)的直徑D估算，dmin

=

（0.8～1.2）D；各級(jí)低速軸的最小直徑可按同級(jí)齒輪中心距a估算，dmin

=

（0.3～0.4）a。3．轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度校核 估算出轉(zhuǎn)軸的最小直徑，即可進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，軸上零件和軸承位置、軸所受載荷的大小、方向及其作用位置等就已確定，即可按彎扭合成的強(qiáng)度條件校核轉(zhuǎn)軸的強(qiáng)度。一般步驟如下。

①作出軸的空間受力圖，將外載荷分解為水平面和垂直面的分力，并求出水平面支撐反力RH和垂直面的支撐反力RV。

②作出水平面彎矩MH圖和垂直面彎矩MV圖。

③計(jì)算合成彎矩：

，并繪制合成彎矩圖。

④作出轉(zhuǎn)矩T圖。

⑤計(jì)算當(dāng)量彎矩

。

⑥計(jì)算危險(xiǎn)截面的軸徑。當(dāng)量彎矩Me已知后，可針對(duì)某些剖面作強(qiáng)度校核或計(jì)算危險(xiǎn)剖面的軸徑進(jìn)行校核，即

或

式中

—當(dāng)量彎曲應(yīng)力，單位為MPa； Me

—當(dāng)量彎矩，單位為N·mm； D

—軸的直徑，單位為mm； W

—軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3。對(duì)圓形截面的實(shí)心軸，

。 校核時(shí)，若軸的計(jì)算剖面處有鍵槽，考慮到鍵槽對(duì)軸強(qiáng)度的削弱，應(yīng)將式計(jì)算出的軸徑加大4%左右，并與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中初步確定的軸徑相比較。 若計(jì)算出的軸徑小于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中初定的軸徑，表明原設(shè)計(jì)恰當(dāng)，則以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的直徑為準(zhǔn)，否則應(yīng)按校核計(jì)算所得軸徑作適當(dāng)修改。4．軸的剛度計(jì)算 軸受力后會(huì)產(chǎn)生彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，變形過(guò)大會(huì)影響軸的工作性能。 例如，機(jī)床主軸變形過(guò)大時(shí)，會(huì)影響所加工零件的精度；電動(dòng)機(jī)主軸變形過(guò)大時(shí)，會(huì)使轉(zhuǎn)子與定子之間的間隙不均勻而影響電動(dòng)機(jī)的工作性能；內(nèi)燃機(jī)氣輪軸變形過(guò)大時(shí)，會(huì)使氣閥不能準(zhǔn)確地啟閉等。

這些剛度要求較高的軸，要進(jìn)行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算。

即軸的變形量撓度y、轉(zhuǎn)角

、扭轉(zhuǎn)角

要滿足下列剛度條件。

式中

y、[

y

]——分別為撓度、度，單位為mm；

、[

]——分別為轉(zhuǎn)角、角，單位為ra