5.轴的设计

第六章轴的设计主讲吴昌林一、轴设计概述1.轴的功用及分类功用支撑回转零件传递运动和转矩分类心轴：只承受弯矩、不承受转矩传动轴：主要承受转矩、不承受或承受很小弯矩转轴：既承受弯矩、又承受转矩转动心轴固定心轴按载荷分类2.轴的设计步骤选材轴的结构设计初定轴的最小直径轴上零件的定位和固定加工和装配的工艺性提高轴强度的结构措施轴的强度计算轴的刚度计算轴的稳定性计算有特殊要求时3.轴的材料(1)碳素钢优质碳素钢：35、45、50等45钢使用最广泛普通碳素钢：Q235A等特点强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好应力集中敏感性小热处理后提高耐磨性、疲劳强度(2)合金钢用于高速、重载、较重要的轴常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等特点对应力集中敏感性较大强度和淬火性比碳素钢好价格比碳素钢贵注意刚度与碳素钢相同我国Cr、Ni资源少，尽量用代用钢种(如40MnB机械性能接近40Cr)(3)球墨铸铁以铁代钢特点对应力集中敏感性较小吸振性、耐磨性好可以做成复杂形状价廉冲击韧性低、质量不易控制毛坯圆钢棒料尺寸小的轴锻造毛坯尺寸较大或为提高强度的轴焊接毛坯大件锻造困难铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等二、轴的结构设计1.轴的结构设计原则(1)满足强度、刚度、防振的要求，并通过结构设计提高这些方面的性能(2)保证轴上零件定位且固定可靠(3)便于轴上零件装拆和调整(4)轴的加工工艺性好一般设计成中间大、两端小的阶梯形状2.轴上零件的轴向定位和固定(1)轴肩与轴环轴的过渡圆角半径r零件毂孔倒角C或圆角R轴肩高度hC或R(2)套筒不宜用于较高转速的轴不能有“过定位”LBBL(3)紧定螺钉兼作周向固定受力较小、不宜于高速轴(4)圆螺母和弹性档圈螺纹应力集中严重、不宜在轴的中间部位用于轴向力较小的场合圆螺母弹性档圈(5)轴端档圈用螺钉将档圈固定在轴的端面要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件3.轴上零件的周向固定(1)键(2)过盈配合平键使用最为广泛花键承载能力较大4.轴的加工和装配工艺性从装配观点两头小中间粗从承载观点中间受弯矩大阶梯轴直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一不同轴段的各键槽方向应一致轴的配合直径应圆整为标准值与零件过盈配合的轴端应有导向锥面磨削或车螺纹应留有越程槽或退刀槽退刀槽越程槽5.提高轴强度与刚度的结构措施(1)减小轴的应力集中避免轴的剖面尺寸剧变，过渡圆角半径不宜过小减小过盈处应力集中—开减载槽凹切圆角过渡肩环(2)改善轴的受力状况合理布置零件位置改变零件结构改善轴的受力车床输入轴卸载装置三、轴的强度计算1.按扭转强度计算(初算轴径)对于转轴).(1055.96mmNnP由轴的结构而定解决办法：T转矩M弯矩T仅考虑的强度条件][TTTWTM用降低][T来考虑的影响适于初估直径对于实心圆轴)2.0(3dWt的设计式3336min][2.01055.9nPCnPdT对于一定的材料为常数MC取值(跨距？力作用点？)2.按弯扭合成强度计算(一般轴)材料力学第三强度理论TM同时承受和的某一截面强度条件为：2222)(4)(4TTbcaWTWMbWTM][22对于直径d的实心轴31.0dW32.0dWT轴结构水平面受力简图水平弯矩图转矩图当量弯矩图垂直面受力简图垂直弯矩图合成弯矩图当量弯矩caMTM和在转轴上产生的应力性质可能不同M产生的弯曲应力b对称循环变应力1b为：T产生的扭剪应力TT大小和方向不变T大小经常变化T大小和方向经常变化静应力13.0][][11bb脉动循环变应力06.0][][01bb对称循环变应力11][][11bbT将转化为对称循环变化来考虑22)(TMMca折算系数22TMMe材料力学中：转轴的强度计算bcaedTMWM][1.0)(132231][1.0bcaMd校核式：危险截面caM最大处caMd较大且较小处设计式：截面若有键槽，算出直径加大5％基于疲劳强度的安全系数约束安全系数的约束条件为][≥2τ2στσSSSSSSca+=考虑应力集中绝对尺寸表面质量对轴疲劳强度的影响maKS1maKS1应力集中系数绝对尺寸系数表面质量系数弯曲时扭转时KK弯曲扭剪对称循环应力应力幅平均应力1am1am平均应力折合成应力幅的等效系数弯曲时扭转时一般转轴固定轴或载荷随轴转应力性质对称循环脉动循环amWMWM20WM20单向转动双向转动脉动循环对称循环应力性质TWT2TWTamTWT2危险截面：有应力集中源且当量弯矩较大处同一截面有多种应力集中源时取最大的静强度安全系数计算短时严重过载场合max0SSmax0SS][02020000SSSSSS结束请批评指正!