機械設計課件第十章：軸

1、曲軸長曲軸長1414米、重米、重237237噸噸柴油機功率：柴油機功率：4976049760馬力馬力=36598KW=36598KW第第1010章章 軸軸10.1 概述概述軸的功用軸的功用（1 1）支承軸上回轉零件）支承軸上回轉零件（2 2）傳遞運動和動力）傳遞運動和動力第第1010章章 軸軸10.1 概述概述10.1.1 10.1.1 軸的分類軸的分類傳動軸傳動軸 用來傳遞轉矩而不承受彎矩的軸稱為傳動軸。用來傳遞轉矩而不承受彎矩的軸稱為傳動軸。轉軸轉軸工作時既承受彎矩又承受轉矩的軸稱為轉軸。工作時既承受彎矩又承受轉矩的軸稱為轉軸。心軸心軸用來支撐轉動零件且只承受彎矩用來支撐轉動零件且只承受彎

2、矩而不傳遞轉矩的軸稱為心軸。而不傳遞轉矩的軸稱為心軸。轉動心軸轉動心軸固定心軸固定心軸1 1、按受載荷分、按受載荷分2、按結構形式分、按結構形式分（1 1）曲軸）曲軸（3 3）空心軸）空心軸（2 2）軟軸）軟軸10.1.2 軸的受力、應力及失效形式軸的受力、應力及失效形式 以減速器的輸出軸為例來討論轉軸的受力、應以減速器的輸出軸為例來討論轉軸的受力、應力及失效形式力及失效形式而在而在CD之間的任意截面上，只作用之間的任意截面上，只作用有轉矩有轉矩T，因此只有扭轉剪應力，因此只有扭轉剪應力1 1、受力及應力分析、受力及應力分析轉軸轉軸在在AB之間的任意截面上，只有彎矩之間的任意截面上，只有彎矩M

3、，因此只有彎曲應力，因此只有彎曲應力b在在BC之間的任意截面上，既作用有之間的任意截面上，既作用有彎矩彎矩M，又作用有轉矩，又作用有轉矩T T，因此，即，因此，即有彎曲應力有彎曲應力 ，又有扭轉剪應力，又有扭轉剪應力b當轉矩當轉矩T按脈動循環(huán)變化時，扭轉剪應力按脈動循環(huán)變化時，扭轉剪應力 也也為脈動循環(huán)，其循環(huán)特征為脈動循環(huán)，其循環(huán)特征r=0（見圖（見圖c）。）。圖c當轉矩當轉矩T為對稱循環(huán)時，扭轉剪應力為對稱循環(huán)時，扭轉剪應力 也為對也為對稱循環(huán)，其循環(huán)特征稱循環(huán)，其循環(huán)特征r=-1（見圖（見圖d）。）。圖d彎曲應力彎曲應力 為對稱循環(huán)變應力，其循環(huán)特征為對稱循環(huán)變應力，其循環(huán)特征r=-1(

4、見圖見圖a) 。b圖ab圖b扭轉剪應力的循環(huán)特征扭轉剪應力的循環(huán)特征r隨轉矩的性質而變化。隨轉矩的性質而變化。當轉矩當轉矩T的大小及方向恒定不變時，扭轉剪應的大小及方向恒定不變時，扭轉剪應力力 為靜應力，其循環(huán)特征為靜應力，其循環(huán)特征r=+1（見圖（見圖b）。）。2、應力循環(huán)特征、應力循環(huán)特征3 3、軸的一般失效形式、軸的一般失效形式( (變應力下變應力下) )疲勞斷裂：疲勞裂紋發(fā)展到一定程度后突然斷裂。疲勞斷裂：疲勞裂紋發(fā)展到一定程度后突然斷裂。10.1.3 軸的設計軸的設計轉軸設計分三步進行轉軸設計分三步進行:（1）初定軸徑）初定軸徑;（2）結構設計）結構設計: 畫草圖畫草圖, 確定軸的各

5、段尺寸確定軸的各段尺寸, 得到軸的得到軸的跨距和力的作用點跨距和力的作用點;（3）計算彎矩、扭矩、彎曲應力及扭剪應力，進行校核）計算彎矩、扭矩、彎曲應力及扭剪應力，進行校核計算。計算。已知已知條件條件選擇選擇軸的軸的材料材料初算初算軸徑軸徑結構結構設計設計計算計算彎扭彎扭校核校核計算計算完善完善設計設計修改直徑修改直徑轉軸轉軸設計程序框圖設計程序框圖設計計算設計計算結構設計結構設計軸的設計主要解決兩個方面的問題軸的設計主要解決兩個方面的問題心軸和傳動軸？軸的常用材料：軸的常用材料：碳鋼，合金鋼，球墨鑄鐵，高強度鑄鐵等。碳鋼，合金鋼，球墨鑄鐵，高強度鑄鐵等。熱處理，化學處理，表面強化處理等熱處理

6、，化學處理，表面強化處理等 。軸的材料軸的材料具有足夠高的強度和韌性具有足夠高的強度和韌性應力集中敏感性小應力集中敏感性小良好的工藝性良好的工藝性10.2 軸的材料軸的材料2.2.中、低碳合金鋼：中、低碳合金鋼： 強度高強度高、壽命長，對、壽命長，對應力集中敏感應力集中敏感，用于重載、，用于重載、小尺寸的軸。小尺寸的軸。1.1.碳素鋼：碳素鋼：3030、3535、4545、5050，4545應用最廣。應用最廣。 價廉，對價廉，對應力集中不敏感應力集中不敏感，良好的加工性。，良好的加工性。3 3、合金鑄鐵、合金鑄鐵、QTQT：鑄造成形，：鑄造成形，吸振吸振，可靠性低，可靠性低，品質難控制，常用于

7、凸輪軸、曲軸。品質難控制，常用于凸輪軸、曲軸。10.3 軸徑的初步估算軸徑的初步估算10.3.2 經驗公式計算法經驗公式計算法高速輸入軸的直徑高速輸入軸的直徑d可按與其相聯(lián)的電動機軸的直徑可按與其相聯(lián)的電動機軸的直徑D估算估算d=(0.81.2)D各級低速軸的直徑各級低速軸的直徑d可按同級齒輪傳動中心可按同級齒輪傳動中心a估算估算d=(0.30.4)a通常估算軸的最小直徑，作為結構設計的依據(jù)通常估算軸的最小直徑，作為結構設計的依據(jù)10.3.1 類比法類比法參考同類已有機器的軸的結構和尺寸進行分析對比參考同類已有機器的軸的結構和尺寸進行分析對比10.3.3 按扭轉強度計算法按扭轉強度計算法mmn

8、PCnPd336 2 . 01055. 9或或當最小直徑剖面上有一個鍵槽時增大當最小直徑剖面上有一個鍵槽時增大5%，當，當有兩個鍵槽時增大有兩個鍵槽時增大10%，然后圓整為標準直徑，然后圓整為標準直徑2 . 01055. 936dnPWTT計算公式計算公式10.4 軸的結構設計軸的結構設計軸的結構設計的主要要求是：軸的結構設計的主要要求是：（1）軸應便于加工，軸上零件應便于裝拆。）軸應便于加工，軸上零件應便于裝拆。（制造安裝要求）（制造安裝要求）（2）軸和軸上零件應有正確而可靠的工作位置。）軸和軸上零件應有正確而可靠的工作位置。（ 定位固定要求）定位固定要求）（3）軸的受力合理，盡量減少應力集

9、中等。）軸的受力合理，盡量減少應力集中等。以下，以減速器的低速軸為例加以說明以下，以減速器的低速軸為例加以說明減速器中有階梯軸減速器中有階梯軸減速器低速軸結構圖減速器低速軸結構圖10.4.1 制造安裝要求制造安裝要求便于拆卸、便于便于拆卸、便于安裝、便于制造安裝、便于制造做成階梯軸做成階梯軸應有倒角應有倒角有越程槽有越程槽鍵應靠近端部鍵應靠近端部10.4.2 固定要求固定要求1.軸上零件的軸向固定軸上零件的軸向固定1.1.與齒輪或聯(lián)軸器等零件相配的軸段長度一般應比軸與齒輪或聯(lián)軸器等零件相配的軸段長度一般應比軸轂長度短轂長度短2 23mm3mm。rhDdc cc r r 。rhDdc cc r

10、, ,定位可靠定位可靠c ch 0.07d，結合軸承軸肩的要求，取，結合軸承軸肩的要求，取h=6mm，則軸環(huán)直徑，則軸環(huán)直徑d-=67mm。 55k6 45H7/k6 67 58H7/r6 55H7/k623988221100218423軸承距箱體內壁為軸承距箱體內壁為5mm,則軸環(huán)寬度則軸環(huán)寬度b=20mm。齒輪右端采用軸套定位，齒輪右端采用軸套定位，其寬度為其寬度為20mm。取齒輪端取齒輪端面距箱體面距箱體內 壁 為內 壁 為15mm 55k6 45H7/k6 67 58H7/r6 55H7/k62320988280.580.5215510013015211523 55k6 45H7/k6

11、 67 58H7/r6 55H7/k6 5223209845608280.580.521552010013015211540402342取取平鍵平鍵16mm10mm90mm按彎扭合成強度條件的計算按彎扭合成強度條件的計算 1）繪出軸的計算簡圖，并按作用力所在空間位置標）繪出軸的計算簡圖，并按作用力所在空間位置標出作用力的大小、方向和作用點。出作用力的大小、方向和作用點。略去軸和軸上零件的自重；略去軸上產生的拉壓應力。略去軸和軸上零件的自重；略去軸上產生的拉壓應力。 2）取定坐標系，將軸上作用力分解為水平分力和垂）取定坐標系，將軸上作用力分解為水平分力和垂直分力，求出水平面直分力，求出水平面H H及