机械设计基础 教学课件 作者 王亚辉 主编 第十三章 轴.docVIP

授课题目： 第十三章 轴 授课方式 （请打√） 理论课√ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□ 本章 累计课时 12 课时 安排 2 教学目的、要求 （分掌握、熟悉、了解三个层次） 轴的分类和结构 轴的材料 轴的工艺结构以及轴的设计计算 教学 重点 轴的工艺结构和轴的设计计算 难点 课后总结分析 轴的分类 轴的工艺结构 轴的设计计算 思考题 综合题1、2 讨论题 综合题4、6 作 业 一、二 教 学内 容 备注 第一节 概述 第一节 概 述 一、轴的分类、特点和应用 轴是组成机器的主要零件之一，应用很广。做回转运动的传动零件（例如带轮、齿轮等）都是安装在轴上，并通过轴实现运动及动力的传递。轴的主要功用是支承回转零件并传递运动和动力。 按照轴的承载情况，可将其分为： （1）转轴 既承受弯矩又承受扭矩的轴（如图13-1所示的轴），这类轴在各种机器中最为常见。 图13-1 支承齿轮的转轴 （2）心轴 只承受弯矩而不承受扭矩的轴。心轴又分为转动心轴（图13-2a）和固定心轴（图13-2b）两种。 a） 转动心轴 b） 固定心轴 图13-2 心轴 （3）传动轴 只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴，如汽车传动轴（图13-3）。 图13-3 传动轴 按照轴的结构形状，轴可分为光轴（图13-4）、阶梯轴（图13-1）和曲轴（图13-5）。光轴结构简单，加工容易，应力集中源少，主要用作传动轴。阶梯轴的各轴段截面直径不同，便于轴上零件的固定，在机器中应用最为广泛。曲轴是专用零件，主要用于内燃机中。 图13-4 图13-5 曲轴 直轴一般都制成实心的。若因机器结构需要或者为了减轻的重量，可采用空心轴。 此外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴。它是由多组钢丝分层卷绕而成的（图13-6），具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到任何位置（图13-7）。它能用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。 图13-6 钢丝软轴的绕制 图13-7 钢丝软轴 二、 轴的材料及其选用 由于轴工作时产生的应力多为变应力，其失效一般为疲劳断裂，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性。同时还必须满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性要求，并具有良好的加工工艺性。 轴的常用材料是碳素钢和合金钢。尺寸较小的钢轴的毛坯可以用轧制圆钢车制，尺寸较大的轴应该用锻造的毛坯。铸造毛坯应用很少。 碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，并能通过热处理改善其综合力学性能，所以应用较为广泛。一般的轴多用碳量比为0.25%～0.50%的优质中碳钢制造，其中最常用的是45钢。对于轻载或不重要的轴可以用Q235和Q275。 合金钢比碳素钢具有更好的力学性能和热处理性能，但价格较贵。因此，常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴。常用的合金钢有20Cr、40Cr、35SiMn、 40MnB等。合金钢和碳素钢的弹性模量相差不多，不宜采用合金钢来提高轴的刚度。 轴的常用材料及其主要力学性能见表13-1。 轴也可以采用高强度铸铁和球墨铸铁来做，其毛坯是铸造成型的。这些材料具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。但是铸造轴的质量不易控制，可靠性较差。 三、轴的结构组成 如图13-8所示为阶梯轴的常见结构。轴上与轴承配合的部分称为轴颈，安装轮毂的部分称为轴头，联接轴颈和轴头的部分称为轴身。截面尺寸变化的部分称为轴肩或轴环，轴肩和轴环常用于轴上零件的定位。为了固定轴上的零件，轴上开有键槽，通过键联接实现轮毂的周向定位。此外，为了便于加工和装配，轴上还有轴肩的过渡圆角、轴端的倒角等结构。 图 13-8 轴的结构 第二节 轴的结构设计 一、 轴的强度和刚度 轴的强度和刚度与工作应力的大小有关。因此，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，以充分利用材料的承载能力。对于只受转矩的传动轴，为了使各轴段剖面上的切应力大小相等，常制成光轴或接近于光轴的形状；对于受交变弯曲载荷的轴应制成曲线形，如图13-9所示。实际生产中一般制成阶梯轴以便于安装和定位。 图13-9 等强度梁 （2）尽量避免各轴段尺寸突然变化以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。为了减小应力集中，在各轴段尺寸过渡处制成适当大的圆角，并尽量避免在轴上开孔或开槽，必要时可采用减载槽、