减速器轴的计算.doc

第十一章 轴 1-1 基础知识 一、轴的分类、材料及设计准则 1．轴的分类 轴是组成机器的主要零件之一。其主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。 按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。 轴还可按照轴线形状的不同，分为曲轴和直轴两大类。曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴两种。 2．轴的常用材料 轴的常用材料主要采用碳素钢和合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。合金钢具有较高的机械强度，可淬性也较好，可在传递大功率并要求减轻重量和提高轴颈耐磨性时采用。 常用钢材有： 1）优质碳素钢35，40，45，50钢等，其中最常用的是45钢； 2）合金结构钢20Cr，40Cr，35CrMO，40MnB，40CrNi等。对于不重要的或受力较小的轴以及一般的传动轴可使用Q235，Q255，Q275等普通碳素钢制造。形状复杂的轴，也可以采用铸钢、合金铸铁和球墨铸铁制造。 在一般工作温度下，各种钢的弹性模量E的数值相差不大，因此选用合金钢，采取热处理方法都只能提高轴的疲劳强度或耐磨性，对提高轴的刚度没有实效。 3．轴的失效形式及设计准则 轴在弯矩或扭矩作用下产生的应力一般为变应力，因此轴的主要失效形式是疲劳断裂。 设计时一般应进行疲劳强度校核。 对于瞬时过载很大，应力性质较接近于静应力的轴，可能产生塑性变形，还应按最大载荷进行轴的静强度校核。 对于有刚度要求的轴（如机床主轴，跨度大的蜗杆轴等），应进行刚度计算。 对高转速轴（如汽轮机轴）或载荷作周期性变化的轴，为防止共振，还要进行振动稳定性计算。 轴的设计应满足下列几方面的要求：合理的结构、足够的强度、必要的刚度和振动稳定性及良好的工艺性等。一般而言，轴的设计主要包括两个方面的内容：轴的结构设计和轴的强度计算。 二、轴的结构设计 轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构应满足：铀和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的加工工艺性等方面。 1．轴上零件的定位 为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行轴向和周向定位，以保证其准确的工作位置。 （1）轴向定位 轴向定位主要目的是防止工作时轴上零件沿轴向窜动。常用的轴向定位方式有轴肩、套筒、轴端挡圈、轴承端盖、圆螺母等。 （2）周向定位 周向定位的目的是限制轴上零件与轴发生相对转动。常用的周向定位零件有键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等，其中紧定螺钉只用在传力不大之处。 2．提高轴的强度的常用措施 在进行轴的结构设计时，应考虑尽可能减轻轴的载荷，同时还要注意改善零件的结构形状，以避免或减小应力集中，这对于提高轴的疲劳强度都是非常有效的。 （1）合理布置轴上零件，减小轴上载荷。如将图11-1（a）中的输入轮1的位置改在输出轮2和 3之间，见图 11-1（b），则轴所受的最大扭矩将由降低到 。 （a） （b） 图11-1 轴上零件的合理布置 （2）改进轴上零件结构，减小轴承受的弯矩。如图11-2（a）中的卷筒的轮毂很长，使轴的弯曲力矩较大；若把轮毂分成两段，见图11-2（b），不仅可以减小轴的弯矩，提高轴的强度和刚度，而且能得到良好的轴孔配合。 （a） （b） 图11-2 卷筒的轮毂结构 （3）减小应力集中。轴通常是在变应力条件下工作的，轴的截面尺寸发生处要产生应力集中，轴的疲劳破坏往往在此处发生。因此，设计轴的结构必须尽量减少应力集中源和降低应力集中局部最大应力。主要措施有：尽量避免形状的突然变化，宜采用较大的过渡圆角；若圆角半径受到限制，可改用内圆角、凹切圆角如图11-3（a）或加装隔离环以保证圆角尺寸如图11-3（b）；过盈配合的轴，可在轴上或轮毂上开设减载槽等。 （a） 凹切圆角 （b）加装隔离环 图11-3 减小轴应力集中的措施 （4）改善轴的表面品质，提高轴的疲劳强度。 3．轴的结构工艺性 在进行轴的结构设计时，还要考虑使轴的形状和尺寸尽量便利加工和装配，在满足使用要求的前提下，轴的结构应尽可能简单。轴上键槽最好布置在同一直线上，并且键槽的尺寸也尽可能一致。轴上过渡圆角半径尽可能取相同值。对于需要磨削的轴段，应留有砂轮越程槽；对于需要切削螺纹的轴段，应留有退刀槽， 三、轴的计算 1．轴的强度计算 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力