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机械工程基础第13章 轴系
第13章 轴系 13.1 概述 13.2 轴的材料 13.3 轴及轴系的结构设计 13.4 轴的设计计算 思考与练习 13.1 概 述 13.1.1 轴的类型及其特点 1. 按中心线形状不同分类 (1) 直轴: 中心线为一直线的轴称为直轴。 在轴的全长上直径都相等的直轴称为光轴, 如图13 -1(a)所示; 各段直径不等的直轴称为阶梯轴, 如图13 - 1(b)所示。 由于阶梯轴上零件便于拆装和固定, 又利于节省材料和减轻重量, 因此在机械中应用最普遍。 在某些机器中也有采用空心轴(见图13 - 1(c))的, 以减轻轴的重量或利用空心轴孔输送润滑油、 冷却液等。 (2) 曲轴: 中心线为折线的轴称为曲轴, 如图13 - 2所示。 它主要用在需要将回转运动与往复直线运动相互转换的机械中。 (3) 挠性软轴: 能把旋转运动灵活地传到任何位置的钢丝软轴称为挠性软轴, 如图13 - 3 所示。 它由多组钢丝分层卷绕而成(见图13 - 4), 其特点是具有良好的挠性。 它常用于医疗器械和小型机具等移动设备上。 2. 按承载情况不同分类 (1) 转轴: 工作中同时受弯矩和扭矩的轴称为转轴。 转轴在各种机器中最常见, 如减速箱中的齿轮轴(见图13 - 5)。 (2) 传动轴: 只受扭矩不受弯矩或所受弯矩很小的轴称为传动轴。 如汽车传动轴(见图13 - 6)。 (3) 心轴: 只承受弯矩的轴称为心轴。 心轴又分为转动心轴和固定心轴, 前者如机车车轴(见图13 - 7(a)), 后者如自行车的前轴(见图13 - 7(b))。 13.1.2 轴设计的要求和一般步骤 1. 轴设计的基本要求 不同机械对轴有不同的设计要求, 基本包括以下三方面: (1) 合理的结构和良好的工艺性, 以保证零件具有可靠的轴向和周向定位, 并利于加工; (2) 具有足够的强度, 以承受设计要求的工作载荷; (3) 具有足够的刚度和良好的稳定性。 2. 轴设计的一般步骤 (1) 选择轴的材料; (2) 初步估算轴的基本直径; (3) 进行轴的结构设计; (4) 进行轴的强度、 刚度或稳定性等验算; (5) 绘制轴的工作图。 13.2 轴的材料 1. 碳素钢 碳素钢比合金钢价廉, 对应力集中不敏感, 并可用热处理的方法改善其力学性能。 一般机械中常用35、 45、 50钢等优质碳素钢, 并进行正火或调质处理, 其中以45钢用得最为广泛。 ? 不重要的、 受力较小的轴可采用Q235、 Q275等碳素结构钢。 2. 合金钢 合金钢具有较高的力学性能和良好的热处理工艺性, 但对应力集中比较敏感, 且价格较贵, 多用于高速、 重载及有特殊要求的轴材料。 对于耐磨性要求较高的轴, 可选用20Cr、 20CrMnTi等低碳合金钢, 进行渗碳淬火处理。 对于在高温、 高速和重载条件下工作的轴, 可选用38CrMoAlA、 40CrNi等合金结构钢。 由于在一般工作温度下, 碳素钢和合金钢的弹性模量相差无几, 因此, 不能用合金钢代替碳素钢来提高轴的刚度。 轴的毛坯通常用锻件和热轧圆钢。 对于某些结构外形复杂的轴可采用铸钢或球墨铸铁, 后者具有吸震性、 耐磨性好、 价格低廉、 对应力集中敏感性差等优点。 表13 - 1列出了几种轴的常用材料及其力学性能。 13.3 轴及轴系的结构设计 轴及轴系的结构设计主要要求是: (1) 便于加工, 具有良好加工和装配的工艺性, 轴上零件便于拆装和调整; (2) 轴上零件布置合理, 受力合理, 利于提高轴的强度和刚度; (3) 轴上零件的轴向定位、 周向定位准确, 固定可靠; (4) 尽量减少应力集中, 节约材料。 13.3.1 零件在轴上的轴向固定
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