零件：轴、轴毂联结零件（键、花键、销） 内容：受力，设计中考虑的问题，结构上 如何实现,轴系零部件设计 Shafts and associated parts,复习：机械零件的载荷 Loads on the machine elements,载荷过程分类（Load classification） 1) 静载荷或变化过程十分缓慢（Static load） 2) 始终不变，如重力（Sustained load） 3) 周期性动载荷（Cyclic load） 4) 冲击载荷（Impact load）,载荷形式分类(Types): 法向力(Normal)、 剪切力(shear force)、弯矩(bending moment)和转矩/扭矩(torque),轴向力F：拉（压）应力 Axial load: tensile (compressive) stress 横向力V：剪切应力 Transverse load: shear stress 弯矩M：拉（压）应力 Bending moment: tensile (compressive) stress 扭矩T：扭转剪切应力 Torque: torsional shear stress,载荷与应力及其循环特性,循环特性r,其中：,r =1,r =0,r =-1,第十章 轴（Shaft）,10.1 概述,10.1.1 轴的分类,功用：支撑传动件、传递动力和运动,按载荷分类,直轴:,曲轴:,软轴:,轴线是直线,轴线是平行线,轴线可大幅度改变,按轴线分类,实心轴:,空心轴:,常用,在航空、导弹、航天领域。为什么？,按轴芯分类,10.1.2 转轴的受力、应力分析及失效形式,以减速器的输出轴为例来讨论转轴的受力、应力及失效形式,旋转输出轴上某点的应力循环特性：,1）交变应力作用下，疲劳断裂； 2）应力集中产生断裂：如导弹发动机高速轴； 3）共振断裂：如台架是严重的柔性轴； 4）过载冲击断裂； 5）工作母机主轴刚度失效； 6）永久变形等。,* 轴的失效形式包括,10.1.3 轴的设计（Shaft design）,轴的设计主要解决两个方面的问题： 设计计算：保证危险截面不发生预期的失效 结构设计：保证工艺性、装配性、维护性能等,轴的设计流程（Shaft design procedure）,1) 初定轴径：,结构设计: 画草图, 确定轴的各段尺寸, 得到轴的跨距和力的作用点;,3) 进行校核计算。,转轴设计程序框图,轴的设计分三步进行:,10.2 轴的材料及热处理,热处理 1）中碳钢：调质或者淬火 2）低碳钢：渗碳后淬火 3）重要的轴：深冷尺寸稳定、或高温回火,10.3 轴径的初步估算,10.3.1 类比法,10.3.2 经验公式计算,10.3.3 按扭转强度估算,或者：,* 一般情况下，最小轴径在轴端，当最小直径剖面上 有一个键槽时增大5%，当有两个键槽时增大10%，然 后圆整为标准直径,10.4 轴的结构设计,轴的结构设计的主要要求是：,1) 轴应便于加工，轴上零件应便于装拆 （制造安装要求）,2) 轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置 （定位固定要求）,3) 轴的受力合理，尽量减少应力集中等,以减速器的低速轴为例加以说明,减速器低速轴结构图,制造要求：台阶数尽可能少； 多个键槽最好同线 必要的退刀槽和越程槽 安装要求：台阶； 倒角； 圆角； 清根； 拆卸要求：,10.4.1 制造安装拆卸要求,10.4.2 固定要求,1、轴上零件的轴向固定方法,(1) 轴肩固定,错误,(2)套筒固定,(3)圆螺母固定,错误,(4) 轴端挡圈,(5) 弹性挡圈,不妥,(6)紧定螺钉,2、轴上零件的周向固定,为了传递运动和转矩,或因需要,轴上零件还需有周向固定：键、花键、销、型面等,10.4.3 提高轴的强度的措施,1、合理布置传动零件的位置，使轴段受载合理,2、合理设计轴上零件的结构，减小载荷幅值,3、减小应力集中，采用轴肩过渡结构,P193改错,配合轴段上的卸载槽,轮毂上的卸载槽,4、提高轴的表面质量,提高轴的疲劳强度:表面强化碾压、喷丸、表面淬火等,10.4.4 轴的结构设计（各段尺寸的确定顺序）,1箱体内壁位置的确定,2轴承座外端面位置的确定,3轴承在轴承座孔中位置的确定,di由外向内、Li由内向外逐段确定,P193改错,4、轴的外伸长度的确定,当轴端安装弹性套柱销联轴器时K值由联轴器确定,当使用凸缘式轴承盖时k值由联接螺栓长度确定,当轴承盖与轴端零件都不需拆卸时,一般取K=5mm8mm,10.5 轴的强度校核计算,10.5.1 轴的计算简图,轴的受力和支点的简化,10.5.2 按弯扭合成强度计算,强度条件式:第三强度理论,10.5.3 轴的安全系数校核计算,1、轴的疲劳强度安全系数的校核计算,弯曲应力的循环特性:,扭剪应力的循环特性:,2、静强度的安全系数校核计算,静强度安全系数条件:,10.6 轴的刚度计算,轴的刚度条件为：,许用值：P199表10.6 改错,10.6.1 弯曲变形计算,1、等直径轴的挠曲线近似微分方程,2、对于直径差较小的阶梯轴，其当量直径,3、还可以采用有限差分法、有限元方法、 能量法等求挠度,10.6.2 扭转变形计算,1、等直径轴的扭转角,2、对于阶梯轴,3、同样可以采用有限差分法、有限元方法、 能量法等转角,4、如果强度和刚度满足不了要求怎么办？,第六章 轴毂联接,6.1键联接,6.1.1 平键联接,两侧面工作，键顶面与轮毂键槽底面间有间隙；传递转矩的传力过程,目的：轴和轴上零件的周向固定,有时实现轴向固定 形式：键、花键、胀紧、型面等连接,常用的平键有普通平键和导向平键,1、普通平键，用于静连接,A型：双圆头；B型：方头；C型：一头方一头圆,平键联接的受力分析,主要失效形式：,强度条件为：,，MPa,* 普通平键的宽度b及高度h按轴径d从标准中查得,长度L按轮毂长度从标准中查得,但应比轮毂长度略短些。,键、轴槽、和毂槽三者中强度最弱的工作面被压溃,如果强度不够怎么办？,2、导向平键联接，用于轴向移动联接,6.1.2 半圆键联接,侧面工作，键的顶面与毂槽底面间有间隙 自位对中性好，对强度削弱大，用于轻载、轴端、锥端,6.1.3 楔键联接,楔键的上下面工作，分别与毂和轴上的键槽的底面贴合； 依靠上下面的摩擦力传递转矩； 可传递小的轴向载荷； 但破坏对中，用于平稳载荷、低速连接,6.2 花键联接,花键联接由具有多个沿周向均布的凸齿的外花键和有对应凹槽的内花键组成。齿的侧面是工作面。按其齿型分为矩形花键和渐开线花键两种；可以用于较大转矩的静连接，也可以用于动连接。,6.2.1 矩形花键联接 定心方式：小径定心,6.2.2 渐开线花键 定心方式：齿形定心 加工方法：按齿轮加工,30度花键，模数大，承载能力大,45度花键，齿数多，承载能力小，薄壁零件,