文档介绍：轴设计
主要内容
1、轴的结构设计:影响轴结构的因素;轴的台阶化设计;轴的设计步骤。
2、轴的强度与刚度计算:轴上载荷及应力分析;轴的强度计算、刚度计算等。
基本要求
1、了解轴的功用、类型、特点及应用。
2、掌握轴的结构设计方法。
3、掌握轴的三种强度计算方法:按扭转强度计算、按弯扭合成强度计算、按疲劳强度进行安全系数校核计算。
重点难点
1、轴的结构设计,强度计算。
2、转轴设计程序问题。
3、弯扭合成强度计算中的应力校正系数a。
§7-1 轴概述
一、轴的功能和分类
轴是组成机器的重要零件之一,其主要功能是支持作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等),并传递运动和动力。
1、按受载情况分
根据轴的受载情况的不同轴可分为转轴、传动轴和心轴三类。
转轴:既受弯矩又受转矩的轴;
传动轴:主要受转矩,不受弯矩或弯矩很小的轴;
心轴:只受弯矩而不受转矩的轴;
根据轴工作时是否转动,心轴又可分为转动心轴和固定心轴。
转动心轴:工作时轴承受弯矩,且轴转动
固定心轴:工作时轴承受弯矩,且轴固定
2、按轴线形状分
根据轴线形状的不同轴又可分为曲轴、直轴和钢丝软轴。
图7-2 曲轴
曲轴:各轴段轴线不在同一直线上,主要用于有往复式运动的机械中,如内燃机中的曲轴(图7-2)。
图7-3 直轴
直轴:各轴段轴线为同一直线。直轴按外形不同又可分为:
光轴:形状简单,应力集中少,易加工,但轴上零件不易装配和定位。常用于心轴和传动轴(图7-3左)。
阶梯轴:特点与光轴相反,常用于转轴(图7-3右)。
图7-4 钢丝软轴
钢丝软轴:由多组钢丝分层卷绕而成,具有良好挠性,可将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。
二、轴的材料及选择
轴的材料种类很多,选择时应主要考虑如下因素:
1、轴的强度、刚度及耐磨性要求;
2、轴的热处理方法及机加工工艺性的要求;
3、轴的材料来源和经济性等。
轴的常用材料是碳钢和合金钢。
碳钢比合金钢价格低廉,对应力集中的敏感性低,可通过热处理改善其综合性能,加工工艺性好,故应用最广,一般用途的轴,~%的中碳钢。尤其是45号钢,对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。
合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能,但对应力集中比较敏感,且价格较贵,多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢,经渗碳处理后可提高耐磨性;20CrMoV、38CrMoAl等合金钢,有良好的高温机械性能,常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。
值得注意的是:由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多,因此当其他条件相同时,如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。
低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火,可提高其耐磨性,常用于韧性要求较高或转速较高的轴。
球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性,不需要锻压设备,吸振性好,对应力集中的敏感性低,近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。
轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀,强度较好,因此,重要的大尺寸的轴,常用锻造毛坯。轴的常用材料机械性能见表7-1。
表7-1 轴的常用材料机械性能
材料牌号
热处理
毛坯直径
(mm)
硬度
(HBS)
抗拉强度极限σb
屈服强度极限σs
弯曲疲劳极限σ-1
剪切疲劳极限τ-1
许用弯曲应力[σ-1]
备注
Q235A
热轧或锻后空冷
≤100
400~420
225
170
105
40
用于不重要及受载荷不大的轴
>100~250
375~390
215
45
正火
回火
≤10
170~217
590
295
225
140
55
应用最广泛
>100~300
162~217
570
285
245
135
调质
≤200
217~255
640
355
275
155
60
40Cr
调质
≤100
>100~300
241~286
735
685
540
490
355
355
200
185
70
用于载荷较大,而无很大冲击的重要轴
40CrNi
调质
≤100
>100~300
270~300
240~270
900
785
735
570
430
370
260
210
75
用于很重要的轴
38SiMnMo
调质
≤100
>100~300
229~2