第15章轴(shaft)
第15章 轴（shaft）
一.教学目标1.了解轴的功用、分类及常用材料：2.掌握轴的结构及设计方法：3.掌握轴的受力分析及强度计算和刚度计算。教学重点和难点二.重点：轴的结构设计。难点：轴的结构（尤其是轴向结构）的设计
1.了解轴的功用、分类及常用材料； 2.掌握轴的结构及设计方法； 3.掌握轴的受力分析及强度计算和刚度计算。 一. 教学目标 二．教学重点和难点 重点： 轴的结构设计。 难点： 轴的结构（尤其是轴向结构）的设计
概述第一节一、轴的功用支承回转类零件（齿轮、带轮、链轮等）、传递运动和动力。二、轴的分类O挠性轴按轴是否具有挠性，可以曲路传递运动和动力。存在挠性哥刚性轴传动软轴实心轴按轴是否空心空心轴
第一节 概述 一、轴的功用 支承回转类零件（齿轮、带轮、链轮等）、传递运动 和动力。 二、轴的分类 按轴是 否空心 ●实心轴 ●实心轴 ●空心轴 ●空心轴 按轴是否 存在挠性 ●刚性轴 ●刚性轴 ●挠性轴 ●挠性轴 具有挠性，可以曲路传递运动和动力
转轴既承受弯矩、又承受扭矩的轴。按承载只传递扭矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。传动轴情况分只承受弯矩而不传递扭矩或扭矩很小的轴。●心轴减速器转动心轴转轴电动机带式运输机转轴前叉前轮轴固定心轴传动轴接发动机传动轴前轮轮毂接后桥
●心 轴 ●心 轴 ●传动轴 ●传动轴 ●转 轴 ●转 轴 按承载 情况分 既承受弯矩、又承受扭矩的轴。 只传递扭矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。 只承受弯矩而不传递扭矩或扭矩很小的轴
广光轴直轴按轴线阶梯轴形状分曲轴可以实现直线运动与旋转运动的转换。a
●曲 轴 ●曲 轴 ●直 轴 ●直 轴 按轴线 形状分 光 轴 阶梯轴 可以实现直线运动与旋转运动的转换
三、轴设计的主要内容1）轴的结构设计：即根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工艺等方面的要求，合理确定轴的结构形状和尺寸。2）轴的工作能力设计：即从强度、刚度和振动稳定性等方面来保证轴具有足够的工作能力和可靠性。对于不同机械的轴的工作能力的要求是不同的，必须针对不同的要求进行。对于刚度要求较高的轴（例如机床主轴），主要应该满足刚度要求；对于一些高速旋转的轴（例如高速磨床主轴、气轮机主轴等），要考虑满足振动稳定性的要求。但是强度要求是任何轴都必须满足的基本要求。轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是：必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算
2）轴的工作能力设计：即从强度、刚度和振动稳定性等方面来 保证轴具有足够的工作能力和可靠性。对于不同机械的轴的工 作能力的要求是不同的，必须针对不同的要求进行。对于刚度 要求较高的轴（例如机床主轴），主要应该满足刚度要求；对 于一些高速旋转的轴（例如高速磨床主轴、气轮机主轴等）， 要考虑满足振动稳定性的要求。但是强度要求是任何轴都必须 满足的基本要求。 三、轴设计的主要内容 1）轴的结构设计：即根据轴上零件的安装、定位及轴的制造工 艺等方面的要求，合理确定轴的结构形状和尺寸。 轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是： 必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算
四、轴的材料碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，调质或正火处理可提高其耐磨性和抗疲劳强度，常用的有35、40、45、50钢。合金钢：合金钢比碳素钢机械强度高，淬火性能好，适于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴。可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，或40Cr、35SiMn、40MnB。一般工作温度下（<200°C），各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所注意：依据的主要是强度和耐磨性。球墨铸铁：QT600-3，形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。轴的主要材料及其力学性能参见P373表15-1
四、轴的材料 轴的主要材料及其力学性能参见P373表15-1。 碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，调质或正火处理 可提高其耐磨性和抗疲劳强度，常用的有35、40、45、50钢。 合金钢：合金钢比碳素钢机械强度高，淬火性能好，适于要 求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴。可以采用 20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，或40Cr、35SiMn、40MnB。 球墨铸铁：QT600-3，形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。 注意： 一般工作温度下（<200℃），各种碳钢和合金钢的弹性 模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所 依据的主要是强度和耐磨性
表15-1轴的常用材料及其主要力学性能抗拉强度屈服强度弯曲疲劳剪切疲劳许用弯曲极限极限极限极限应力毛坏直径热处理材料牌号硬度/HBW备注[a.,]OgOs0-1t.1/mmMPa≤100400-420225热轧或用于不重要及受载Q235A17010540锻后空冷荷不大的轴>100~250215375~390590295≤100170~217255140正火5545285135>100-300162~217570245应用最广泛调质≤200217~25564035527515560735540355≤100200用于载荷较大，而调质7040Cr241~286>100~300685185无很大冲击的重要轴490335≤100270~300900735430260调质40CNi75用于很重要的轴>100~300240~270785570370210≤100229~286735590365210用于重要的轴，性调质38SiMnMo70>100~300217~269685540345195能近于40CrNi≤60293321930785440280用于要求高耐磨性，调质4107538CrMoA1A>60~100277302835685270高强度且热处理（氮化）变形很小的轴785590375>100160241~277220-渗碳泽渗碳用于要求强度及韧20Cr≤6064016039030560火回火56~62HRC性均较高的轴调质753Cr13≤100≥241835635395230用于腐蚀条件下的轴≤100530190115用于高、低温及腐淳火1Cr18Ni9Ti19545≤192蚀条件下的轴>100~200490180110QT600-3370185190~270600215用于制造复杂外形的轴QT800-2245335800480290250
第二节轴的结构设计一、轴的结构设计步骤1-拟定轴上零件的装配方案：2-轴上零件的定位设计；3-各轴段的直径和长度的确定。（一）拟定轴上零件的装配方案方案一O方案二
第二节 轴的结构设计 一、轴的结构设计步骤 （一）拟定轴上零件的装配方案 1-拟定轴上零件的装配方案；2-轴上零件的定位设计； 3-各轴段的直径和长度的确定
拆卸过程与安装过程正好相反
④ 设计：潘存云 ② ③ ⑥ ⑦ ① ⑤ 拆卸过程与安装过程正好相反