第八章　軸的設(shè)計(jì)

機(jī)械設(shè)計(jì)教程第3版機(jī)械工業(yè)出版社第八章軸的設(shè)計(jì)第一節(jié)概述

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算第三節(jié)軸的剛度計(jì)算簡介第四節(jié)軸的振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算簡介

第一節(jié)概述

軸是機(jī)器中重要的機(jī)械零件之一。例如機(jī)床主軸、自行車輪軸、錄音機(jī)磁帶軸、計(jì)算機(jī)磁盤中心軸等,都是其中非常關(guān)鍵的零件。軸屬于非標(biāo)準(zhǔn)件,其設(shè)計(jì)內(nèi)容包括材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作能力計(jì)算等。軸設(shè)計(jì)的一般步驟是:根據(jù)工作要求選擇軸的材料和熱處理方法;然后根據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)簡圖計(jì)算出軸的轉(zhuǎn)矩,進(jìn)行最小直徑估算;再根據(jù)軸上零件的安裝和受力等情況進(jìn)行軸的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);最后對(duì)軸的工作能力進(jìn)行校核計(jì)算,若不滿足要求,則需重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算。因此,軸的設(shè)計(jì)過程是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作能力計(jì)算交替進(jìn)行、逐步完善的。本章主要介紹軸的工作能力設(shè)計(jì)問題。第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類軸的結(jié)構(gòu)一般是橫截面為圓形的回轉(zhuǎn)體。軸上零件也大多是回轉(zhuǎn)件。軸的主要作用是支撐機(jī)器中的其他回轉(zhuǎn)零件,如齒輪、飛輪等,并在傳動(dòng)零件之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。軸的分類方法有許多種,概括起來,可以按兩種方法分類,即按軸所受載荷類型分類和按軸的結(jié)構(gòu)類型分類。軸按所受載荷類型分為心軸、傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)軸(表8-1)。第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類軸按結(jié)構(gòu)類型分為直軸和曲軸(圖8-1)、光軸和階梯軸、實(shí)心軸和空心軸(圖8-2)。圖8-3所示為鋼絲軟軸。圖8-1內(nèi)燃機(jī)曲軸圖8-2車床主軸第一節(jié)概述

一、軸的功用和分類圖8-3鋼絲軟軸第一節(jié)概述

二、軸的材料軸的材料主要采用碳鋼和合金鋼。鋼軸的毛坯大多用軋制圓鋼和鍛件,也有的直接用圓鋼。由于碳鋼比合金鋼價(jià)格低廉,對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小,所以應(yīng)用較為廣泛。合金鋼常用于載荷大、要求結(jié)構(gòu)緊湊、耐磨或工作條件較為惡劣的場(chǎng)合。鋼材的種類和熱處理對(duì)其彈性模量的影響很小,因此選用高性能鋼材來提高軸的剛性并無實(shí)效。對(duì)于形狀復(fù)雜的軸,軸的材料也可以采用鑄造性能好的高強(qiáng)度鑄鐵和球墨鑄鐵。表8-2列出了軸的常用材料及其主要力學(xué)性能,其他材料可以參閱文獻(xiàn)[25]。第一節(jié)概述

二、軸的材料第一節(jié)概述

三、軸的工作能力計(jì)算軸的工作能力計(jì)算主要包括軸的強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算。一般的軸只要滿足強(qiáng)度條件即可正常工作。此時(shí),為避免軸的斷裂或塑性變形,只需對(duì)軸的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。而有的軸,如車床主軸和受力大的細(xì)長軸,為避免軸產(chǎn)生過大的彈性變形而造成失效,需要對(duì)軸的剛度進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于高速旋轉(zhuǎn)的軸,為避免產(chǎn)生共振而造成失效,需要對(duì)軸的振動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的強(qiáng)度計(jì)算方法主要分為兩大類:①按疲勞強(qiáng)度計(jì)算,包括按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算和按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核三種方法。②按靜強(qiáng)度計(jì)算。按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算的方法主要用于以下幾種情況:①傳動(dòng)軸的計(jì)算。②初步估算轉(zhuǎn)軸受扭段的最小直徑,以便進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。③不重要的軸。若存在不大的彎矩時(shí),則通過降低許用切應(yīng)力來考慮彎矩的影響。按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算的方法主要用于一般轉(zhuǎn)軸和心軸的計(jì)算。按疲勞強(qiáng)度條件計(jì)算的方法比較復(fù)雜,主要用于重要轉(zhuǎn)軸的精確計(jì)算。按靜強(qiáng)度條件計(jì)算的方法主要用于瞬時(shí)過載很大的軸的計(jì)算。這四種方法可以單獨(dú)使用,也可以聯(lián)合使用,視具體情況而定。第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算二、按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算三、按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算三、按疲勞強(qiáng)度條件進(jìn)行精確校核

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算四、按靜強(qiáng)度條件計(jì)算

第二節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算四、按靜強(qiáng)度條件計(jì)算

第三節(jié)軸的剛度計(jì)算簡介

第三節(jié)軸的剛度計(jì)算簡介圖8-6軸的變形第三節(jié)軸的剛度計(jì)算簡介第四節(jié)軸的振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算簡介當(dāng)軸和軸上零件組成一個(gè)構(gòu)件做整體運(yùn)動(dòng)時(shí),如果它所受外力的激振頻率與自身的固有頻率相同或接近時(shí),那么軸將產(chǎn)生共振現(xiàn)象,這種現(xiàn)象稱為軸的振動(dòng)。軸在引起共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。軸的振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算的目的就是使軸的工作轉(zhuǎn)速避開其臨界轉(zhuǎn)速。軸的振動(dòng)分為彎曲振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和縱向振動(dòng)等。一般而言,軸的彎曲振動(dòng)現(xiàn)象最為常見。在轉(zhuǎn)速不高的一般通用機(jī)械中,軸的振動(dòng)問題不是很突出,常予以忽略。但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸中,就必須對(duì)軸的振動(dòng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行計(jì)算分析。當(dāng)激振頻率與零件的固有頻率成整數(shù)倍關(guān)系時(shí),零件就會(huì)發(fā)生共振而失效。共振時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。高轉(zhuǎn)速的軸,其臨界轉(zhuǎn)速有許多個(gè),由低到高分別稱為一階臨界轉(zhuǎn)速、二階臨界轉(zhuǎn)速等。各階臨界轉(zhuǎn)速區(qū)的共振都會(huì)加劇軸的振動(dòng),但在一階臨界轉(zhuǎn)速時(shí),軸的振動(dòng)最激烈,最為危險(xiǎn),所以通常主要計(jì)算一階臨界轉(zhuǎn)速。當(dāng)軸的工作轉(zhuǎn)速很高時(shí),應(yīng)使軸快速通過各階臨界轉(zhuǎn)速。軸的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開相應(yīng)的共振區(qū),這樣的軸才具有振動(dòng)穩(wěn)定性。即振動(dòng)穩(wěn)定性就是在設(shè)計(jì)時(shí)要使外部激振頻率與零件的固有頻率錯(cuò)開(圖8-7)。若用f表示零件固有頻率,fp表示激振頻率,則振動(dòng)穩(wěn)定性條件為fp<0.85f或fp>1.25f(8-15)把激振源與零件隔離,阻止