課程導入：模塊八軸系零部件

任務一

軸

軸是機械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回轉的機械零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運動和動力。汽車傳動軸火車車輪軸減速器軸

2010年11月4日，澳洲航空公司的一架A380客機執行倫敦-新加坡-悉尼的QF32航班任務時，機上載有440名乘客及26名機組成員。

飛機由新加坡起飛后，爬升幾分鐘飛到2134米高度時，突然出現了爆炸聲，飛機隨即處于難以控制的狀態。原因是2號發動機中壓渦輪驅動中壓壓氣機的傳動軸突然折斷，造成中壓渦輪盤爆破成幾塊，斷塊以很大的離心力打穿渦輪機匣與發動機短艙（如圖）。

在機組人員精心操作下，將損壞嚴重、難于控制的飛機終于在起飛后109分鐘，在距機場跑道（跑道長4000米）盡頭150米處安全停住。創造了航空史上的一個奇跡。受損的發動機附件傳動機構發動機受損情況教學目標知識目標1.了解軸的類型和特性；2.掌握軸的常用材料；3.掌握軸的結構設計；4.掌握軸的強度校核。能力目標1.能夠正確選擇軸的材料；2.能夠進行軸的結構設計；3.能夠進行軸的強度校核。素養目標1.樹立自立協作、嚴謹細心的工作態度，處理好人際關系。2.培養學生標準意識和規范意識；3.培養學生敢于擔當、精益求精的工匠精神。【學習重點與難點】1.軸的功用和類型；2.軸材料的選擇；3.軸的結構設計；4.軸強度的校核。【相關知識】一、軸的功用和類型（一）軸的功用

軸的主要功用是支承旋轉零件（如齒輪、帶輪、聯軸器等），以傳遞運動和動力，是組成機器的重要零件之一。（二）軸的類型1.根據承載情況不同，軸可分為傳動軸、心軸和轉軸三類。如圖所示。（a）傳動軸

（b）心軸

（c）轉軸2.按軸線的幾何形狀分類

按軸線的幾何形狀不同，軸可分為直軸、曲軸和撓性軸三類，如圖所示。二、軸的材料

軸的主要失效形式為疲勞破壞，其材料應具有較好的強度、韌性及耐磨性。

選用軸材料時應綜合考慮，具體按以下要求選取：1.一般用途的軸常用優質碳素結構鋼，如35、45、50等，采用正火或調質處理；2.輕載或不重要的軸可采用普通碳素鋼；3.重載重要的軸可選用合金結構鋼，如20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等，其力學性能高，但成本較高。三、軸的結構設計（一）軸的結構應滿足的基本要求

1.有利于提高軸的強度和剛度。

2.軸和軸上零件要有準確的工作位置。

3.軸應便于加工，軸上零件要易于裝拆。4.軸應具有良好的制造工藝性。5.軸各部分的直徑和長度的尺寸要合理。軸的裝配（二）軸的結構組成

軸的結構一般由軸頭、軸頸、軸身、軸肩和軸環等組成，如圖所示。（三）軸最小直徑的估算

常根據軸的扭轉強度條件來估算軸的最小直徑，軸的最小直徑可按照模塊一公式（1-29）進行計算。則軸的最小直徑估算公式為：C—由軸的材料和載荷情況確定的常數。

考慮到軸上開有鍵槽會削弱軸的強度，可將軸徑適當增大。軸上開有一個鍵槽時，軸徑可增大3%左右，軸的同一截面開有兩個鍵槽時，軸徑可增大7%左右。軸的標準直徑見表8-2。（四）軸的結構設計1.軸的加工和裝配工藝性（1）軸的形狀應力求簡單，階梯級數盡可能少。（2）鍵槽、圓角半徑、倒角、中心孔等尺寸盡可能統一，以利于加工和檢驗。如圖所示。鍵槽與倒角（3）車制螺紋的軸段應有退刀槽，磨削的軸段應設計砂輪越程槽，如圖所示。（4）當軸上有多處鍵槽時，應使各鍵槽位于同一圓軸母線上。（5）為便于裝配，軸端均應有倒角。（6）為了便于安裝與拆卸，階梯軸應設計成兩端小中間大，便于零件從兩端裝拆。（7）各零件裝配應盡量不接觸其他零件的配合表面。（8）軸肩高度不應妨礙零件的拆卸。退刀槽與越程槽2.軸上零件的定位與固定（1）軸上零件的軸向定位與固定

常用軸上零件的軸向定位與固定方式、特點及應用見表8-3。注意：（1）非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設置的，其高度沒有嚴格的規定，一般為1～2mm。（2）為保證軸上零件能可靠定位，當采用套筒、軸端擋圈、圓螺母作軸向定位與固定時，軸與零件相配合的軸段長度應比輪轂的長度短2～3mm。（3）軸上零件的周向固定

軸上零件周向必須固定可靠，才能傳遞運動與動力。周向固定可采用平鍵、花鍵、銷、過盈配合等，如圖所示。軸上零件的周向固定方法3.提高軸疲勞強度的結構設計

在設計軸的結構時，應考慮減少應力集中，以提高軸的疲勞強度。如圖所示。（a）凹切圓角

（b）過渡肩環

（c）開卸載槽C為由軸的材料及承載情況確定的常數。由下表查得。1.按扭轉強度計算

這種方法視軸只受轉矩，根據轉矩大小估算d，并用降低許用扭剪應力的方法來考慮彎矩的影響。四、軸的設計計算軸的材料Q235、20Q275、354540Cr、35SiMn、38SiMnMo[τ]/MPa15～2520～3525～4540～52C149～126135～112126～103106～97—扭剪應力，MPa—許用扭剪應力，MPa—抗扭截面系數，mm3

—轉矩，N.mm—傳遞的功率，KW—轉速，r/min—軸的直徑，mm式中：上式所求d作為軸的最小直徑進行軸的結構設計，若該處有一個鍵槽，d增大5%，有兩個鍵槽，d增大10%。2.按經驗公式估算

對于一般減速裝置中的軸，也可用經驗公式估算軸的最小軸徑。

對于高速級輸入軸d=(0.8～1.2)D

D——與高速級軸相聯的電動機軸徑

對于各級低速軸d=(0.3～0.4)a

a——同級齒輪中心距3.按彎扭合成強度計算

在初估軸徑及結構設計完成以后，即可確定軸上載荷大小、方向、作用點和軸的支承點位置。從而可求出支承反力，畫出彎矩圖和扭矩圖，這時就可按彎扭合成強度計算軸的直徑（多用來對已設計好的軸進行強度校核）。

由彎矩圖和轉矩圖可初步判斷軸的危險剖面。對于一般的鋼制軸，可用第三強度理論求出危險剖面的當量應力

e，其強度條件為：

e—當量應力MPa

b—彎曲應力MPaM—危險截面上的合成彎矩N.mmW—危險截面上的抗彎截面系數mm3

對于一般轉軸，

b為對稱循環，而

的應力特性常是不變或脈動，考慮到兩者循環特性不同的影響，將上式中的轉矩乘以折算系數α，得校核軸的強度基本公式為：α—折算系數Me—當量彎矩N.mm

[

-1]b—對稱循環下許用彎曲應力設計式：

對于一般用途的軸，按上述方法計算已足夠精確。對重要的軸，還要考慮影響軸疲勞強度的一些因素而作精確驗算。其內容可參閱有關書籍。設計注意：1）找危險截面：Me較大或d較小處

2）強度不足采取措施

a)增大軸徑，其它尺寸跟著變化

b)改用材料、熱處理方法4.軸的剛度計算概念軸受載后會產生彈性變形，機械中若軸的剛度不夠，會影響機器的正常工作。如機床的主軸變形太大時，將影響機床的加工精度，電機轉子軸彎曲變形太大時，將使轉子和定子的間隙改變而影響電機性能，所以軸必須有足夠的剛度。

對于有剛度要求的軸，為使軸不因剛度不足而失效，設計時應根據軸的不同要求限制其變形量：