第12章轴的设计(授课)

1、制作：陈晓岑121 概述概述轴的功用轴的功用联轴器联轴器联轴器联轴器轴轴电动机电动机减速器减速器带式运输机带式运输机F vD支承机器中的回转零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；支承机器中的回转零件（齿轮、蜗轮、带轮、链轮等）；传递运动和动力。传递运动和动力。轴上各段的名称轴上各段的名称 轴通常由轴头、轴颈、轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。何零件的轴段等部分组成。轴的结构和形状取决于轴的结构和形状取决于：轴的毛胚种类轴的毛胚种类轴上作用力的大小及分布情况轴上作用力的大小及分布情况轴上零件的位置、配合性质以轴上零件的位置、配合性质以 及联结

2、固定的方法及联结固定的方法轴承的类型、尺寸和位置轴承的类型、尺寸和位置轴的加工方法、装配方法以及轴的加工方法、装配方法以及 其他特殊要求其他特殊要求轴端轴端轴颈轴颈轴头轴头轴头轴头轴段轴段轴肩轴肩轴环轴环光光 轴轴阶梯轴阶梯轴空心轴空心轴曲轴曲轴直直轴轴1.按按轴轴的的形形状状一、轴的分类一、轴的分类2.2.按轴工作时受载情况按轴工作时受载情况传动轴传动轴(transmission shaft) 只传递转矩而不承受弯矩或弯矩只传递转矩而不承受弯矩或弯矩 很小。如汽车的传动轴；很小。如汽车的传动轴；转轴（转轴（revolving shaft） 既传递转矩又承受弯矩。既传递转矩又承受弯矩。 如齿轮

3、减速如齿轮减速 器中的轴；器中的轴； 心轴（心轴（spindle） 只承受弯矩而不传递转矩，如铁路车辆的轴、只承受弯矩而不传递转矩，如铁路车辆的轴、 自行车的前轴。自行车的前轴。转转 轴轴传传 动动 轴轴心轴心轴3.3.特殊用途的轴特殊用途的轴如钢丝软轴如钢丝软轴接头接头驱动装置驱动装置 钢丝软轴钢丝软轴（外层为护套）（外层为护套）动力源动力源设备设备设备设备接头接头二、轴的材料及选择二、轴的材料及选择碳碳钢钢优质碳素钢：优质碳素钢：3535，4040，4545号号- - 廉物广，应用较广泛；廉物广，应用较广泛；合合金金钢钢中碳合金钢：中碳合金钢：40cr40cr等等-强度高，价贵用于重要轴；

4、强度高，价贵用于重要轴；球墨铸铁球墨铸铁-宜用于制造形状复杂的轴。宜用于制造形状复杂的轴。轴轴常常用用材材料料普通碳素钢：普通碳素钢：Q235,Q255-Q235,Q255-用于不重要，轻载的轴；用于不重要，轻载的轴；要求：具有足够的强度和刚度、较小的应力集中敏感性要求：具有足够的强度和刚度、较小的应力集中敏感性 和良好的加工性能等。和良好的加工性能等。；材料来源广，价格适中。；材料来源广，价格适中。低碳合金钢：低碳合金钢：20crMnTi-20crMnTi-表面渗碳淬火后，表面硬表面渗碳淬火后，表面硬度高度高 芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合；芯部韧性好，适用于冲击载荷较大的场合； 另外

5、，要根据装配、加工、受力等具体要求，合另外，要根据装配、加工、受力等具体要求，合理定出轴的形状和各部分结构尺寸，即进行轴的结构理定出轴的形状和各部分结构尺寸，即进行轴的结构设计。设计。三、设计轴应考虑的主要问题三、设计轴应考虑的主要问题设计轴时主要应满足：轴的强度和结构的要求；设计轴时主要应满足：轴的强度和结构的要求； 高速机械的轴高速机械的轴(如高速磨床主轴、汽轮机主轴等如高速磨床主轴、汽轮机主轴等)：要考虑满足振动稳定性的要求；要考虑满足振动稳定性的要求； 这种估算方法视轴只受转矩，根据轴上所受转矩估这种估算方法视轴只受转矩，根据轴上所受转矩估算轴的最小直径。算轴的最小直径。122轴的初步

6、估算轴的初步估算一、按扭转强度估算轴径一、按扭转强度估算轴径T、T 分别为轴的扭剪应力和许用扭剪应力，分别为轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa；T 转矩，转矩，NM；P 轴所传递的功率，轴所传递的功率，Kw；WT 轴的抗扭剖面系数，轴的抗扭剖面系数，mm3，WTd3/16 0.2 d3；d 轴的直径，轴的直径，mm；n 轴的转速，轴的转速，rmin。由上式，经整理得满足扭转强度条件的轴径估算式为：由上式，经整理得满足扭转强度条件的轴径估算式为：C 由轴的材料和承载情况确定的常数，见表由轴的材料和承载情况确定的常数，见表122。 注：（注：（1）按公式计其出的轴径，一般作为轴的最小处的直径）按公

7、式计其出的轴径，一般作为轴的最小处的直径dmin。（2 2）如果在该处有键槽，则应考虑它削弱轴的强度。一个键）如果在该处有键槽，则应考虑它削弱轴的强度。一个键 槽，槽，d值应增大值应增大5；两个键槽，；两个键槽，d值应增大值应增大10，最后需，最后需 将轴径圆整为标推值。将轴径圆整为标推值。 高速轴：高速轴：dmin = (0.81.2)D； D 电机轴径。电机轴径。二、按经验公式估算二、按经验公式估算低速轴：低速轴：dmin = (0.30.4)a。 a 中心矩。中心矩。4) 提高轴的强度和刚度。提高轴的强度和刚度。123轴的结构设计轴的结构设计目的：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。目的：确

8、定轴的合理外形和全部结构尺寸。要求：要求： 轴应便于加工，轴上零件要易于装拆轴应便于加工，轴上零件要易于装拆(制造、制造、 装拆要求装拆要求)：2) 轴上零件要有准确的工作位置轴上零件要有准确的工作位置(定位定位)；3) 各零件要牢固而可靠地相对固定各零件要牢固而可靠地相对固定(固定固定)；一一、轴上零件的轴向固定、轴上零件的轴向固定目的目的-使零件能够在轴线方向定位和承受轴向载荷，使零件能够在轴线方向定位和承受轴向载荷， 防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。常用固定方法、特点和应用常用固定方法、特点和应用 1 1、轴肩（或轴环）、轴肩（或轴环）

9、轴肩轴肩轴环轴环rRr 定位可靠，能承受较大的轴定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定。位和固定。注：为保证零件和定位面靠紧，轴上过注：为保证零件和定位面靠紧，轴上过 渡圆角半径应小于零件圆角半径或渡圆角半径应小于零件圆角半径或 倒角。倒角。即：即：r c h；r R h。 2 2、套筒套筒套筒套筒注意：轮毂宽度注意：轮毂宽度B 轴头长度l ，取l = B-（23）mm。lB 简单可靠，简化了轴的结构且不削弱轴的强度，常用于两个简单可靠，简化了轴的结构且不削弱轴的强度，常用于两个距离相近的零件之间。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较距离相近的

10、零件之间。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴上。高的轴上。3 3、轴端挡圈轴端挡圈注意：轮毂宽度注意：轮毂宽度B B 轴头长度轴头长度l ， 取取l = B- （23）mm。轴肩轴肩轴端挡圈轴端挡圈lB螺钉螺钉轴端挡圈轴端挡圈止动垫片止动垫片止动销止动销 常与轴肩或锥面联合使用，工作可靠，能承受较大的轴向力；常与轴肩或锥面联合使用，工作可靠，能承受较大的轴向力；只用于轴端，用止动垫片等防松。只用于轴端，用止动垫片等防松。4 4、圆锥面圆锥面锥面锥面 装拆方便，且可兼作周向定位。宜用于高速、装拆方便，且可兼作周向定位。宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端。重载及零件对中性

11、要求高的场合。只用于轴端。可承受剧烈振动和冲击可承受剧烈振动和冲击压盖压盖5 5、圆螺母与止动垫圈圆螺母与止动垫圈圆螺母圆螺母止动垫圈止动垫圈 固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。和退刀槽，会削弱轴的强度。 6 6、弹性挡圈弹性挡圈弹性挡圈弹性挡圈 结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。7 7、紧定螺钉紧定螺钉紧定螺钉紧定螺钉 结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，结构简单，可兼作周向固定，传递不

12、大的力或力矩，不宜用于高速。不宜用于高速。注意：注意：2) 为保证固定可靠，与轴上零件相配合为保证固定可靠，与轴上零件相配合 的轴段长度应比轮毂宽度略短，即：的轴段长度应比轮毂宽度略短，即： l = B(13)mm。 轴上零件一般均应作双向固定，这时轴上零件一般均应作双向固定，这时 可将上述所列各种方法联合使用。可将上述所列各种方法联合使用。 目的：使其能同轴一起转动，传递转矩。目的：使其能同轴一起转动，传递转矩。二、轴上零件的周向固定二、轴上零件的周向固定常用的周向固定方法、特点和应用常用的周向固定方法、特点和应用 1.平键联结平键联结 制造简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一制造

13、简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合。般的场合。轴轴键键2 . 花键联结花键联结 承载能力高，定心好，导向性好，但制造困难，承载能力高，定心好，导向性好，但制造困难，成本较高。适用于传递转矩大，对中性要求高或零件成本较高。适用于传递转矩大，对中性要求高或零件在轴上移动时要求导向性良好的场合。在轴上移动时要求导向性良好的场合。3 . 过盈配合联结过盈配合联结 承载能力高，结构简单，定心好，在振动下能可承载能力高，结构简单，定心好，在振动下能可靠工作。适装配困难，且对配合尺寸的精度要求较高。靠工作。适装配困难，且对配合尺寸的精度要求较高。4 . 销联结销联结 用于固定不太重要，受

14、力不大，但同时需要轴向固用于固定不太重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件。定的零件。过盈配合联结过盈配合联结销联结销联结1）轴的形状：）轴的形状：三、轴的结构工艺性三、轴的结构工艺性 便于轴的加工、测量、维修及轴上便于轴的加工、测量、维修及轴上 零件的拆装。零件的拆装。1、轴的加工工艺性要求、轴的加工工艺性要求轴轴抛物线回转体抛物线回转体 光轴光轴 阶梯轴阶梯轴。阶梯轴各轴段的直径不阶梯轴各轴段的直径不宜相差太大。宜相差太大。一般取一般取510mm 2）不同轴段的键槽，应布置在轴的同一母线上，以不同轴段的键槽，应布置在轴的同一母线上，以 减少键槽加工时的装卡次数；减少键槽加工时的装卡次数；

15、正确结构正确结构不正确结构不正确结构3）需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的）需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的 轴段，应留螺纹退刀槽。轴段，应留螺纹退刀槽。砂轮越程槽砂轮越程槽螺纹退刀槽螺纹退刀槽4）相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽）相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽 尺寸尽量统一。尺寸尽量统一。3）需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的）需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的 轴段，应留螺纹退刀槽。轴段，应留螺纹退刀槽。2便于加工和检验便于加工和检验 轴的直径应圆整数值；轴的直径应圆整数值； 于滚动轴承相配合的轴径应符合滚动轴承内径标准；于滚动轴

16、承相配合的轴径应符合滚动轴承内径标准； 螺纹端应符合螺纹标准直径。螺纹端应符合螺纹标准直径。3 . 轴上零件装配工艺性要求轴上零件装配工艺性要求 轴端倒角为轴端倒角为45，轴的配合直径应圆整为标准值，与，轴的配合直径应圆整为标准值，与零件过盈配合的轴端加工出导向锥面。零件过盈配合的轴端加工出导向锥面。倒倒角角导导向向锥锥面面四、提高轴强度和刚度四、提高轴强度和刚度1、减小应力集中、减小应力集中b）过盈配合处的应力集中）过盈配合处的应力集中轴应力集中轴应力集中发生的位置发生的位置a a）截面尺寸变化处）截面尺寸变化处 的应力集中的应力集中b b）过盈配合处的应力集中）过盈配合处的应力集中c c）

17、小孔处的应力集中）小孔处的应力集中a）截面尺寸变化处的应力集中）截面尺寸变化处的应力集中c）小孔处的应力集中）小孔处的应力集中减小力集中的措施减小力集中的措施 当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环；当过渡圆角半径受限制时用凹切圆角、过渡肩环； 对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽。对于过盈配合的轴段，在轴上或轮毂上开减载槽。凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环减载槽减载槽2、合理布置轴上零件，改善轴的受力情况、合理布置轴上零件，改善轴的受力情况1）使弯矩分布合理）使弯矩分布合理把轴、毂配合分成两段，把轴、毂配合分成两段， 减小最大弯矩值。减小最大弯矩值。不合理结构不合理结构合理结构合理

18、结构2）使转矩合理分配）使转矩合理分配输入轮不合理的布置不合理的布置输出轮合理布置合理布置输出轮输出轮输入轮T1T3T4T2T1T2T3T43）改进轴上零件结构减轻轴的载荷）改进轴上零件结构减轻轴的载荷轴既受弯又受扭轴既受弯又受扭轴只受弯矩轴只受弯矩齿轮轴承卷筒齿轮齿轮卷筒轴承齿轮螺栓 对于一般钢制的轴，可用第三强度理论求出危险剖对于一般钢制的轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量应力面的当量应力e，其强度条件为：其强度条件为：124 轴的强度验算轴的强度验算而而式中：式中：b 危险剖面上弯矩危险剖面上弯矩M产生的弯曲应力；产生的弯曲应力； 转矩转矩T产生的扭剪应力。产生的扭剪应力。 W、WT 轴的抗弯、抗剪剖面模量。轴的抗弯、抗剪剖面模量。 对于一般转轴，对于一般转轴，b为对称循环变化的弯曲应力，为对称循环变化的弯曲应力，而而则随则随T的特性而定。考虑的特性而定。考虑两者循环持性不同的影响，两者循环持性不同的影响，将上式中的转矩乘以将上式中的转矩乘以校正系数校正系数，得轴得轴强度校核式强度校核式 ：式中：式中：Me 当量弯矩；当量弯矩； 校正系数；校正系数； 不变转矩：不变转矩：= 0.3= 0.3； 脉动循环转矩：脉动循环转矩：=0.6=0.6； 对称循环转矩：对称循环转矩：=1=1。经整理后可得计算轴直径的经整理后可得计算轴直径的设计式：设计式：例题：指出图所