精密机械轴、轴系山东科技大学

1、第第4 4章章 轴和常见精密轴系轴和常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述 轴轴是轴系的核心零件，做回转运动的零件必须装在轴是轴系的核心零件，做回转运动的零件必须装在轴上后才能实现回转运动。上后才能实现回转运动。 轴的分类轴的分类 （1 1）按载荷和应力的不同，分为三种）按载荷和应力的不同，分为三种： 心心 轴轴随同回转零件一起或不一起转动。只承受弯随同回转零件一起或不一起转动。只承受弯矩而不传递转矩。又分为转动心轴和固定心轴。矩而不传递转矩。又分为转动心轴和固定心轴。 转动心轴转动心轴受变应力，受变应力，固定心轴固定心轴受静应力。受静应力。 转转 轴轴既承受弯矩又既承

2、受弯矩又承受承受转矩。转矩。 传动轴传动轴主要承受转矩。主要承受转矩。 第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述 （2 2）按轴的中心线的不同，分为三种：）按轴的中心线的不同，分为三种： 直轴直轴轴的各截面中心在同一直线上。轴的各截面中心在同一直线上。 光轴、阶梯轴；光轴、阶梯轴； 实心轴、空心轴实心轴、空心轴 曲轴曲轴轴的各截面中心不在同一直线上。轴的各截面中心不在同一直线上。 曲轴通常是专用零件曲轴通常是专用零件 。 软轴软轴轴线可变，把回转运动灵活地传到轴线可变，把回转运动灵活地传到 任何位置。任何位置。第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述非旋转心轴型非旋转心轴型

3、 第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述传动轴支承传动轴支承第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述第4章 轴 和常见精密轴系4.1 4.1 概述概述第4章 轴 和常见精密轴系 精密轴系是很多精密机械和精密仪器的关键部件，其质量直接影响仪器的使用和精度。多数精密轴系由轴和轴套组成 通常仪器对轴系的要求要求：a.较高的回转精度；b.运动应灵活、轻便平滑，无卡滞和跳动现象；c.具有足够的刚度；d.良好的结构工艺性；e.较长的使用寿命。 常见的精密轴系有标准圆柱形轴系、圆锥形轴系

4、、半运动式柱形轴系和平面轴系。 4.1 4.1 概述概述第4章 轴 和常见精密轴系4.2 4.2 轴轴设计轴时的考虑因素：设计轴时的考虑因素： 回转精度、强度、刚度、热变形、振动稳定性回转精度、强度、刚度、热变形、振动稳定性和结构工艺性。和结构工艺性。设计内容：设计内容： 选材、确定轴的结构、计算轴的强度和刚度，选材、确定轴的结构、计算轴的强度和刚度，计算轴的振动稳定性（高速运转的轴），绘制出轴计算轴的振动稳定性（高速运转的轴），绘制出轴的零件工作图。的零件工作图。 轴的设计要与轴承、轴系零件统一考虑。轴的设计要与轴承、轴系零件统一考虑。第4章 轴 和常见精密轴系4.2.1 4.2.1 轴的材

5、料及其选择（表轴的材料及其选择（表4-14-1）1、选材原则：、选材原则：根据轴的工作能力（强度、刚度、振动稳定性、耐磨性等）、热处理方式、制造工艺性经济合理。2、常用材料、常用材料 碳素钢碳素钢对应力集中敏感性小，价格低廉， 常用。 45、35、50（调质or正火），Q235、Q275 合金钢合金钢较高的力学性能和热处理性能， 用于受力较大且尺寸较小、重量轻 和耐磨性高的轴。 20Cr、40Cr、含Mo合金钢。4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系轴的结构轴的结构轴颈轴颈 轴头轴头 轴身轴身 n轴头：轴头：轴和旋转零件的配合部分轴和旋转零件的配合部分n轴颈：轴颈：轴和轴承配合的部分轴

6、和轴承配合的部分n轴身：轴身：连接轴颈与轴头部分连接轴颈与轴头部分n轴肩轴肩( (轴环轴环) )：轴的直径变化所轴的直径变化所形成的阶梯处形成的阶梯处4.2.2 轴的结构设计轴的结构设计第4章 轴 和常见精密轴系1 1）轴和装在轴上的零件要有准确的轴向工作位置，并便于）轴和装在轴上的零件要有准确的轴向工作位置，并便于装拆和调整；装拆和调整；2 2）轴应有良好的加工工艺性。）轴应有良好的加工工艺性。 轴的结构设计满足的条件：轴的结构设计满足的条件：轴的结构设计内容：轴的结构设计内容：1 1）确定并绘出轴的全部结构和尺寸；）确定并绘出轴的全部结构和尺寸； 2 2）制定出满足使用要求的技术条件。）制

7、定出满足使用要求的技术条件。第4章 轴 和常见精密轴系1.1.轴的外形结构（图轴的外形结构（图4.34.3） 在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽可能简单可能简单 4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系n2.零件在轴上的固定方法 轴肩、轴环轴肩、轴环简单可靠，不需附加零件，承受较大轴简单可靠，不需附加零件，承受较大轴向力；但使直径增大，阶梯处产生应力集中。向力；但使直径增大，阶梯处产生应力集中。4.2 4.2 轴轴（1 1）零件在轴上的）零件在轴上的轴向固定轴向固定 a=(0.070.1)；b=1.4a 定位面定位面内圆角半径内圆角半径r r

8、应小于零件上倒角应小于零件上倒角C C或外圆角半径或外圆角半径R R。 第4章 轴 和常见精密轴系4.2 4.2 轴轴（1 1）零件在轴上的）零件在轴上的轴向固定轴向固定 套筒套筒简单可靠，简化轴的简单可靠，简化轴的结构且不消弱轴的强度；常结构且不消弱轴的强度；常用于轴上两个近距零件间的用于轴上两个近距零件间的相对固定；不宜用于高速转相对固定；不宜用于高速转轴；套筒内径与轴的配合较轴；套筒内径与轴的配合较松。松。螺母螺母固定可靠，承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙固定可靠，承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整；常用于两零件的间距较大处，亦可用于轴端；为减小调整；常用于两零件的间距较大处，

9、亦可用于轴端；为减小对轴的强度的消弱，常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈对轴的强度的消弱，常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈或使用双螺母。或使用双螺母。第4章 轴 和常见精密轴系4.2 4.2 轴轴轴端挡圈轴端挡圈工作可靠，承受工作可靠，承受较大轴向力；只用于轴端，较大轴向力；只用于轴端，且采用止动垫片等防松措施。且采用止动垫片等防松措施。锥面锥面装拆方便，且可兼作周向装拆方便，且可兼作周向定位；宜用于高速、冲击及对中定位；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。性要求高的场合。第4章 轴 和常见精密轴系4.2 4.2 轴轴弹性挡圈弹性挡圈结构紧凑、简单，装结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，

10、且轴上切拆方便，但受力较小，且轴上切槽引起应力集中；常用于轴承的槽引起应力集中；常用于轴承的固定。固定。紧定螺钉、紧定螺钉、锁紧挡圈锁紧挡圈结构简结构简单，但受力较小，不适于高速单，但受力较小，不适于高速场合。场合。第4章 轴 和常见精密轴系（2 2）零件在轴上的）零件在轴上的周向固定周向固定 键联接、销联接、键联接、销联接、紧定螺钉、过盈联接紧定螺钉、过盈联接等。等。见见“键键联接联接”、 “ “齿轮结构设计齿轮结构设计”部分部分 4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系3.3.良好的加工工艺性良好的加工工艺性（1）轴的直径变化尽可能少，并尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差（节省材料

11、，减少切削量）。（2）轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽，以保证完整加工。（3）轴上有多个键槽时，应开在同直线上，以免加工键槽时多次装夹。（4）尽可能使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。（5）轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴径应按滚动轴承内径尺寸选取：轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系螺纹退刀槽；砂轮越程槽螺纹退刀槽；砂轮越程槽车削车削 磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 磨削的轴段要有砂轮越程槽；车螺纹的轴段，应磨削的轴段要有砂轮越程槽；车螺纹的轴段，应

12、有退刀槽。有退刀槽。第4章 轴 和常见精密轴系4.4.装配工艺性装配工艺性（1）为便于轴上零件的装配，使其能顺利通过相邻轴段而到达轴上的确定位置，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。轴上的各阶梯，除用作轴上零件轴向固定的可按规定确定轴肩高度外，其余仅为便于安装而设置的轴肩，其轴肩高度常可取0.53mm。（2）轴端应倒角，以去掉毛刺并便于装配。（3）固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。（4）采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比轮毂短23mm，确保套筒、螺母、或轴端挡圈靠紧零件端面。4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系倒角倒角 第4章 轴

13、和常见精密轴系n轴系轴系结构结构实例实例4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系结构示例结构示例第4章 轴 和常见精密轴系结构示例：结构改错结构示例：结构改错四处错误四处错误正确答案正确答案第4章 轴 和常见精密轴系两处错误两处错误1.左侧键太长，套筒左侧键太长，套筒无法装入无法装入2.多个键应位于同一多个键应位于同一直线上直线上结构示例：结构改错结构示例：结构改错第4章 轴 和常见精密轴系结构示例：结构改错结构示例：结构改错第4章 轴 和常见精密轴系结构示例：结构改错结构示例：结构改错第4章 轴 和常见精密轴系结构示例：结构改错结构示例：结构改错第4章 轴 和常见精密轴系第4章 轴 和

14、常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系一、按许用切应力计算轴径一、按许用切应力计算轴径用于：只承受转矩传动轴的精确计算用于：只承受转矩传动轴的精确计算 既既承受弯矩又承受扭矩的轴的近似计算承受弯矩又承受扭矩的轴的近似计算 许用扭切应力轴径面轴，抗扭截面系数，对圆截传递的功率转矩轴的扭切应力2 . 01633TTTTdddWWPT强度条件：强度条件： 4.2.3 4.2.3 轴的强度计算轴的强度计算639.55 10/0.2TTTTP nWd第4章 轴 和常见精密轴系24查表、CT设计公式：设计公式： （转轴初估轴径）（转轴初估轴径）6339.55 10/0.2TP nPdCn第4章 轴 和常见

15、精密轴系二、按弯曲和扭转合成强度计算轴径（转轴）二、按弯曲和扭转合成强度计算轴径（转轴）1. 条件：已知支点、扭距，弯矩条件：已知支点、扭距，弯矩 1 1）作轴的计算简图（即力学模型）作轴的计算简图（即力学模型）2 2）作弯矩图）作弯矩图M MH H、M MV V、M M3 3）作出转矩图）作出转矩图T T4 4）利用公式）利用公式 绘出当量弯矩图，校绘出当量弯矩图，校核轴的强度（对危险截面）核轴的强度（对危险截面）2. 步骤：步骤： 22)(TMMv第4章 轴 和常见精密轴系1.0)(1322bvbdTMWM当量弯矩vM1对称循环转矩，6.0脉动循环转矩，3.0不变转矩，0111bbbb34

16、查表轴的许用弯曲应力，力时脉动循环变应力和静应对称循环、 、 、01bbb设计公式：设计公式： 轴上有一个键槽时，应将计算出的轴径加大轴上有一个键槽时，应将计算出的轴径加大4%4%，两个加大，两个加大10%10%。 310.1VbMd轴的设计参照例题轴的设计参照例题4-14-1第4章 轴 和常见精密轴系 66449.55 10 (/ )9.55 10 (/ )(/32)0.1pTLP n LP n LGIGdGd4.2 4.2 轴轴1.1.扭转刚度计算扭转刚度计算2.2.弯曲刚度计算弯曲刚度计算 根据近似挠曲线微分方程：aEIxMdxyd/ )(/22工程查表法工程查表法4.2.4 4.2.4

17、 轴的刚度计算轴的刚度计算第4章 轴 和常见精密轴系4.3 常见精密轴系常见精密轴系n精密机械中，当要求零部件精确的绕某一轴线转动时，常精密机械中，当要求零部件精确的绕某一轴线转动时，常常通过滑动、滚动、流体摩擦支承，以及他们的组合来实常通过滑动、滚动、流体摩擦支承，以及他们的组合来实现，这种以现，这种以支承主体所形成的部件称为精密轴系支承主体所形成的部件称为精密轴系。n对精密轴系的要求：对精密轴系的要求： （1 1）旋转精度旋转精度：轴系的置中精度和方向精度。置中精度轴系的置中精度和方向精度。置中精度常用运动件某一截面中心的偏移量表示；轴系的方向精度常用运动件某一截面中心的偏移量表示；轴系的

18、方向精度常用运动件中心线的偏转角表示。常用运动件中心线的偏转角表示。 （2 2）刚度刚度：刚度大小直接影响轴系的旋转精度，因此要刚度大小直接影响轴系的旋转精度，因此要求轴系有足够的精度，通常其刚度用实验方法测定。求轴系有足够的精度，通常其刚度用实验方法测定。 （3 3）转动的灵活性转动的灵活性：转动灵活、平稳，没有阻滞现象。转动灵活、平稳，没有阻滞现象。第4章 轴 和常见精密轴系4.3 常见精密轴系常见精密轴系n1.1.标准圆柱形轴系标准圆柱形轴系 （1）结构、特点和应用）结构、特点和应用 形状简单，加工方便，易于获得形状简单，加工方便，易于获得较高的制造精度，轴与轴套接触面较高的制造精度，轴

19、与轴套接触面积大，摩擦力矩大，配合面间的间积大，摩擦力矩大，配合面间的间隙无法调整。为减少接触面积和精隙无法调整。为减少接触面积和精加工面，通常将轴套加工面，通常将轴套2 2的中部车去的中部车去一段。（如图一段。（如图a a）（2 2）误差分析）误差分析1 1）轴与轴套的尺寸误差）轴与轴套的尺寸误差 2 2）圆柱度误差）圆柱度误差3 3）温度变化的影响）温度变化的影响 第4章 轴 和常见精密轴系2. 圆锥形轴系圆锥形轴系4.3 常见精密轴系常见精密轴系（1 1）结构、特点和应用）结构、特点和应用 圆锥形轴系由圆锥形轴和具有相同锥角的衬套组成，其特点是：1）间隙小，置中精度和定向精度高；2）可利

20、用修切端面A或轴颈的轴向移动来调整间隙；3）对温度变化敏感性强；4）锥形轴和轴套加工复杂，须配对研磨，无互换性，成本高；5）摩擦力矩大。第4章 轴 和常见精密轴系2. 圆锥形轴系圆锥形轴系4.3 常见精密轴系常见精密轴系(2) (2) 精度分析精度分析 为了减少锥形轴与轴套间的摩擦，可采取以下措施：为了减少锥形轴与轴套间的摩擦，可采取以下措施： a.a.将轴和轴套中部车去一部分，以减少摩擦面积和将轴和轴套中部车去一部分，以减少摩擦面积和精加工面，而又不降低仪器回转部分旋转的稳定性。精加工面，而又不降低仪器回转部分旋转的稳定性。 b.b.利用轴下端中心的钢球或止推螺钉承受大部分轴利用轴下端中心的钢球或止推螺钉承受大部分轴向负荷，见图（向负荷，见图（b b）、（）、（c c）。以减少对轴套的压力）。以减少对轴套的压力 影响因素有：锥形轴和轴套之间的配合间隙，轴影响因素有：锥形轴和轴套之间的配合间隙，轴系零件的几何形状误差系零件的几何形状误差( (主要是圆度误差主要是圆度误差) )以及温度变以及温度变化等。化等。 第4章 轴 和常见精密轴系3.3.半运动式柱形轴系半运动式柱形轴系（1 1） 结构、特点和应用结构、特点和应用 结构：结构：轴系在轴套3的上方加工90度的圆锥面，锥面上密集放一圈钢球1，利用钢球1和轴套3的锥形表面接触，有自动定心作用，同时和主轴4的下端共同