第十二章 轴g

1、机械设计基础机械设计基础轴轴机械设计基础机械设计基础轴轴第十二章第十二章 轴轴10-1 10-1 轴的功用和分类轴的功用和分类10-2 10-2 轴的材料及结构设计轴的材料及结构设计10-3 10-3 轴的计算轴的计算机械设计基础机械设计基础轴轴教学目标：教学目标：了解轴的功用、分类、常用材料了解轴的功用、分类、常用材料 及热处理方法；及热处理方法；掌握轴的结构设计和强度计算；掌握轴的结构设计和强度计算；教学教学重点：重点：轴的结构设计和强度计算；轴的结构设计和强度计算；教学教学难点：难点：轴的结构设计。轴的结构设计。机械设计基础机械设计基础轴轴一、轴的功用一、轴的功用1. 支承回转零件；支承

2、回转零件；2. 传递运动和动力。传递运动和动力。二、轴的分类二、轴的分类 1. 按承载情况分按承载情况分 转轴转轴 受扭矩和弯矩受扭矩和弯矩 心轴心轴 只受弯矩只受弯矩 传动轴传动轴 主要受扭矩主要受扭矩 10-1 10-1 轴的功用和分类轴的功用和分类机械设计基础机械设计基础轴轴传动轴：传递转矩而不承受弯矩或受弯矩很小。传动轴：传递转矩而不承受弯矩或受弯矩很小。例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。机械设计基础机械设计基础轴轴心轴：支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。心轴：支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴、火车车轮轴例：自行车的前轮

3、轴、火车车轮轴机械设计基础机械设计基础轴轴转轴：转轴：工作时工作时既承受弯矩又承受转矩。既承受弯矩又承受转矩。例：例：减速器中的轴减速器中的轴机械设计基础机械设计基础轴轴2. 按轴线形状分按轴线形状分 可以随意弯曲，把回转运动灵活地传到任意可以随意弯曲，把回转运动灵活地传到任意空间位置。空间位置。曲轴曲轴直轴直轴钢丝软轴钢丝软轴：光轴光轴阶梯轴阶梯轴实心轴实心轴空心轴空心轴: :有特殊要求时，如航空发有特殊要求时，如航空发动机的主轴。动机的主轴。机械设计基础机械设计基础轴轴 钢丝软轴钢丝软轴机械设计基础机械设计基础轴轴1.1.对应力集中敏感性低，强度、塑性和韧性均较好；对应力集中敏感性低，强度

4、、塑性和韧性均较好；2.2.一般一般经经调质或正火热处理，如调质或正火热处理，如4040、4545；3.3.不重要或承受载荷较小的轴，可用普通碳素钢，不重要或承受载荷较小的轴，可用普通碳素钢，Q235Q235等等10-2 10-2 轴的材料及结构轴的材料及结构1 1. . 具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能；具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能；2 2. . 多用于有特殊要求的轴。多用于有特殊要求的轴。20C20C、20CrMnTi20CrMnTi、40C40C、 40CrNi40CrNi 。 1 1、碳钢、碳钢 2 2、合金钢、合金钢一、轴的材料一、轴的材料轴的材料主要是轴的材料主

5、要是碳钢、合金钢和球墨铸铁碳钢、合金钢和球墨铸铁。轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素： 1. 1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；轴的强度、刚度及耐磨性要求；2.2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3.3.轴的材料来源和经济性等。轴的材料来源和经济性等。机械设计基础机械设计基础轴轴 从强度考虑，合金钢优于碳钢，但价格高；从强度考虑，合金钢优于碳钢，但价格高； 合金钢对应力集中敏感，故表面质量要求也高；合金钢对应力集中敏感，故表面质量要求也高； 从刚度考虑，合金钢与碳素差别不大从刚度考虑，合金钢与碳素差别不大

6、。1 1. . 外形复杂的轴，如内燃机的曲轴、凸轮轴等。外形复杂的轴，如内燃机的曲轴、凸轮轴等。 2 2. .具有价廉、强度高、良好的耐磨性、吸振性和易切削具有价廉、强度高、良好的耐磨性、吸振性和易切削性以及对应力集中的敏感性较低等优点。但铸铁抗冲击性以及对应力集中的敏感性较低等优点。但铸铁抗冲击性差，铸造质量不易控制，可靠性差。性差，铸造质量不易控制，可靠性差。 3 3、球墨铸铁和高强度铸球墨铸铁和高强度铸铁铁 比较比较机械设计基础机械设计基础轴轴根据总体结构的要求进行轴的结构设计根据总体结构的要求进行轴的结构设计轴的承载能力验算轴的承载能力验算 结结 束束yesno 轴的设计过程轴的设计过

7、程验算合格验算合格？二、二、轴的结构设计轴的结构设计轴的设计包括轴的设计包括结构设计和工作能力验算结构设计和工作能力验算两方面的内容。两方面的内容。（1 1）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等）根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 （2 2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。稳定性等方面的验算。 机械设计基础机械设计基础轴轴轴由轴颈轴由轴颈( (与轴承相配合的轴段与轴承相配合的轴段) )、轴头、轴头( (与传动零件与传动零件相

8、配合的轴段相配合的轴段) )和轴身和轴身( (连接轴颈和轴头的轴段连接轴颈和轴头的轴段) )组成。组成。1、轴各部分结构及名称、轴各部分结构及名称机械设计基础机械设计基础轴轴轴结构设计内容轴结构设计内容: 确定轴的合理形状和全部结构尺寸。确定轴的合理形状和全部结构尺寸。 （包括各轴段长度、直径及其它细小尺寸）（包括各轴段长度、直径及其它细小尺寸）2、轴结构设计内容及要求、轴结构设计内容及要求轴结构设计要求轴结构设计要求: 1 1）满足制造安装要求；）满足制造安装要求； 2 2）满足轴上零件的定位；）满足轴上零件的定位； 3 3）满足结构工艺性要求；）满足结构工艺性要求； 4 4）满足强度要求）

9、满足强度要求，改善轴的受力状况，减小应力集中。改善轴的受力状况，减小应力集中。 机械设计基础机械设计基础轴轴1 1）轴上零件装拆、调整方便轴上零件装拆、调整方便为便于轴上零件的装拆，常将轴作成阶梯形。对于一般为便于轴上零件的装拆，常将轴作成阶梯形。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。1.1.中间粗两端细中间粗两端细 2.2.轴肩高度轴肩高度1-3mm1-3mm3.3.轴承定位轴肩高度轴承定位轴肩高度 轴承内圈高度轴承内圈高度机械设计基础机械设计基础轴轴机械设计基础机械设计基础轴轴首先首先拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配

10、方案( (减速器输出轴减速器输出轴) )机械设计基础机械设计基础轴轴机械设计基础机械设计基础轴轴2 2）轴上零件的定位）轴上零件的定位 轴向定位：轴向定位：周向定位：周向定位：轴肩、套筒、圆螺母、弹性挡圈和轴端挡圈等轴肩、套筒、圆螺母、弹性挡圈和轴端挡圈等键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合和型面连接键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合和型面连接机械设计基础机械设计基础轴轴 轴肩定位轴肩定位（1 1）轴向固定）轴向固定特点特点：结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力 应用应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位机械设计基础

11、机械设计基础轴轴套筒套筒 特点特点（1）在轴中部，当两个零件距离较小时选用，在轴中部，当两个零件距离较小时选用， （2）重量增加，不宜高速。）重量增加，不宜高速。机械设计基础机械设计基础轴轴特点：特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力应用：应用：常用于轴的端部常用于轴的端部轴向固定轴向固定 圆螺母圆螺母机械设计基础机械设计基础轴轴特点：特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力。结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力。 应用：应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位常用于固定滚动轴承等的轴向定位弹性挡圈弹性挡圈机械设计基础机械设计基础轴轴用于轴端定位可承受用于

12、轴端定位可承受剧烈振动和冲击剧烈振动和冲击适用于轴向力小，转适用于轴向力小，转速低的场合速低的场合轴端挡圈（压板）、紧定螺钉轴端挡圈（压板）、紧定螺钉机械设计基础机械设计基础轴轴（2 2）周向固定）周向固定采用键、花键、过盈配合、销采用键、花键、过盈配合、销等等 联接形式来实现联接形式来实现机械设计基础机械设计基础轴轴 1 1轴肩轴肩为了保证轴上零件紧靠定位面（轴肩），轴肩的圆角为了保证轴上零件紧靠定位面（轴肩），轴肩的圆角半径半径r r必须小于相配零件的轮毂倒角必须小于相配零件的轮毂倒角C C或圆角半径或圆角半径R R，轴，轴肩高肩高h h必须大于必须大于C C1 1或或R R3 3）轴的结

13、构工艺性）轴的结构工艺性机械设计基础机械设计基础轴轴键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线2 键槽键槽（1）一根轴上各键槽应开在轴的同一母线上，）一根轴上各键槽应开在轴的同一母线上，（2）若开有键槽的轴段直径相差不大时，尽可能采）若开有键槽的轴段直径相差不大时，尽可能采用相同宽度的键槽，以减少换刀的次数；用相同宽度的键槽，以减少换刀的次数；机械设计基础机械设计基础轴轴3.3.螺纹退刀槽螺纹退刀槽切制螺纹切制螺纹4.4.砂轮越程槽砂轮越程槽磨削磨削机械设计基础机械设计基础轴轴机械设计基础机械设计基础轴轴4.4.同一轴上键槽位于圆柱同同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸。一母线上

14、，且取相同尺寸。圆角半径圆角半径r r也尽量一致。也尽量一致。机械设计基础机械设计基础轴轴四、减小应力集中，改善轴的受力状况四、减小应力集中，改善轴的受力状况c c、重要结构可增加卸载槽、重要结构可增加卸载槽B B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力卸载槽卸载槽B过渡肩环过渡肩环凹切圆角凹切圆角r30 1 1、减小应力集中、减小应力集中 合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意a a、用圆角过渡、用圆角过渡措施：措施：b b、尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽、尽量避免在

15、轴上开横孔、切口或凹槽机械设计基础机械设计基础轴轴2.2.改善受力状况改善受力状况Q方案方案 a aFtQ方案方案b TTT输出输出输出输出输入输入Tmax = T1T1T1+T2T2合理合理T2Tmax= T1+T2T1T1+T2不合理不合理 输出输出输出输出输入输入TTT机械设计基础机械设计基础轴轴轴系结构改错轴系结构改错四处错误四处错误正确答案正确答案三处错误三处错误正确答案正确答案机械设计基础机械设计基础轴轴两处错误两处错误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母线上母线上机械设计基础机械设计基础轴轴设计轴的一般步骤为：设计轴的一般步骤

16、为：1）选材）选材2）按扭转强度估算轴的最小直径）按扭转强度估算轴的最小直径3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图（确定轴上零件的位）设计轴的结构，绘出轴的结构草图（确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。）置和固定方法；确定各轴段直径、长度。）4）按弯扭合成进行轴的强度校核。一般选）按弯扭合成进行轴的强度校核。一般选23个危险截面个危险截面进行校核。若危险截面强度不够或强度裕度太大，则必须重进行校核。若危险截面强度不够或强度裕度太大，则必须重新修改轴的结构。新修改轴的结构。10-3 10-3 轴的计算轴的计算机械设计基础机械设计基础轴轴 轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计轴

17、的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法。常见的轴的强度计算有以下两种算方法。常见的轴的强度计算有以下两种1 1、按扭转强度计算、按扭转强度计算 对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为 MPandP362 .01055.9TWT设计公式为设计公式为 mmnPC33362 . 01055. 9nPd计算结果为计算结果为 最小直径最小直径应圆整为应圆整为标准直径标准直径 对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径估算轴的直径一、轴的强度计算一、轴的强度计算 机械设计基础机械设计基础轴轴2 2、按弯扭合成

18、强度计算、按弯扭合成强度计算强度条件为强度条件为 422bbe弯曲应力弯曲应力 WMb32/3dM31 . 0 dM扭切应力扭切应力 TTWWT2代入得代入得 2224WTWMeb221TMW因因bb和和的循环特性不同，折合后得的循环特性不同，折合后得1bWMee3221 . 0)(dTMWW轴的抗轴的抗弯截面模量弯截面模量 校正系数校正系数 -1b-1b 对称循环应力对称循环应力 状态下状态下 许用弯许用弯 曲应力曲应力校正系数取值校正系数取值 = 0.3 转矩不变转矩不变； 0.6 脉动变化脉动变化；1 频繁正反转频繁正反转。设计公式设计公式 mmMdbe31 1 . 0M Me e当量弯距当量弯距机械设计基础机械设计基础轴轴按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：1.1.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力将外载荷分解到水平面