第4章-轴、轴系

1、第4章 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： 心轴心轴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。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。转动心轴受变应力，不转动心轴受静应力。转动心轴受变应力，不转动心轴受静应力。 转轴转轴既承受弯矩又承受转矩。既承受弯矩又承受转矩。( (齿轮轴齿轮轴, ,皮带轮轴皮带轮轴) ) 传

2、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（2）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。曲轴通常是专用零件轴的各截面中心不在同一直线上。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任何位置。轴线可变，把回转运动灵活地传到任何位置。第4章 轴 和常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系通常仪器对轴系的要求：a.a.较高的回转精度；b.b.运动应灵活、轻便平滑，无卡滞和跳动现象；c.c.具有足够的刚度；d.d.良

3、好的结构工艺性；e.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、半运动式柱形轴系和平面轴系。 4.1 4.1 概述概述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、振动稳定性和结构工艺性。回转精度、强度、刚度、热变形、振动稳定性和结构工艺性。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，计算轴的振动稳选材、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），绘制出轴的零件工作图。定性（高速运转的轴），绘制出轴的零件工作图。 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

4、精密轴系4.2.1 4.2.1 轴的材料及其选择（表4-14-1）1、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 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4.2.2 4.2.2 轴的结构设计轴的结构设计 轴的设计具有较大的灵活性和多样性，但必须满足满足：轴的设计具有较大的灵活性和多样性，但必须满足满足： 轴和

5、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；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； 轴应有良好的加工工艺性。轴应有良好的加工工艺性。 轴轴 颈颈轴上被支承的部位；轴上被支承的部位；轴轴 头头安装轮毂的部位；安装轮毂的部位；轴轴 身身联结轴颈与轴头的部分。联结轴颈与轴头的部分。4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系1.1.轴的外形结构轴的外形结构 在满足工作要求的前提下，在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽可能简单轴的外形结构应尽可能简单 。 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

6、 2）制定出满足使用要求的技术条件。）制定出满足使用要求的技术条件。第4章 轴 和常见精密轴系2.零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，承受较大轴向力；但简单可靠，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。使直径增大，阶梯处产生应力集中。4.2 4.2 轴轴（1 1）零件在轴上的轴向固定）零件在轴上的轴向固定 a=(0.070.1)；b=1.4a 定位面定位面内圆角半径内圆角半径r应小于零件上倒角应小于零件上倒角C或外圆角半径或外圆角半径R。 第4章 轴 和常见精密轴系套筒套筒简单可靠，简化轴的结构且不消弱轴的强度；常用于轴上两个近简单可靠，简

7、化轴的结构且不消弱轴的强度；常用于轴上两个近距零件间的相对固定；不宜用于高速转轴；套筒内径与轴的配合较松。距零件间的相对固定；不宜用于高速转轴；套筒内径与轴的配合较松。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调整；常固定可靠，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；为减小对轴的强度的消弱，用于两零件的间距较大处，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，须加止动垫圈或使用双螺母。常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈或使用双螺母。第4章 轴 和常见精密轴系4.2 4.2 轴轴锥面锥面装拆方便，且可兼作轴向定位；装拆方便，且可

8、兼作轴向定位；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。弹性挡圈弹性挡圈结构紧凑、简单，装拆结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，且轴上切槽引起方便，但受力较小，且轴上切槽引起应力集中；常用于应力集中；常用于轴承轴承的固定。的固定。紧定螺钉、锁紧挡圈紧定螺钉、锁紧挡圈结构简单，结构简单，但受力较小，不适于高速场合但受力较小，不适于高速场合轴端挡圈轴端挡圈工作可靠，承受较大轴向力；工作可靠，承受较大轴向力；只用于轴端，且采用止动垫片等防松措只用于轴端，且采用止动垫片等防松措施。施。第4章 轴 和常见精密轴系（2 2）零件在轴上的周向固定 键联接、销联接、紧定螺钉

9、、过盈联接等。见“键联接”、 “齿轮结构设计”部分 4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系良好的加工工艺性良好的加工工艺性（1 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）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，减少切削量）。材料，减少切削量）。（2 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。）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 3）轴上有多个键槽时，应开在同）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。直线上，以免加工键槽时多次装夹。（4 4）尽可

10、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）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。别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。（5 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）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。寸选取：轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。装配工艺性装配工艺性（1 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，）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

11、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，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，其轴肩高度常可取其轴肩高度常可取0.50.53mm3mm。（2 2）轴端应倒角，以去掉毛刺并便于装配。）轴端应倒角，以去掉毛刺并便于装配。（3 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。）固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。4.2 4.2 轴轴第4章 轴 和常见精密轴系3.结构改错三处错误正

12、确答案三处错误正确答案第4章 轴 和常见精密轴系三处错误1.左侧键太长，套筒无法装入；2.多个键应位于同一母线上；3.齿轮中的键槽绘制错误。第4章 轴 和常见精密轴系例1：找出图中错误的地方 第4章 轴 和常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系4.2.3 轴的强度计算1.1.按许用切应力校核计算轴颈按许用切应力校核计算轴颈 已知：轴传递的功率已知：轴传递的功率P P、转速转速n ，则 66449.55 10 (/ )9.55 10 (/ )(/32)0.1pTLP n LP n LGIGdGd（41）（42）4.2 4.2 轴轴2.2.按弯曲和扭转复合强度计算轴颈按弯

13、曲和扭转复合强度计算轴颈（43）（44）2 . 0/1055. 936TTtdnpWT设计公式设计公式 336 2 . 0/1055. 9npCnPdT1bVbWM31 1 . 0bVMd4.2.4 轴的刚度计算轴的刚度计算1.1.扭转刚度计算扭转刚度计算2.弯曲刚度计算弯曲刚度计算 计算法计算法aEIxMdxyd/ )(/22工程查表法工程查表法第4章 轴 和常见精密轴系4.3 常见精密轴系定义：定义： 在精密机械中，当要求零部件精确的绕某一轴转动时，常常通过滑动摩擦支承、滚动摩擦支承、流体摩擦支承，以及它们的组合来实现，这种以支承主体所形成的部件称为精密轴系对精密轴系的要求对精密轴系的要求

14、： （1 1）旋转精度（置中精度和方向精度）旋转精度（置中精度和方向精度） a.置中精度：指转动轴线平移的程度。其误差可用表示，是轴颈轴线对轴承轴线的最大偏移量 /2 b.方向精度：指转动轴线摆动的程度。定向误差用表示， （2 2）刚度）刚度 （3 3）转动的灵活性）转动的灵活性 （4 4）寿命）寿命 （5 5）结构工艺性好）结构工艺性好L第4章 轴 和常见精密轴系 形状简单，加工方便，易于获得较高的制造形状简单，加工方便，易于获得较高的制造精度，轴与轴套接触面积大，摩擦力矩大，配精度，轴与轴套接触面积大，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合面间的间隙无法调整。为减少接触面

15、积和精加工面，通常将轴套的中部车去一段。加工面，通常将轴套的中部车去一段。（2）误差分析）误差分析1）轴与轴套的尺寸误差）轴与轴套的尺寸误差 引起的晃动误差和角运动引起的晃动误差和角运动误差误差1.标准圆柱形轴系a.上平面式。 b.下顶点式 （1）结构特点）结构特点2dd2dCbk01Ld1第4章 轴 和常见精密轴系2 2）圆柱度误差引起的晃动误差和角运动误差）圆柱度误差引起的晃动误差和角运动误差 t tb b 和和ttk k-轴颈和轴套孔的圆柱度误差轴颈和轴套孔的圆柱度误差3 3）圆柱度误差引起的晃动误差和角运动误差）圆柱度误差引起的晃动误差和角运动误差温度引起的间隙温度引起的间隙ddT T

16、=d=d（a ak k-a-ab b）TT, ,则由温度引起的径向晃则由温度引起的径向晃动误差和角运动误差分别为动误差和角运动误差分别为: :2ttCkb02Lttkb22dCT0sLdTs第4章 轴 和常见精密轴系综合上述1）、2）、3）点得到最大径向晃动误差和最大角运动误差分别为：LTaadttdbkkb)()(max2TaadttdCbkkb)()(max第4章 轴 和常见精密轴系2. 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 2. 圆锥形轴系（1 1）结构、特点和应用）结构、特点和应用 2. 圆锥形轴系（1 1）结构、特点和应用）结构、特点

17、和应用 1.轴2.轴套3.调节螺钉第4章 轴 和常见精密轴系1 1）主要特点：）主要特点： 间隙小，置中精度和定向精度高；间隙小，置中精度和定向精度高； 可利用修切端面可利用修切端面A A或者轴颈的轴向移动来调整间隙；或者轴颈的轴向移动来调整间隙； 对温度敏感性强；对温度敏感性强； 锥形轴和轴套加工复杂，需配对研磨，无互换性，成本高；锥形轴和轴套加工复杂，需配对研磨，无互换性，成本高； 摩擦力矩大（摩擦力矩大（上平面式的摩擦力矩大，下顶点式摩擦力矩小上平面式的摩擦力矩大，下顶点式摩擦力矩小）第4章 轴 和常见精密轴系2 2）半锥角）半锥角c c 的讨论：的讨论：c越小置中精度和定向精度越高，越

18、小置中精度和定向精度越高，工作越稳定；工作越稳定；但但c越小越小FN越大，摩擦越大；越大，摩擦越大；c越越大，承受轴向力的能力差，越越大，承受轴向力的能力差，在在2c15时，轴回转时可能引起跳时，轴回转时可能引起跳跃；跃；2c 一般在一般在415之间，精密轴之间，精密轴系取小值，一般精度轴系取大值；系取小值，一般精度轴系取大值；轴的长度一般为最大直径的轴的长度一般为最大直径的34倍。倍。设FN1= FN2= FNcaNFFsin2第4章 轴 和常见精密轴系3）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.将轴和轴套中部车去一部分，将轴和轴套中

19、部车去一部分，以减少摩擦面积和精加工面，而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又不降低仪器回转部分旋转的稳定性。定性。b.利用轴下端中心的钢球或止利用轴下端中心的钢球或止推螺钉承受大部分轴向负荷以减推螺钉承受大部分轴向负荷以减少对轴套的压力少对轴套的压力 第4章 轴 和常见精密轴系温度变化引起的 影响因素有：锥形轴和轴套之间的影响因素有：锥形轴和轴套之间的配合间隙配合间隙，轴系零件的几何形状，轴系零件的几何形状误差误差( (主要是主要是圆度误差圆度误差) )以及以及温度变化温度变化等。等。 )()(cos1mbkcmaxTaadRRd2Cbkn)()(cos1mbkcmax

20、TaadRRdLbkn圆度误差引起的配合间隙引起的（2 2）精度分析）精度分析第4章 轴 和常见精密轴系3.3.半运动式柱形轴系（1 1） 结构、特点和应用结构、特点和应用 a. a. 自动定心，置中精度高。自动定心，置中精度高。 b. b. 摩擦力矩小，主轴起动灵活，磨损摩擦力矩小，主轴起动灵活，磨损小，寿命长。不发生卡滞现象。小，寿命长。不发生卡滞现象。 c. c.装配时研磨工作量小，利于批量生装配时研磨工作量小，利于批量生产。产。 d. d.对零件加工精度高对零件加工精度高。 4.3 常见精密轴系常见精密轴系第4章 轴 和常见精密轴系 （2 2）精度分析）精度分析a. 配合间隙的影响配合间隙的影响 2/ )( 21QbcddLd第4章 轴 和常见精密轴系b.钢球直径差的影响钢球直径差的影响 可见，为了减小2，应