精密机械设计课件：轴和常见精密轴系 -

轴和常见精密轴系4.1概述

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。轴的分类

（1）按载荷和应力的不同，分为三种：

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。转动心轴受变应力，不转动心轴受静应力。

转轴——既承受弯矩又承受转矩。

传动轴——主要承受转矩。（2）按轴的中心线的不同，分为三种：

直轴——轴的各截面中心在同一直线上。光轴、阶梯轴；实心轴、空心轴

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

软轴——轴线可变，把回转运动灵活地传到任何位置。4.1概述非旋转心轴型

4.1概述4.1概述传动轴支承4.1概述4.1概述4.1概述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：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、半运动式柱形轴系和平面轴系。

4.1概述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。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。4.2.1轴的材料及其选择（表4-1）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轴4.2.2轴的结构设计满足：①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；②轴应有良好的加工工艺性。轴颈——轴上被支承的部位；

轴头——安装轮毂的部位；轴身——联结轴颈与轴头的部分。

1.轴的外形结构（图4.3）在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽可能简单

轴的结构设计内容

1）确定并绘出轴的全部结构和尺寸；2）制定出满足使用要求的技术条件。4.2轴2.零件在轴上的固定方法

轴肩、轴环－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。4.2轴（1）零件在轴上的轴向固定

a=(0.07～0.1)ｄ；b=1.4a

定位面—内圆角半径r应小于零件上倒角C或外圆角半径R。

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－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除，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。4.2轴轴端挡圈－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施。锥面－装拆方便，且可兼作周向定位；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。弹性挡圈－结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，且轴上切槽引起应力集中；常用于轴承的固定。紧定螺钉、锁紧挡圈－结构简单，但受力较小，不适于高速场合。（2）零件在轴上的周向固定

键联接、销联接、紧定螺钉、过盈联接等。见“键联接”、“齿轮结构设计”部分

4.2轴良好的加工工艺性（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，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。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0.5～3mm。（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。4.2轴轴系结构实例4.2轴4.2.3轴的强度计算1.按许用切应力计算轴颈

已知：轴传递的功率P、转速n，则（4－1）（4－2）4.2轴2.按弯曲和扭转复合强度计算轴颈（4－3）（4－4）设计公式

4.2.4轴的刚度计算1.扭转刚度计算2.弯曲刚度计算

计算法工程－查表法4.3常见精密轴系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：（1）旋转精度（2）刚度：（3）转动的灵活性1.标准圆柱形轴系（1）结构、特点和应用

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，配合面间的间隙无法调整。为减少接触面积和精加工面，通常将轴套2的中部车去一段。（如图a）（2）误差分析1）轴与轴套的尺寸误差2）圆柱度误差3）温度变化的影响

2.圆锥形轴系4.3常见精密轴系（1）结构、特点和应用

(2)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：

a.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。

b.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（b）、（c）。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，轴系零件的几何形状误差(主要是圆度误差)以及温度变化等。3.半运动式柱形轴系（1）结构、特点和应用

a.自动定心，置中精度高。b.摩擦力矩小，主轴起动灵活，磨损小，寿命长。不发生卡滞现象。c.装配时研磨工作量小，利于批量生产。d.对零件加工精度高。

4.3常见精密轴系经纬仪中应用

（2）精度分析a.配合间隙的影响

b.钢球直径差的影响

c.同轴度误差影响

d.垂直