08章 轴 课件机械传动系统设计与实践

轴导学

导学

导学轴的功用和分类轴上零件的定位轴的结构设计及计算导学

导学讲课目录CONTENTS

轴轴的概述轴的结构设计轴的计算工程应用案例1.学习目标轴的功用、分类轴的材料轴的设计准则、轴的结构设计轴的计算导学

导学2.重点轴的分类轴上零件的定位轴的结构设计导学凸轮调节圆锥齿轮周转轮系输出轴转速机构

导学3.难点根据轴的受载类型进行轴的分类

根据轴上零件进行轴的结构设计导学

导学

导学4.实践与实训根据轴上零件完成轴的结构设计

单级减速器轴的测绘导学轴轴概述轴的功用及类型

支承旋转零件（齿轮、带轮、链轮、联轴器等），传递运动或动力按照轴线形状不同可以分为：直轴、曲轴、挠性钢丝轴。轴的功用及类型

挠性钢丝轴曲轴直轴挠性轴可将旋转运动灵活地传到所需要的位置，常用于振捣器等设备。曲轴常用于往复式机械(如内燃机、空气压缩机等)。轴的功用及类型

直轴按照承受载荷不同可以分为：转轴、心轴、传动轴。转轴：机器中最常见的轴。工作时既承受弯矩又传递转矩。

转轴轮齿上的作用力在轴上引起弯矩和扭矩轴的功用及类型

心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。按轴转动与否，又可分为转动心轴和固定心轴。M轴的功用及类型

传动轴:

传递转矩而不承受弯矩，或弯矩很小。变速箱后桥传动轴汽车中连接变速箱与后桥之间的轴轴的功用及类型

直轴按照结构形状不同可以分为：光轴和阶梯轴（剖面直径有变化）光轴阶梯轴轴的功用及类型

案例分析如图所示的升降机12341——传动轴：T2——转轴：T+M3——转轴：T+M4——心轴：MMotor××××

思考该案例中轴4上的卷筒与齿轮不采用螺栓连接为一体，而是卷筒在轴上也单独固定，按照承受载荷的不同，请思考轴4属于哪种类型。轴的材料

轴的常用材料主要是碳素钢和合金钢。轴的毛坯一般多为轧制圆钢和锻件。①碳素钢常用30、40、45号钢价格便宜，对应力集中敏感性小，为了保证机械性能，应进行调质或正火处理。②合金钢③铸铁40Cr、40CrNi、20Cr、20Cr2Ni4A、38SiMnMo易做成复杂的外形，价廉，具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中敏感性较低，但铸造品质难控制，可靠性较差QT600—3、QT800—2球墨铸铁或合金铸铁具有较高的机械强度，较好的热处理性能，成本高，因此，一般用于特殊要求的轴（重载、高温、高速等）但对应力集中敏感，设计时需从结构上避免或减小应力集中。轴轴的结构设计（一）轴的设计步骤轴的设计包括以下三方面的内容：材料选择轴的结构设计工作能力验算轴上零件要方便装拆、调整轴和轴上零件有准确的工作位置，且牢固可靠轴具有良好的制造工艺性改善轴的受力状态，尽量减少应力集中轴的结构设计

（2）拟定轴上零件的装配方案（1）确定轴的基本形式光轴结构简单，易于加工，但是轴上零件比较多的结构，零件安装后容易滑动不好定位，其用途相对单一阶梯轴，其直径从轴端逐渐向中间增加，更便于轴上零件的装拆，因此，我们常将轴设计成阶梯轴确定出轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。1.轴上零件要方便装拆、调整

轴的结构设计

如图所示的装配方案：键、齿轮、套筒、滚动轴承、轴承端盖、键、联轴器，依次从轴的右端向左安装，左端装有滚动轴承及其轴承端盖。轴头：轴上安装旋转零件的轴段①和④

④我们通常称为轴端。轴颈：轴上安装轴承的轴段②、⑤轴身：③键键毛毡密封①②③④⑤轴环1.轴上零件要方便装拆、调整

为使零件易于安装，轴端应有倒角。45

轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定轴与轴上零件要有准确的工作位置零件在轴上的位置牢固可靠定位－固定－轴向定位固定→不能有周向摆动→不能有轴向窜动周向定位固定→定位＋固定从结构作用上，往往同一个结构，既起定位作用，又起固定作用。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定轴向定位和固定轴肩和轴环轴环轴肩阶梯轴上截面变化处叫轴肩轴肩轴肩套筒圆螺母或圆螺母+止动垫片弹性挡圈轴端挡圈+螺钉紧定螺钉轴端挡圈+螺钉套筒轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定为保证零件端面能靠紧定位面1）轴肩圆角半径r必须小于零件毂孔的圆角半径R或倒角高度C1;2）轴肩高度h应大于零件毂孔的圆角半径R或倒角高度C1;

hDdbrRrhDdC1轴肩①轴上零件的轴向定位和固定——轴肩和轴环错误

3）为了有足够的强度来承受轴向力，通常取h=(0.07d+3)~(0.1d+5)mm

。轴环宽度b≥1.4h。非定位轴肩:h

(1~2)mm。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——轴肩和轴环为能拆卸轴承，应使h<δ。hδ轴肩优点：结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——套筒特点：结构简单,定位可靠,用于零件间距较小场合。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——圆螺母双圆螺母固定圆螺母+止动垫圈固定固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.应用：无法采用套筒或套筒太长时。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——轴端挡圈当零件位于轴端时，可用轴端挡圈与轴肩使零件双向固定。挡圈用螺钉紧固在轴端。但需在轴端加工螺纹孔。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定当用套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求l轴<l毂，l毂-l轴=2-3mml轴l毂l轴l毂l毂l轴轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——弹性挡圈在轴上切出环形槽将弹性挡圈嵌入槽中，利用它的侧面压紧被定位零件的端面。结构简单，装拆方便，但对轴的强度削弱较大，常用于所受轴向力小的轴。

轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定——紧定螺钉结构简单、定位方便，主要用于轴向力小，转速低的场合，可兼作周向定位和固定。轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定①轴上零件的轴向定位和固定圆锥面定位能消除轴与轮毂间的径向间隙,装拆较方便,对中性好,但加工较困难，一般应用于轴端。轴承端盖定位主要用于轴上轴承零件的轴向定位和固定，为保证轴上零件位置的调整需要加调整垫片。调整垫片轴的结构设计

2.轴上零件的定位和固定②轴上零件的周向定位和固定周向定位和固定键连接花键连接销连接成型面连接过盈配合连接键连接花键连接销连接过盈配合连接成型面连接轴轴的结构设计（二）轴的结构设计

3.轴应有良好的制造工艺性轴的结构设计要便于加工,因而要注意:（1）轴肩处的过渡圆角半径r应尽量统一（2）同一根轴上不同轴段的键槽应布置在同一母线上rDd轴肩轴的结构设计

3.轴应有良好的制造工艺性（3）车制螺纹轴段应留有退刀槽（4）需要磨削的轴端应留有砂轮越程槽轴的结构设计

4.改善轴的受力状态，尽量减少应力集中（1）合理布置轴上零件位置,以改善轴的受力状态轴上的最大转矩为T2+T3Tmax=T1T3T2T1输出T2输入T1输出T3轴上的最大转矩为T2Tmax=T2T2T1T3输入T1输出T3输出T2轴的结构设计

4.改善轴的受力状态，尽量减少应力集中（2）合理设计轴上零件结构,以改善轴的受力状态(b)合理(a)不合理轮毂长，支撑跨距大轮毂短，支撑跨距小轴的结构设计

4.改善轴的受力状态，尽量减少应力集中（3）合理设计轴上零件,以改善轴的受力状态Q合理

Q不合理

大齿轮和卷筒连成一体，转矩经大齿轮直接传给卷筒，卷筒轴只受弯矩而不受扭矩（转动心轴）。转矩由轴传递，轴同时受弯矩和扭矩作用（转轴）轴的结构设计

4.改善轴的受力状态，尽量减少应力集中（4）改进轴的结构以减小应力集中截面变化处采用圆角过渡，圆角半径不宜过小或采用过渡结构。r内凹圆角过渡肩环轴的结构设计

4.改善轴的受力状态，尽量减少应力集中（4）改进轴的结构以减小应力集中盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小。端铣刀盘铣刀轴的结构设计

5.各轴段直径和长度的确定

(1)根据轴所受的扭矩，按扭转强度估算最小轴径

τ——扭转切应力，MPaT——轴所受的扭矩，N·mm

WT——轴的抗扭截面系数，mm3

n——轴的转速，r/min

P——轴传递的功率，kW

d——计算截面处轴的直径，mm轴的结构设计

5.各轴段直径和长度的确定

(1)根据轴所受的扭矩，按扭转强度估算最小轴径说明:当轴上有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴强度的削弱①直径d>100mm的轴,有单键槽时,轴径增大3%;有双键槽时,轴径增大7%；②直径d≤100mm的轴,有单键槽时,轴径增大5%~7%；有双键槽时,轴径增大10%~15%。轴的结构设计

5.各轴段直径和长度的确定②与标准件配合的轴段，应尽量采用标准直径①考虑轴上零件的定位和装拆要求，确定各轴段的径向尺寸—从轴端由外向内确定dmin③转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙，轴与轴承端盖透盖间要有间隙。

(2)各轴段直径的确定①各轴段长度与其上相配合零件的宽度相对应,与齿轮、联轴器等零件相配合的轴段长度一般应比轮毂长度短2~3mm。②转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。③由内向外确定各段长度。轴的结构设计

5.各轴段直径和长度的确定

(3)各轴段长度的确定轴轴的强度计算轴的强度计算工作能力验算1.根据轴的受力进行相应的强度校核2.静强度计算3.刚度验算4.振动稳定性计算扭转强度、弯曲强度、弯扭复合强度。短期过载较大，最大瞬时载荷临界转速跨距较大轴（机床主轴、蜗杆轴等）轴的工作能力主要取决于强度和刚度，高速轴还要校核振动稳定性轴的强度计算根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法。心轴：只受弯矩→按弯曲强度计算心轴、传动轴、转轴传动轴：只受转矩→按扭转强度计算转轴：弯矩＋转矩→按弯扭合成强度计算轴的强度计算1.按弯曲强度计算拉压A

受力分析：由M→σb

实心圆轴：W—抗弯截面系数注意：弯曲应力的变化性质对称循环时——取[σ-1]为许用应力脉动循环时——取[σ0]为许用应力静应力时——取[σ]为许用应力轴的强度计算1.按弯曲强度计算转动心轴弯曲应力性质——对称循环滑轮受力方向不变固定心轴弯曲应力性质——脉动循环滑轮受力方向不变轴的强度计算2.按扭转强度计算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算②一般转轴在结构设计时按扭矩初估轴的直径dmin强度条件：

τ——扭转切应力，MPaT——轴所受的扭矩，N·mm

WT——轴的抗扭截面系数，mm3

n——轴的转速，r/min

P——轴传递的功率，kW

d——计算截面处轴的直径，mm设计公式：

轴的强度计算3.按弯扭合成强度计算

通过结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置、外载荷及支反力的作用位置等均已确定，这时可按弯扭合成强度进行强度校核或计算轴径与结构设计初步估算的轴径比较大小。用第三强度理论求出危