汽车机械基础 课件27 轴的结构设计

轴的结构设计主

要

内容1轴的功用、分类及应用2轴的材料3轴的结构设计下图所示为减速器低速轴（阶梯轴）的结构示意图，图中③轴段、⑦轴段安装有轴承用来支持轴的旋转，图中④轴端、①轴端安装工作零件齿轮与联轴器。减速器低速轴的结构示意图轴的功用

支承旋转零件、传递运动和转矩，并保证轴上零件具有确定的工作位置和一定的转动精度。一、轴的功用二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类按轴所受载荷，可分为心轴、传动轴和转轴三类。固定心轴转动心轴主要承受弯矩，不承受扭矩的轴称为心轴。若心轴工作时不转动，则称为固定心轴，例如自行车前轮轴。二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类心轴若心轴工作时是转动的，称为转动心轴，例如机车轮轴。火车轮轴车厢重力支撑反力心轴---只承受弯矩。转动心轴二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类心轴发动机

传动轴

后桥

二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类传动轴二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类传动轴二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类传动轴二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类传动轴固定球笼式万向节（RF节）伸缩球笼式万向节（VL节）二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类传动轴图示为单级圆柱齿轮减速器中的转轴，该轴上两个轴承之间的轴段承受弯矩，联轴器与齿轮之间的轴段承受扭矩，这种既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。转轴既支撑零件，又传递功率二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类转轴前轮轮毂固定心轴前叉自行车前轮轴心轴---只承受弯矩。心轴转轴心轴二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类请思考：自行车中轴、后轴是何种类型的轴？分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？III0×××××IIIIV0轴：Ⅰ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴心轴转轴转轴心轴弯矩：轴上有传动零件（除联轴器）扭矩：传动路线与部分轴线重合二、轴的分类及应用1.按所受载荷分类按轴线的几何形状，可分为直轴、曲轴和挠性轴三类。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类常用于往复式机械（如曲柄压力机、内燃机）中，以实现运动的转换和动力的传递。曲轴可以将旋转运动改变为往复直线运动，或者做相反的运动转换。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类曲轴二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类曲轴常用于往复式机械（如曲柄压力机、内燃机）中，以实现运动的转换和动力的传递。挠性钢丝轴由多组钢丝分层卷绕而成的，具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类挠性钢丝轴二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类挠性钢丝轴但它不能承受弯矩，多用于转矩不大、以传递运动为主的简单传动装置中。摩托车的前轮到速度表之间的传动轴就是挠性轴。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类挠性钢丝轴按轴线的几何形状，可分为直轴、曲轴和挠性轴三类。直轴按形状又可分为光轴、阶梯轴和空心轴三类。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴光轴的各截面直径相同。它加工方便，但零件不易定位。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴光轴轴上零件容易定位，便于装拆，一般机械中常用。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴阶梯轴光轴形状简单，加工容易，没有应力集中源，应力集中小，但是轴上零件不容易装配和定位。阶梯轴正好相反。光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则常用于转轴。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴空心轴可以减轻质量，还可以利用轴的空心来输送润滑油、切削液或便于放置待加工的棒料。车床主轴就是典型的空心轴。二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴空心轴二、轴的分类及应用2.按轴线的几何形状分类直轴空心轴1.对轴的材料的基本要求。三、轴的材料足够的强度、塑性、刚度、冲击韧性、耐磨性和耐腐蚀性；对应力集中的敏感性较低；具有良好的工艺性和经济性；具有良好的热处理性能，以提高轴的抗疲劳强度。（1）碳素结构钢：

Q235、Q275正火或调质处理。（2）优质碳素结构钢：35、45、50正火或调质处理。受力小或不重要的轴应用最广泛三、轴的材料2.轴的材料（3）合金钢:

20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等（4）球墨铸铁

用热处理合金钢不能提高轴的刚度。：QT500-5、QT600-2增大轴径耐磨性高强度高结构形状复杂的轴三、轴的材料2.轴的材料请思考：在设计时轴的刚度不够，怎么办？设计轴时主要解决的问题结构设计工作能力计算结构形式强度刚度振动稳定性尺寸设计轴最根本任务：确定出轴的合理外形和轴的全部尺寸。

对于不同机器对轴的工作要求不同，设计要解决的主要问题也有所区别。在一般情况，轴都必须具有足够的强度，合理的结构，良好的工艺性。要求：1.轴上零件应便于装拆和调整；2.轴和轴上零件要可靠地定位；3.各零件要牢固地相对固定；4.轴应有良好的加工工艺及受力情况良好，应力集中较小等。结构设计四原则：便于拆装、定位准确、固定可靠、受力合理。四、轴的结构设计轴头轴颈轴身轴环轴头：与传动零件配合的轴段。

轴肩(环)：轴向的阶梯。

轴颈：安装轴承的轴段。

轴身：轴头与轴颈之间的非配合的轴段。

轴端：两端。

四、轴的结构设计轴颈轴头四、轴的结构设计轴头：与传动零件配合的轴段。

轴肩(环)：轴向的阶梯。

轴颈：安装轴承的轴段。

轴身：轴头与轴颈之间的非配合的轴段。

轴端：两端。

以圆锥—圆柱齿轮减速器输出轴为例lB四、轴的结构设计已知条件：装配运动简图、轴的转速、传递的功率

、传动零件〔如齿轮等〕的主要参数和尺寸等。设计：圆锥—圆柱齿轮减速器输出轴。以圆锥—圆柱齿轮减速器输出轴为例lB四、轴的结构设计已知条件：装配运动简图、轴的转速、传递的功率

、传动零件〔如齿轮等〕的主要参数和尺寸等。设计：圆锥—圆柱齿轮减速器输出轴。首先初步估算轴的最小直径，然后在进行具体结构设计。为了方便轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形。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。四、轴的结构设计1.拟定轴上零件的装配方案制定合理的安装、拆卸方案，使轴上零件均能顺利的安装拆卸并尽量减少零件个数及整体重量。以圆锥－圆柱齿轮二级减速器的输出轴为例。定位：零件有准确的工作位置固定：零件在轴上的位置牢固可靠方案一方案二123456四、轴的结构设计1.拟定轴上零件的装配方案四、轴的结构设计定位：指零件在轴上安装到位(位置准确)固定：指工作时零件与轴之间相对位置保持不变(位置不动) 轴向固定周向固定轴上零件的轴向位置必须固定，以承受轴向力或不产生轴向移动。轴向定位和固定主要有两类方法：一是利用轴本身部分结构，如轴肩、轴环、锥面等；二是采用附件，如套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈、紧定螺钉、楔键和销等。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定零件的轴向定位由轴肩、轴环来实现。轴肩分定位轴肩和非定位轴肩。定位轴肩或轴环由定位面和过度圆角组成。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴肩和轴环轴肩轴环四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴肩和轴环零件的轴向定位由轴肩、轴环来实现。轴肩、轴环的圆角半径r<零件的圆角半径R或倒角C1RC1DdhC1DdrhDdrhbDdrbRh为了保证零件能紧靠定位面，轴肩、轴环的的尺寸要求:r<C1h≈(0.07d+3)mm~(0.1d+5)mm

(与滚动轴承相配合处的h值，见轴承标准)b≈1.4h定位轴肩h：3~5mm非定位轴肩h：1.5~2mm或

r<Rh>C1或

h>Rr轴肩、轴环高度h>零件的圆角半径R或倒角C1轴环宽度不易过小四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴肩和轴环优点：固定简单可靠不需要附加零件，能承受大的轴向力，应用广泛。缺点：直径变化，阶梯处形成应力集中，轴肩或轴环过多使轴的加工工艺性较差。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴肩和轴环简单可靠，简化了轴的结构，加工方便，轴上不需要开槽钻孔切制螺纹，并且不削弱轴的强度，可承受较大的轴向力。常用于轴上两个近距离零件之间的相对固定。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定套筒四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定套筒如果两个零件之间距离比远，不适宜采用套筒定位，增大套筒的质量及材料用量。因为套筒与轴之间的配合较松，不适宜高速运转的轴。

应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向固定或定位。轴上间距不大的两零件的轴向定位。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定圆螺母和止动垫圈特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力。

应用：常用于轴的中部和端部在轴上需要加工螺纹，应力集中比较严重，会降低轴的疲劳强度。所以一般用于固定轴端的零件。有双圆螺母和圆螺母止动垫圈两种形式。当轴上两零件之间的距离比较大时用套筒不合适也可采用圆螺母固定。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定圆螺母和止动垫圈圆螺母与止动垫圈四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定圆螺母和止动垫圈双圆螺母正确错误注意：为了可靠定位，相应轴段要缩进2-4mm。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定圆螺母和止动垫圈四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定弹性挡圈四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定弹性挡圈特点：结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的轴向力，可靠性差。而且轴上切槽将引起应力集中，对轴的削弱较大。

应用：常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位。弹性挡圈常与轴肩联合使用，也可以在零件两边各用一个来固定轴上零件。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定弹性挡圈

应用：常用于轴的端部的零件固定。轴端挡圈是标准件，它的直径和宽度可以根据轴的直径来确定。为了防止轴端挡圈造成螺钉松动，可以加圆柱销锁定轴端挡圈，也可以采用双螺钉加制动垫片防松。轴端挡圈：也叫压板，用于轴端零件的固定，用以承受较大的轴向力。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴端挡圈和圆锥面圆锥面

应用：常用于轴的端部的零件固定。圆锥面定位：用圆锥面定位的同心度较高，有消除间隙的作用，能承受冲击及振动载荷，拆卸较容易。但加工圆锥形表面时比较困难四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴端挡圈和圆锥面轴承盖轴承盖轴承盖用螺钉或槽与箱体联接，使轴承的外圈得到轴向定位和固定。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定轴承盖轴向力较小时，可采紧定螺钉来实现。多用于光轴上零件的固定。结构简单，零件位置可以调整，还起到周向固定的作用。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定紧定螺钉与螺钉锁紧档圈轴向力较小时，可采紧定螺钉来实现。多用于光轴上零件的固定。结构简单，零件位置可以调整，还起到周向固定的作用。四、轴的结构设计2.轴上零件的轴向固定紧定螺钉与螺钉锁紧档圈为了满足机器传递运动和扭矩的要求，轴上的零件除了需要轴向定位外，还必须有可靠的周向定位。四、轴的结构设计3.轴上零件的周向固定

传递运动和转矩，防止轴上零件与轴之间的相对转动。1）目的：

2）常用的周向固定方法

键联接过盈配合联接花键联接紧定螺钉、圆锥销

图

轴上零件的周向固定方法a)平键连接b)花键连接c)型面连接d)轴段挡板e)销连接f)过盈配合连接四、轴的结构设计3.轴上零件的周向固定1）一般设计成阶梯轴。在保证零件顺利装拆和可靠定位的前提下，轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，相邻两轴段的直径变化应尽量小。四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求2）需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽；

砂轮越程槽键槽当轴上需加工多个键槽时，应使键槽布置在同一母线上。

退刀槽需车制螺纹的轴段应设置退刀槽；四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求c45oc45o3.2倒角越程槽退刀槽中心孔各段轴端部应有倒角，要磨削的轴段应有砂轮越程槽，车螺纹的轴段应有退刀槽，在轴端部应设置中心孔。四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求键槽应设计在同一加工直线并尽量采取相同的键槽剖面尺寸。1.左侧键太长；2.多个键应位于同一母线上；3.右齿轮键槽应是通槽。四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求3）结构尺寸（直径、过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽、砂轮越程槽等）应取标准值。有配合要求的直径大小由与之相配合零件的内孔决定。

用套筒、圆螺母、挡圈定位时，轴段长度应小于相配合零件的宽度，两者相差1～3mm。轴身尺寸应取以mm为单位的整数，最好为偶数或5进位的数

1~3四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求正确错误轴段长度=轮毂长度-（1~3）mm四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求4）为减少应力集中，也为了便于装配，阶梯轴截面尺寸变化处应采用过渡圆角、轴端应有倒角。5）轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验。

对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆。轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面，轴肩高度不能妨碍零件的拆卸。四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求轴承内圈厚>套筒厚或轴肩高(2~4)mm四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求四、轴的结构设计4.轴结构的工艺要求轴系结构改错四处错