机械设计基础课件轴

第十章轴的设计中国建材工业出版社第一页，编辑于星期五：十一点三十八分。本章主要内容第一节轴的功用及类型第三节轴的结构设计第二节轴的材料及选择第二页，编辑于星期五：十一点三十八分。本章基本要求

1、了解轴的功用、分类、特点和应用2、了解轴的材料及其选择

3、掌握轴的结构设计第三页，编辑于星期五：十一点三十八分。本章重点难点本章重点

本章难点轴的结构设计

轴的结构设计第四页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的功用及类型一、轴的功用（1）支承回转零件（齿轮、皮带轮）；（2）传递运动和动力。（3）受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器的性能和质量第五页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的功用及类型二、轴的分类1）转动心轴：工作时轴随转动件一起转动。2）固定心轴：工作时轴不转动。（一）按承载情况不同分为：

（1）心轴－只受弯矩的轴；（2）转轴－既受弯矩又受转矩的轴；（3）传动轴－只受转矩或弯矩很小的轴。1、心轴第六页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的功用及类型二、轴的分类（续）传动轴2、传动轴接发动机接后桥第七页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的功用及类型二、轴的分类（续）转轴3、转轴转轴是机器中最常见的轴，简称为轴。第八页，编辑于星期五：十一点三十八分。问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0轴：Ⅰ轴：Ⅴ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。第九页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的应用及类型二、轴的分类（续）

a:直轴b:曲轴c:挠性轴光轴阶梯轴（二）按轴线的形状分类轴1、直轴——轴线为直线的轴（又可分为实心、空心）1）光轴各轴段直径相同的直轴称为光轴。光轴形状简单，加工容易、应力集中源少，主要用做传动轴。a)第十页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的应用及类型二、轴的分类（续）

2）阶梯轴各轴段直径不同的直轴称为阶梯轴。这种设计使得各轴段的强度相近，且便于轴上零件的装拆和固定，故在机器中应用最广泛。第十一页，编辑于星期五：十一点三十八分。第一节轴的应用及类型二、轴的分类（续）

2、曲轴——轴线为曲线的轴3、挠性轴——轴线可按使用要求变化的轴常用于往复式机器和行星轮系中。常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。第十二页，编辑于星期五：十一点三十八分。第二节轴的材料及其选择对轴材料的要求：具有足够的强度，对应力集中的敏感性低，有较好的耐磨性、工艺性和经济性。轴的材料常用碳钢和合金钢

1、碳钢价格低，对应力集中不敏感，中碳优质钢可通过热处理，得到良好的综合力学性能。常用的碳素钢有35、40、45钢，碳素钢中应用最广泛的是45号钢，常用调质或正火处理。

2、合金钢强度高、耐磨性好，具有良好的力学性能和热处理性能，可满足特殊工作要求。多用于高速、重载及要求耐磨性好的场合。但价格较贵，对应力集中敏感。20Cr、40Cr、20CrMnTi3、形状复杂的轴：高强度铸铁及球墨铸铁。球墨铸铁吸振性好，对应力集中不敏感。常用于凸轮轴、曲轴。一、轴的材料及选择第十三页，编辑于星期五：十一点三十八分。第二节轴的材料及其选择轴的材料、热处理方法及材料的主要力学性能见表11－1（P184）。

在选择轴的材料和热处理方法时，应以强度和耐磨性为根据。注意：钢材种类热处理对钢材弹性模量E影响很小，∴用热处理合金钢不能提高轴的刚度。轴的毛坯：圆钢棒料尺寸小的轴锻造毛坯尺寸较大或为提高强度的轴焊接毛坯大件锻造困难铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等第十四页，编辑于星期五：十一点三十八分。二、轴设计的主要问题与设计特点失效形式：1.疲劳破坏—疲劳强度校核。2.变形过大—刚度验算（如机床主轴）。3.振动折断—高速轴，自振频率与轴转速接近。4.塑性变形—短期尖峰载荷—验算屈服强度。设计的主要问题：1.合理的结构设计—保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；第二节轴的材料及其选择第十五页，编辑于星期五：十一点三十八分。第二节轴的材料及其选择a、有足够的强度—疲劳强度、静强度；b、有足够的刚度—防止产生大的变形；c、有足够的稳定性—防止共振—稳定性计算。2.工作能力计算轴的设计步骤轴的结构形状和尺寸选用合适的材料结构设计强度和刚度计算转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。第十六页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计一、轴的结构设计的任务与原则合理确定轴的外形和全部结构尺寸。（轴没有标准的结构形式，须针对不同情况具体分析。）设计要求：1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整；3.轴应具有良好的加工工艺性；4.应有利于提高轴的强度和刚度。F等强度阶梯轴设计任务：第十七页，编辑于星期五：十一点三十八分。组成轴颈：装轴承处尺寸=轴承内径；轴头：装轮毂处直径与轮毂内径相当；轴身：联接轴颈和轴头部分。二、轴上零件的布置端轴颈轴头中轴颈轴头第三节轴的结构设计第十八页，编辑于星期五：十一点三十八分。滚动轴承齿轮滚动轴承键槽半联轴器轴颈轴身轴头轴颈轴身轴头轴承盖轴承盖典型轴系结构第三节轴的结构设计第十九页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案:

一般应考虑拟定几种不同方案，进行分析比较后再选择。第二十页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案（续）:

1－轴端挡圈2－带轮3－轴承端盖4－轴承5－套筒6－键7－齿轮

轴的结构设计第二十一页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（二）轴上零件的定位（1）轴肩和轴环目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。过渡圆角r定位高度h由组成零件的轴向定位:第二十二页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴向定位和固定。注意事项：1）轴的过渡圆角半径r——应小于轴上零件的倒角C或圆角半径R；表11-52）轴环宽度b——b

1.4h≥10mm第二十三页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

3）轴肩轴环高度h定位轴肩：高度h>C(或R),通常取h=（0.07~0.1）d或h=R（C）+(0.5～2)mm滚动轴承：轴肩高度<滚动轴承内圈高度（查机械手册）非定位轴肩：为使零件装拆方便，取h=(1～2)mm第二十四页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（2）套筒——常用于两个距离相近的零件之间，起定位和固定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高的轴上。注意：轮毂宽度B>轴头长度l，取l=B-（2~3）mm第二十五页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题（3）轴端挡圈——常与轴肩或锥面联合使用，固定零件稳定可靠，能承受较大的轴向力。注意：轮毂宽度B>轴头长度l

，取l

=B-（2~3）mm第二十六页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（4）圆锥面——装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。第二十七页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（5）圆螺母与止动垫圈----固定可靠，可承受较大的轴向力，但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。常用于轴上两零件间距较大处，也可用于轴端。

注意：零件宽度B>轴长度l，取l=B-（2~3）mm第二十八页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。止动垫圈第二十九页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（6）弹性挡圈-----结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。注意：零件宽度B>轴长度l，取l=B-（2~3）mm第三十页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

（7）紧定螺钉----结构简单，可兼作周向固定，传递不大的力或力矩，不宜用于高速。第三十一页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题

1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(2~3)mm。必须注意：第三十二页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题目的：使零件能同轴一起转动，传递转矩。常用键、花键、销、紧定螺钉、过盈等联接来定位。键联接——制造简单，装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。键槽应设计成同一加工直线，并尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。紧定螺钉联接只能用于传力不大处。2.零件的周向定位第三十三页，编辑于星期五：十一点三十八分。花键联接——承载能力高，定心好，导向性好，但制造较困难，成本较高。用于传递转矩大，对中性要求高或导向性好的场合。过盈配合联接——结构简单，定心好，承载能力高，工作可靠，但装配困难，对配合尺寸的精度要求较高。销联接——用于固定不太重要，受力不大，但同时需要轴向固定的零件。第三十四页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三十五页，编辑于星期五：十一点三十八分。作业课后五3第三十六页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计二、结构设计中应考虑的主要问题（续）（三）轴的结构工艺性1、加工工艺性：结构应便于加工。——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装

1）不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工时的装卡次数；a.正确结构b.不正确结构第三十七页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计二、结构设计中应考虑的主要问题（续）2）需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应留螺纹退刀槽。砂轮越程槽0.8螺纹退刀槽3）相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一。第三十八页，编辑于星期五：十一点三十八分。第三节轴的结构设计二、结构设计中应考虑的主要问题（续）3）相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸尽量统一。第三十九页，编辑于星期五：十一点三十八分。2）轴上零件装配工艺性要求3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。b）导向锥面1.轴的配合直径应圆整为标准值。2.轴端应有cX45º的倒角。°a）倒角°4.装配段不宜过长。二、结构设计中应考虑的主要问题（续）第三节轴的结构设计第四十页，编辑于星期五：十一点三十八分。（四）、提高轴强度和刚度的措施1.减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。b）过盈配合处的应力集中

轴的应力集中发生的位置a）截面尺寸变化处的应力集中b）过盈配合处的应力集中c）小孔处的应力集中a）截面尺寸变化处的应力集中c）小孔处的应力集中第三节轴的结构设计第四十一页，编辑于星期五：十一点三十八分。减小应力集中的措施：2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽；3）重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。1）用圆角过渡；卸载槽dd/4BB过渡肩环凹切圆角r30˚二、结构设计中应考虑的主要问题（续）第三节轴的结构设计第四十二页，编辑于星期五：十一点三十八分。4）避免相邻轴径相差太大；二、结构设计中应考虑的主要问题（续）第三节轴的结构设计第四十三页，编辑于星期五：十一点三十八分。2、合理布置轴上零件，改善轴的受力情况1）使弯矩分布合理——把轴、毂配合分成两段，减小最大弯矩值不合理结构F合理结构F二、结构设计中应考虑的主要问题（续）第三节轴的结构设计第四十四页，编辑于星期五：十一点三十八分。2）使转矩合理分配T1T3T4T2输出轮输入轮输出轮T1T2T3T4输出轮输入轮1不合理的布置Tmax=T2+T3+T4合理布置Tmax=T3+T4第三节轴的结构设计下面结构哪个好？第四十五页，编辑于星期五：十一点三十八分。3）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷卷筒轴既受弯矩又受扭矩卷筒轴只受弯矩第三节轴的结构设计第四十六页，编辑于星期五：十一点三十八分。斜齿轮：两斜齿轮旋向应相同4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。行星齿轮减速器：多个行星轮均布第三节轴的结构设计第四十七页，编辑于星期五：十一点三十八分。3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。更差！第三节轴的结构设计第四十八页，编辑于星期五：十一点三十八分。4.改善轴的表面质量表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。1）表面愈粗糙

疲劳强度愈低；

提高表面粗糙度。2）表面强化处理的方法有：▲

表面高频淬火；▲

表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；▲

碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力。二、结构设计中应考虑的主要问题（续）第三节轴的结构设计第四十九页，编辑于星期五：十一点三十八分。三、各轴段直径和长度的确定第三节轴的结构设计1、各轴段直径的确定，应考虑轴上载荷的大小1）按所受扭矩初估轴径dmin，从dmin按装配方案和定位要求确定各段直径。轴上有一个键槽，最小直径增大3~5%；两个键槽增大7~10%第五十页，编辑于星期五：十一点三十八分。三、各轴段直径和长度的确定第三节轴的结构设计2、各轴段长度根据零件与轴配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的间隙确定。1）轴头长比轮毂宽小2~3mm——可靠定位。2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。第五十一页，编辑于星期五：十一点三十八分。指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。

错误分析图滚动轴承轴齿轮套筒123正确结构图1—缺少键联接，齿轮未周向固定；错误原因：2—轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；3—轴端无倒角，轴承不便安装。轴系结构设计中常见错误实例分析第五十二页，编辑于星期五：十一点三十八分。1—连轴齿轮两端无倒角轮廓线；错误分析图齿轮连轴齿轮1223正确结构图错误原因：2—齿轮左右两端均未轴向固定；3—缺少键联接，齿轮未周向固定。第五十三页，编辑于星期五：十一点三十八分。正确答案12,341.螺母无法安装；2.应有螺纹退刀槽；3.轴承宽度应比轴段长度大2~3mm；4.轴肩高度应低于轴承内圈高度。错误原因：第五十四页，编辑于星期五：十一点三十八分。正确答案1321.轮毂宽度上插键槽；2.套筒无法安装；3.轴颈处不应有键槽。第五十五页，编辑于星期五：十一点三十八分。2.多个键应位于同一母线上12