1、机械设计基础(近机类专业适用)第2版,第十五章,第一节 轴的分类和设计要求 第二节 轴的材料选择 第三节 轴的基本直径的估算 第四节 轴的结构设计,学习目的：通过本章的学习，应能熟悉轴系零件中主要支承零部件的功用与结构及各零部件的类型。在此基础上，能合理地选用有关零部件并初步掌握轴系的装配与维护方法。 学习要求：熟悉常用轴的种类和应用特点，了解轴的结构。熟悉滑动轴承、滚动轴承的结构类型、应用特点及选用，轴瓦和润滑。了解轴系的调整与维护的基本知识。,第一节 轴的分类和设计要求,一轴的功用与分类轴的功用主要是支承回转零件，并传递运动和动力。根据轴所起的作用以及承受载荷性质的不同，可分为三大类。（1
2、）心轴 心轴按其是否转动可分为转动心轴和固定心轴。只起支承轴上零件的作用。只受弯矩作用，不受转矩作用。受力后产生弯曲变形。图11-1a所示的车轴为转动心轴；图11-1b所示的固定心轴。,（2）转轴 既支承轴上零件又传递运动和动力。既受弯矩作用又受扭矩作用，受力后产生弯扭变形。如汽车变速箱的轴。如图11-2所示单级齿轮减速器中电动机的输出轴、减速器的输入轴和输出轴都是转轴。,（3）传动轴 只起传递运动和动力的作用，只承受转矩作用，不承受弯矩作用，受力后产生扭转变形。 如汽车传动轴、电扇扇叶轴等。如图11-3所示汽车变速箱与后桥之间的轴AB。,轴还可按结构形状的不同分为直轴（图11-1、图11-2
3、）和曲轴（图11-4）；光轴（图11-5）和阶梯轴（图11-6）；实心轴和空心轴等。另外，还有一种轴线能按使用要求随意变化的轴，称软轴或挠性轴（图11-7）。,曲 轴,11-1概述1,小结：,轴的功用：1）支承回转件； 2）传递运动和动力。,按所受载荷的不同，分为：,按轴线形状的不同，轴可分：,图例,可以随意弯曲，把回转运动灵活地传到任意空间位置。,有特殊要求时，如航空发动机的主轴。,示例,示例,概述3,二、轴设计的主要内容,轴的设计步骤：,根据轴上零件的安装、固定及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构和尺寸。,校核轴的强度、刚度和振动稳定性等。,轴的概述,合金钢比碳钢有更高的强度和更
4、好的淬火性能。一般情况下用碳钢，重要的轴用合金钢。,概述2,毛坯多用圆钢或锻件。,轴的常用材料及其主要力学特性表,合金钢代替碳钢并不能提高轴的刚度。,用于外形复杂的轴。价廉、吸振性和耐磨性好，对应力集中的敏感性较低，但是质较脆。,第二节 轴的材料选择,（见表152）,将钢件加热，保温适当的时间后，在静止的空气中冷却的热处理工艺。,将钢(高碳钢和中碳钢等)加热在此温度下保持一段时间，使钢的组织全部变成奥氏体，然后快速冷却(水冷或油冷),主要材料碳素钢（简称碳钢）、合金钢和球墨铸铁 （1）碳素钢-性能按含碳量区别，价格低，工艺性能好。低碳钢-含碳量小于0.25%。中碳钢-含碳量0.25%-0.6%
5、。高碳钢-含碳大于0.6%。如：30-50号钢为中碳钢，是优质碳素钢。调质处理的45号钢应用最广。调质处理-淬火（加热一定温度-保温-急速冷却）后的钢件，加到所需温度，并停适当时间，缓慢或快速冷却，通常用油冷，减少脆性，弹性 （2）合金钢-碳钢中按用途加入适量的合金元素。综合力学性能好，承载大、耐磨、耐高温和防腐蚀。但合金钢应力集中，价格高，热处理或化学处理后可调强度。如：40Cr铬 40MnB锰硼元素 35SiMn硅锰。 （3）球墨铸铁-将片状石墨形式存在的灰口铸铁溶化成铁水后，在浇铸前加少量球化剂或墨化剂。强度高，耐磨，吸振性和易加工好，接近或超过钢性，价格低。如：曲轴、凸轮轴等。,1、采
6、用经验公式来估算： 一般减速器中，根据输入轴轴颈与电机轴颈估算。 高速输入轴轴径 d = 0.8 1.2 d0 其中：d0为电动机轴的直径 低速轴的轴径 d = 0.3 0.4 a 其中：a为同级齿轮的中心距 经估算后的轴径还需再按使用要求圆整到标准值。,第三节 轴的基本直径的估算,转轴设计，一般先按轴所传递的转矩估算出轴上受扭转轴段的最小直径，并以其作为参考尺寸进行轴的结构设计。一般有以下方法：,例题：有一减速器，两啮合齿轮其中心距为125mm，试估算其低速轴的轴颈。 解：按经验公式低速轴的轴径： d = 0.3 0.4 a d = 0.3 125 = 37.5mm d = 0.4 125
7、= 50mm 因此，低速轴的轴颈可在37.5 50mm范围内按表选取标准直径。一般取整数。,2转矩法,这种方法用于只受转矩或主要受转矩作用轴的强度计算。通常按这种方法估算转轴的直径。,实心轴的直径为：,扭转强度条件为：,考虑到键槽的影响，应适当加大轴径：,式中：C计算常数，见表153。,许用扭应力。,n轴的转速（r/min）,d轴颈的估算值（mm）,T轴传递的转矩（Nmm）,P轴传递的功率（KW）,T轴传递的转矩（Nmm）,WT轴的抗扭截面系数（mm） WT=d/160.2d,11-2轴的结构设计1,轴的结构设计：即确定轴的合理形状和全部结构尺寸。,轴的结构设计应该保证：, 便于轴上零件的装拆
8、和调整；, 轴应具有良好的制造工艺性等。,一、轴的各部名称及其功能,轴上安装轮毂、齿轮的轴段。,轴上安装轴承的轴段。,轴上零件的装配过程示例,用于确定轴上零件位置的轴肩。,为便于安装零件而设计的轴肩。,二、拟定轴上零件的装配方案,轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。,轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；,轴的结构示例,第四节 轴的结构设计,常用轴的结构 轴的组成。由轴颈、轴身和轴头组成。 轴颈-轴上与轴承配合的部分。 轴头-轴上与传动零件配合的部分。（带轮、齿轮、联轴器等） 轴身连接轴颈与轴头的部分。 轴肩（轴环）-阶梯轴上截面变化的部分。,轴颈,轴肩（轴环）,轴头,轴身,三、轴
9、的结构工艺性,在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单越好。,轴上应设计加工和装配所需要的倒角、螺纹退刀槽和砂轮越程槽等。 尺寸尽可能相同，并符合标准规定。如图,不同轴段的键槽应设计在同一母线上。如图,轴的结构设计2,1、可加工性,为便于轴上零件的装配，使零件到达确定位置，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。除了用于固定零件的轴肩高度外，其余仅为便于安装而设置的轴肩，其轴肩高度常取0.53mm。,轴肩应倒角，并去掉毛刺 便于安装,轴上配合轴段直径应取标准值，与滚动轴承配合的轴颈应按其内径尺寸选取，轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准。零件的轴向固定,2、装配工艺,固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承
10、内圈厚度，以便拆卸。,四、轴上零件的定位和固定,定位是指安装时保证轴上零件有准确的轴向位置。,见表154,（1）轴上零件的固定轴上零件的固定分为：轴向固定和周向固定。常用的轴向固定方法有以下几种：轴肩和轴环：阶梯轴上截面尺寸变化的部位称轴肩或轴环（图15-4）。简单，定位可靠，承载大的轴向力，用于齿轮、带轮、链轮、轴承等。,轴上零件的轴向固定：,轴上有螺纹时，应有退刀槽，以便于螺纹车刀退出。退刀槽宽度b2p(螺距)需要磨削的阶梯轴，应留有越程槽，以使磨削用砂轮越过工作表面。越程槽宽度b=2-4，深度为0.5-1 ，轴有多个退刀槽和越程槽时，尽可能取相同尺寸，以便加工。,轴上零件的固定,定位方法
11、：轴肩和套筒,定位轴肩的高度 a、轴肩圆角半径 r 和轮毂孔圆角半径 R 之间应满足：,r R （或倒角C）a,轴肩高度：a=0.070.1d；轴环宽度：b=1.4a,轴套：轴套又称套筒，常用于轴上两个零件距离较近的场合（图11-9）。简化轴的结构，定位可靠，拆装方便，不需开槽、钻孔和加工螺纹。避免削弱周的强度。,注：1、轴上零件均应双向固定。2、与轴上零件相配合的轴段长度应比轮毂宽度略短（套筒）L = B - 13mm,轴端挡圈：只用于轴端零件的固定，应用止动垫圈，抗震动和冲击载荷。,止动垫圈,圆螺母：当无法采用套筒或套筒太长时，可考虑使用圆螺母作轴向固定（图11-11）此时要在轴上加工螺纹
12、（一般为细牙螺纹），而且螺纹大径要比套装零件的孔径小。为放松可加双螺母或止动垫圈。拆装方便，可靠，能承受较大的轴向力，一般用在轴端或轴的中部。,弹性挡圈：采用弹性挡圈定位（图11-12），结构简单紧凑，但只能承受很小的轴向力。常用于滚动轴承或光轴上的零件。,锥面：只用于轴端，常与轴端挡圈联用，拆装方便，且兼 作周向固定。适用于高速、有冲击及对中性要求高的场合。,锥面固定,紧定螺钉与锁紧挡圈：结构简单，但受力较小，且不适用于高速场合。,紧定螺钉,锁紧挡圈,1）估算的轴径作为轴上最细处的直径。,轴的结构设计3,轴上零件的固定小结,轴向固 定方法：,五、各轴段直径和长度的确定,1. 直径的确定原则,
13、（见表154）,注：1、轴上零件均应双向固定。2、与轴上零件相配合的轴 段长度应比轮毂宽度略短（套筒）l = B - 13mm,六、提高轴强度的常用措施,轴的结构设计4,1） 轴头的长度应比轮毂的宽度小23mm ，以保证固定可靠。,2） 轴颈的长度一般等于轴承的宽度。,2. 长度的确定原则,5）为便于零件的装拆而设计的非定位轴肩高度（半径差）a 12mm。,2）与标准件配合的轴径应根据标准件的尺寸设计。,4） 滚动轴承的定位轴肩，应小于轴承内圈的厚度。,3） 定位轴肩的高度（半径差） a（0.07 0.1）d12mm 。,1、改进轴的结构以减小应力集中,1）尽量使轴颈变化处过度平缓， 以采用较
14、大的过度圆角，如图， 与其配的零件内角较小时，可采 用凹切圆角或过渡肩环。,过渡肩环,凹切圆角,机械设计基础(近机类专业适用)第2版,2）过盈配合处应力集中，当过盈配合量较大时采用增大配合处轴颈、轴上 开设卸载槽及轮毂上开设卸载槽等结构。,轴上开设卸载槽,轮毂开卸载槽,增大配合处轴颈,应力集中,4）键槽根部圆角半径小，应力集中越严重，重要轴的零件图上注明大小。,3）键槽端部与阶梯处距离不宜过小，以免擦伤过度圆角，较少应力集中。,5）避免在轴上打印及留有不必要的痕迹，减少疲劳裂纹。,2、改善轴的表面状态,采用滚压、渗碳或喷丸、液体碳氮共渗、渗氮、高频感应加热淬火等，可大大提高轴的承载能力。,返回
15、,轴的结构示例,轴的结构示例插图,习 题,一、选择题1、自行车前、后轮的车轴属于 。A、光轴 B、心轴 C、传动轴 D、支承轴2、下列材料中最不适合做轴的材料是 。A、碳素钢 B、合金钢 C、球墨铸铁 D、灰铸铁3、阶梯轴上最常用的轴上零件轴向固定的方法是 。A、轴肩和轴环 B、轴套 C、轴端挡圈 D、弹性挡圈,二、填空题1、根据轴所起的作用以及承受载荷性质的不同， 可分为 、 和 三大类。2、轴还可按结构形状的不同分为 和曲轴； 和阶梯轴； 和空心轴等。3、常用的轴向固定方法有以下几种： 、轴套、 、 、弹性挡圈。,三、判断题1、曲轴在工作中既传递动力又传递运动，因此是传动轴。（ ）2、阶梯轴是最常见的一种轴的结构形式，由于能够充分利用轴肩进行对轴系零件进行轴向定位，因此，大多数轴都采用这种结构形式。（ ）3、为了减少应力集中，轴径变化尽可能小，阶梯轴是最不好的形式，最好采用光轴的形式。（ ）,四、连线题1、请对应下面轴和受力情况只受扭转作用 心轴只受弯曲作用 转轴同时受扭转与弯曲作用 传动轴,五、计算及绘图题教材P266 15-2 15-3,
