机械设计基础第10章 轴

a．轴肩和轴环。 b．套筒。 c．圆螺母。 d．挡圈。 e．锥形轴头。 ② 零件在轴上的周向固定。
轴肩和轴环
圆螺母
挡圈
锥形轴头
轴段长度
轴上零件常用的周向固定方法
3．各轴段直径和长度的确定
（1）各轴段直径的确定
以图所示为例，按照齿轮从左向右 的装配顺序，阶梯轴各轴段的直径从最 小直径开始确定，同时应注意如下几点 。 ① 轴颈处的直径必须按滚动轴承标准规 定的内孔直径选取。
第10章 轴系零部件
10.1
概述
10.2
轴的结构设计
10.3
轴的承载能力校核
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【学习目标】 了解轴的功用、类型及常用材料 理解并掌握轴上零件的常用定位方法 掌握阶梯轴结构设计的一般方法 理解并掌握转轴的设计过程
10.1 概述
1．轴的分类
根据轴的受载情况和轴线的形状， 轴可进行如下分类。
② 滚动轴承的定位轴肩直径需按滚动轴承 标准规定选取。 ③ 安装标准件（如密封装置、联轴器等） 的轴段直径应按标准件的标准内径选取。 ④ 安装带轮、齿轮的轴径应取标准值。
（2）各轴段长度的确定
4．轴的结构工艺性
设计轴的结构时，还应使轴的结构、形 状便于加工、装配和维修，有利于提高生产 效率，并降低生产成本。
轴的一般设计步骤如下。 ① 按工作要求选择材料和热处理方法。 ② 初步估算轴的基本直径。 ③ 进行轴的结构设计，确定轴的各段直 径和长度等结构尺寸。 ④ 进行必要的承载能力验算。 ⑤ 绘制轴的零件工作图。
10.2 轴的结构设计
1．轴结构设计的基本要求
图所示为轴各部分的名称，其中轴 颈是安装轴承的轴段；轴头是安装传动 件的轴段，如装齿轮和联轴器的部分； 轴身是连接轴颈和轴头的轴段；截面尺 寸变化的台阶处为轴肩；直径较大用于 定位的短轴段称为轴环。
3
dmin
9.55 10 P C 0.2[ ]n
6
3
P n
当最小直径处开有键槽时，考虑键 槽对轴强度的削弱，应将计算值增大并 圆整。 当轴径d＜100mm时，有一个键槽， 轴径增大3%～5%；有两个键槽，轴径 增大7%～10%。
此外，也可采用经验公式估算轴的 最小直径。 例如，一般减速器中高速级输入轴 的最小直径可按与其相连的电动机的直 径D估算，dmin = （0.8～1.2）D；各级低 速轴的最小直径可按同级齿轮中心距a估 算，dmin = （0.3～0.4）a。
轴各部分名称
通常轴结构设计的基本要求有以下几点。 ① 轴和轴上零件必须定位准确，固定可靠。 ② 轴上的零件应便于装拆和调整。 ③ 轴应具有良好的制造和装配工艺性。 ④ 轴的受力合理，轴的结构尽可能减少应力集 中、有利于节约材料和减轻重量等。
2．轴结构设计的基本方法
（1）轴上零件的装拆和调整
为了便于轴上零件的装拆，一般将 轴做成阶梯轴。 轴上零件的装配方向、顺序和相互 关系不同，轴的结构形式也不同。
3．转轴的强度校核
估算出转轴的最小直径，即可进行 轴的结构设计。 轴的结构设计完成后，轴上零件和 轴承位置、轴所受载荷的大小、方向及 其作用位置等就已确定，即可按弯扭合 成的强度条件校核转轴的强度。一般步 骤如下。
① 作出轴的空间受力图，将外载荷分解 为水平面和垂直面的分力，并求出水平 面支撑反力RH和垂直面的支撑反力RV。 ② 作出水平面弯矩MH图和垂直面弯矩 MV图。
砂轮越程槽
螺纹退刀槽
引导锥
5．提高轴强度的结构措施
在结构设计时可采用一些措施以提 高轴的强度和刚度。 （1）改进轴的结构，减小应力集中 （2）改善轴的受力情况，提高轴的疲劳 强度 （3）合理布置轴上的传动零件
减小应力集中的结构
起重机卷筒轴方案比较
零件的合理布置
9.3 轴的承载能力校核
轴的结构分析
1—轴端挡圈 2—V带轮 3—轴承盖 4—滚动轴承 5—套筒 6—平键 7—齿轮
（2）轴和轴上零件的定位及固定
为了保证轴的正常工作，轴在机器 中的位置应固定，零件在轴上也应该定 位准确、固定可靠。
① 零件在轴上的轴向固定。 轴向固定方法很多，选择时要考虑 零件在轴上的位置、轴向力的大小、具 体的安装条件等。
（1）按受载情况分类
① 心轴。 ② 传动轴。 ③ 转轴。
心轴
传动轴
（2）按轴线的形状分类
① 直轴。 ② 曲轴。 ③ 挠性软轴。
转轴
直轴
曲轴
钢丝软轴
钢丝软轴的结构
2．轴的常用材料
（1）碳素钢 （2）合金钢 （3）球墨铸铁
3．轴的设计要求和一般设计步骤
不同机械对轴的设计有不同要求。 对于一般机器中的轴，主要应满足 强度和结构的要求，具体要求如下。 ① 具有足够的承载能力。 ② 具有合理的结构形状。
1．轴的扭转强度计算
对于只传递转矩的传动轴，其承载 能力可通过扭转强度进行计算。 传动轴强度的校核公式为
T 9.55 106 P ≤ [ ] 3 WT 0.2d n
式中 P—轴传递的功率，单位为kW； n—轴的转速，单位为r/min； T—扭矩，单位为N· mm； d—轴的直径，单位为mm；
2 2 M MH MV ③ 计算合成弯矩： ，并绘制 合成弯矩图。 ④ 作出转矩T图。 2 2 ⑤ 计算当量弯矩 M e M T 。
⑥ 计算危险截面的轴径。当量弯矩Me已 知后，可针对某些剖面作强度校核或计 算危险剖面的轴径进行校核，即
或
Me e W M 2 ( T )2 0.1d
常用材料的[ ]值和C值 轴的材 料 []/MPa C Q235.20 12～20 160～135 35 20～30 135～118 45 30～40 118～107 40Cr， 35SiMn 40～52 107～98
2．转轴的最小直径估算
对于既受弯矩又传递转矩的转轴，可 用来估算轴的最小直径。即
—轴的扭转切应力，单位为MPa； [ ]—材料的许用切应力，单位为MPa。
d 3 WT —轴的抗扭截面系数，对圆截面轴： WT 0.2d 3； 16
可得传动轴直径的设计公式
3
d≥
9.55 10 P C 0.2[ ]n
6
3
P n
常用材料的[ ]值、C值的大小与材 料和受载情况有关，见表。