机械设计基础 第2版 学习情境十三 轴的结构与承载能力设计

➢ 各轴段直径和长度的确定方法：
1）各轴段所需的直径与轴上载荷的大小有关。
2）初步设计时，可按轴所受的转矩初步估算轴所需的最小直径。
3）按装配方案和定位要求，从最小直径处起逐采用标准直径及所选配合的公差。
5）为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面 的擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。
1）根据工作要求选择轴的材料和热处理方式。 2）按扭转强度条件或与同类机器类比，初步确定轴的最小直径。 3）考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等条件，进行轴的结构 设计，画出草图，确定轴的几何尺寸，得到轴的跨距和力的作用点。 4）根据结构尺寸和工作要求，进行承载能力计算。如不满足，则 修改初定的最小轴径，重复3）、4）步骤，直到满足设计要求。
转动心轴
问：自行车的前轮轴属于什么类型？ 固定心轴
自行车前轮轴
➢按轴线的几何形状分类
可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。
光轴 直轴
阶梯轴
曲轴
挠性钢丝轴
二、轴的材料
轴的材料种类很多，常用材料有：
1）碳素钢：对较重要或传递载荷较大的轴，30、35、45、50优质 碳素结构钢等，45钢应用最广。
对一般不重要或传递载荷较小的轴, 可用Q235、Q275 等普通碳素结构钢。 2）合金钢：对于用于在高温、高速和重载条件下、结构紧凑、质 量小等使用要求的轴，20Cr、20CrMnTi、35CrMo、 38CrMoAl等。 3）球墨铸铁：价廉、吸振性好、耐磨、容易制成形状复杂的轴(如 曲轴), 如QT600-3。
6．弹性挡圈定位
➢结构紧凑、简单、装拆方便； ➢但受力较小，可靠性较差； ➢常用于固定滚动轴承和滑移齿轮的限位。
7．紧定螺钉定位
➢受力较小，可靠性较差； ➢多用于轴向力不大与速度不高的场合。
五、轴上零件的周向定位
目的：使零件能同轴一起转动，传递转矩。 1.平键联接
➢平键工作时，靠其两侧面传递转矩； ➢键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙； ➢平键定心性较好，装拆方便； ➢可用于较高精度、较高转速及受冲击或交变载荷作用的场合。
思考1：1、2、3、4、5分别指什么零件？ 思考2：轴上零件的拆装顺序？
减速器的输出轴
2.轴的结构组成（轴上各轴段的命名）
轴肩 轴环
轴颈 轴身 轴头
轴颈 轴身
轴头
三、轴的结构设计要求和尺寸确定方法
➢ 轴的结构设计应满足的要求：
1）轴和装在轴上的零件要有准确工作位置，定位准确可靠。 2）轴上的零件应便于装拆和调整。 3）轴的加工、热处理、装配、检验、维修等都应具有良好的 制造工艺性。 4）尽量减少应力集中现象等。 5）对轴与其他零件（如滑动轴承、移动齿轮）间有相对滑动 的表面应有耐磨性要求。 6）对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。
学习情境十三
轴的结构与承载能力设计
能力目标
➢能够正确识别轴的类型及选择合适的材料 。 ➢能够根据实际情况对轴上零件选择合理的轴向与周向 定位方法 。 ➢能够对轴的结构及承载能力进行正确设计 。
学习内容
◆13.1 轴的类型及材料 ◆13.2 轴的结构设计 ◆13.3 轴的承载能力设计 ◆13.4 轴的设计实例
6）为了使与轴过盈配合的零件易于装配，相配轴段的压入端应制出锥 度或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。
7）为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段 长度一般应比轮毂长度短2~3mm。
8）如果轴端开键槽或车螺纹，则计算所得直径应适当加大，开一个键 槽，轴径加大3%～5%；开两个键槽，轴径加大7%左右，然后将轴端直 径圆整成标准值，成为标准轴径 。
轴常用的金属材料及力学性能见教材表13-1。
13.2 轴的结构设计
一、轴的设计内容及步骤
➢设计内容
1、轴的结构设计—根据工作条件，考虑轴上零件的安装、定位 以及轴的制造工艺等方面要求，确定轴的合理外形，各段轴 径和长度以及全部结构尺寸。
2、承载能力设计—指轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。
➢轴的设计步骤
3．轴端挡圈定位
➢工作可靠，能够承受较大的轴向力； ➢需要采用止动垫片等防松措施； ➢只用于轴端零件轴向定位。
4．圆锥面定位
➢常用于圆锥轴端零件轴向定位； ➢需与轴端挡圈联合使用； ➢兼作周向定位，装拆方便； ➢适用于高速、冲击以及对中性要求较高的场合。
5．圆螺母定位
➢固定可靠，可以承受较大的轴向力； ➢能实现轴上零件的间隙调整； ➢为了防松，需加止动垫圈或者使用双螺母； ➢多用于固定装在轴端的零件。
2.花键联接
➢比平键联接有更高的承载能力； ➢定心精度高、导向性好； ➢适用于载荷较大或变载及定心要求较高的场合。
3.销联接
➢主要用来固定零件的相互位置； ➢常用的有圆柱销和圆锥销； ➢可用于受力不大的场合，可做安全销使用。
案例导入
轴在减速器上的应用实例
13.1 轴的类型及材料 一、轴的类型
➢按轴受载情况分类
轴可分为转轴、传动轴和心轴三类。 转轴：既传递转矩又承 受弯矩
齿轮轴
传动轴：以传递转矩为主，不受弯矩或承受很小弯矩的轴。 如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
汽车的传动轴
心轴：只承受弯矩，不传递转矩。 转动心轴：轴转动 固定心轴：轴固定 问：火车轮轴属于什么类型？
四、轴上零件的轴向定位
目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。
1．轴肩或轴环定位
为使零件靠紧定位面和定位可靠 r<C或r<R
h=(0.07~0.1)d或h=(2~3)C b=1.4h
轴肩定位简单可靠，可承受较大的轴向力。
2．套筒定位
为使套筒靠紧定位面及定位可靠 ➢套筒定位可简化轴的结构； l一般比B短2~3mm ➢结构简单、定位可靠； ➢由于套筒与轴之间存在间隙，不宜在高速情况下使用； ➢多用于轴上零件间距离较小的场合。
注意：轴设计的结构具有多样性。
二、轴的结构
1. 轴的结构主要取决因素:
➢ 轴在机器中的安装位置及形式; ➢ 轴上安装零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法; ➢ 载荷的性质、大小、方向及分布情况; ➢ 轴的加工工艺等。
影响轴的结构的因素较多, 其结构可随具体情况的不同 而异，可拟订几种不同的装配方案，以便进行比较与选择。