轴的结构设计.1
机械设计-轴
第十三章 轴 轴设计的基本要求： 1、轴与轴上零件要有准确的相对位置,轴向、 周向定位可靠；
17
2、轴的加工、装配有良好的工艺性； 3、受力合理,轴结构有利于提高轴的强度和刚 度、减少应力集中；
第十三章 轴
18
一、轴上零件的轴向定位和固定
零件轴向定位的方式常取决于轴向力的大小
h h h
1.轴肩和轴环 要求： r＜C＜h r＜R＜h h=(0.07～0.1)d b=1.4h
第十三章 轴
34
四、阶梯轴的结构设计实例分析
F
等强度 1、拟定轴上零件装配方案 轴颈：装轴承处
阶梯轴
尺寸= 轴承内径； 直径与轮毂内径相当；
组成 轴头：装轮毂处
轴身：联接轴颈和轴头部分。
第十三章 轴
35
第十三章 轴
36
装配方案的比较：
第十三章 轴
37
例题：指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘 出改进后的结构图。 1.轴两端均未倒角；
3
Fa Ft tg 1960 tg12o 417N
d 118 3 4 / 130 36.78mm
考虑到联轴器的影响以及联轴器孔径系 列标准，取d=38mm
第十三章 轴 3. 齿轮上作用力的计算
50
T 9.55 106 4 / 130 294 103 Nmm
Ft 2T / d 2 29410 / 300 1960N
2.齿轮右侧未作轴向固定； 3.齿轮处键槽太短； 5.左轴承无法拆卸； 6.齿轮与右轴承装卸不便； 7.轴端挡圈未直接压在轴 端轮毂上。
4.键槽应开在同一条直线上；
第十三章 轴 轴系结构改错
38
四处错误
轴的结构设计,轴的强度计算,轴的刚度计算
详见 P311 图16.3
16.2 轴的结构设计
轴肩处
r C或R 定位轴肩h 3 ~ 5mm，但 C或R 采用套筒、轴端挡圈、 圆螺母处： l轴 B轮
➢ 轴肩由定位面和内圆角组成
b
D h
d D
h C d
k、k 弯矩和转矩作用的有效 应力集中系数 (见附录表1、2， 配合零件的综合影响系 数见附录表3)
16.3 轴的强度计算
a、 a
a
a弯bb 曲和((扭bb 转WMWM应)力) 幅，
MPa；
b b
m、 m 弯曲和扭转平均应力， MPa；
m 0
m
2
表面状态系数（附录表 4及5）；
bmax b
16.2 轴的结构设计
2.轴上零件的周向固定 常用的周向固定方法有键、花键、成形、弹性环、销和过
盈配合等联接。
配合处＋键可传递较大T 配合处设置大倒角 装方便（对中性 ）
16.3 轴的强度计算
设计思路： (1)类比定结构 必要校核计算 (2)强度计算为依据 逐步结构细化（设计， 节约材料） 轴的强度计算主要由三种方法（据轴受载及对安全要求） （1）按许用切应力计算 （2）许用弯曲应力计算； （3）安全系数校核计算。 16.3.1 按许用切应力计算 1.应用（仅与T有关） (1)传动轴计算（主要T） (2)需初步结构化的转轴（只知T）
现在，又开发了一种可更换式主轴 系统， 具有一 机两用 的功效 ，用户 根据不 同的加 工对象 选择使 用，即 电主轴 和镗杆 可相互 更换使 用。这 种结构 兼顾了 两种结 构的不 足，还 大大降 低了成 本。是 当今卧 式镗铣 床的一 大创举 。电主 轴的优 点在于 高速切 削和快 速进给 ，大大 提高了 机床的 精度和 效率。
轴设计
轴设计主要内容1、轴的结构设计：影响轴结构的因素；轴的台阶化设计；轴的设计步骤。
2、轴的强度与刚度计算：轴上载荷及应力分析；轴的强度计算、刚度计算等。
基本要求1、了解轴的功用、类型、特点及应用。
2、掌握轴的结构设计方法。
3、掌握轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算、按弯扭合成强度计算、按疲劳强度进行安全系数校核计算。
重点难点1、轴的结构设计，强度计算。
2、转轴设计程序问题。
3、弯扭合成强度计算中的应力校正系数 。
§7-1 轴概述一、轴的功能和分类轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是支持作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，并传递运动和动力。
1、按受载情况分根据轴的受载情况的不同轴可分为转轴、传动轴和心轴三类。
转轴：既受弯矩又受转矩的轴；传动轴：主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴；心轴：只受弯矩而不受转矩的轴；根据轴工作时是否转动，心轴又可分为转动心轴和固定心轴。
转动心轴：工作时轴承受弯矩，且轴转动固定心轴：工作时轴承受弯矩，且轴固定2、按轴线形状分根据轴线形状的不同轴又可分为曲轴、直轴和钢丝软轴。
图7-2 曲轴曲轴：各轴段轴线不在同一直线上，主要用于有往复式运动的机械中，如内燃机中的曲轴(图7-2)。
图7-3 直轴直轴：各轴段轴线为同一直线。
直轴按外形不同又可分为：光轴：形状简单，应力集中少，易加工，但轴上零件不易装配和定位。
常用于心轴和传动轴(图7-3左)。
阶梯轴：特点与光轴相反，常用于转轴(图7-3右)。
图7-4 钢丝软轴钢丝软轴：由多组钢丝分层卷绕而成，具有良好挠性，可将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。
二、轴的材料及选择轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：1、轴的强度、刚度及耐磨性要求；2、轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3、轴的材料来源和经济性等。
轴的常用材料是碳钢和合金钢。
碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。
轴
轴11．1 内容提要本章主要内容包括：1．轴的功用、类型、特点及应用，轴的常用材料；2．轴的结构设计及轴的设计步骤；3．轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算；按弯矩、转矩合成强度计算；按疲劳强度进行安全系数校核计算；4．轴的按静强度计算安全系数的方法，轴的刚度计算、振动计算方法。
本章重点内容是轴的结构设计和强度计算，其中结构设计是本章的难点。
11．2 要点分析1．轴的结构设计轴的结构设计，目的就是要确定轴的各段直径d和各段长度l。
确定直径d时，应先根据转矩初算出受转矩段的最小直径，再逐渐放大推出各段直径；各段长度l需根据轴上零件的尺寸及安装要求情况来确定。
轴没有固定的标准结构，设计时应保证：轴和轴上零件有准确的周向和轴向定位及可靠固定；轴上零件便于装拆和调整；轴具有良好的结构工艺性；轴的结构有利于提高其强度和刚度，尤其是减少应力集中。
进行轴的结构设计时，要注意几个具体问题：（以单级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴力例）（1）各段配合直径d应符合标准尺寸（GB2822－81），而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径（如图1⒈1中轴的①、②、③、⑦段），应符合标准件的内径系列。
（2）注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的（如图11－l中轴的①～②段、④～⑤段、⑥～⑦段），这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度h＝（2～3）C或R（C、R分别为零件倒角和圆角半径尺寸）。
另一种台阶是为了装配容易通过（如图1⒈1中轴的②～③、③～④段），这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差1～3mm 即可。
（3）与轴上零件（如肯轮）相配合的轴段长度l，要比轴上零件的宽度尺寸B短2～3mm （见图11-1），这样才能把轴上零件固定住。
（4）轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角C或圆角半径尺小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。
（5）为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。
轴的结构设计
机械设计基础
Machine Design Foundation
轴的结构设计
4 轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指所轴的结构形式应便于加工和
装配轴上的零件，并且生产率高，成本低。为了使轴的 工艺性好，轴的结构设计应注意以下几个问题。
(1) 为便于零件的装拆，轴端应有45°的倒角,零件装 拆时所经过的各段轴径都要小于零件的孔径；
(2) 轴肩或轴环定位时，其高度必须小于轴承内圈端 部的厚度； (3) 用套筒、圆螺母、轴端挡圈作轴向定位时，一般 装配零件的轴头长度应比零件的轮毂长度短2～3mm， 以确保套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面;
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轴的结构设计
(4) 轴上的圆角、倒角和退刀槽应尽可能取相同尺寸， 以减少刀具数量和换刀时间。为了减少轴的装夹次数， 轴上有两个以上键槽时，应尽可能布置在同一条母线上; (5) 轴上磨削的轴段和车制螺纹的轴段，应分别留有螺 纹退刀槽和砂轮越程槽;且后轴段的直径小于轴颈处的 直径，来减少应力集中，提高疲劳强度; (6) 装配段不宜太长。
机械设计基础
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轴的结构设计
2) 轴段长度的确定 (1) 在安装齿轮时为了使齿轮固定可靠，应使齿轮轮毂 宽度大于与之相配合的轴段长度，一般两者的差取2～ 3 mm。 (2) 装滚动轴承处的轴长，查手册按轴承宽度来确定。 (3) 轴上回转零件与其他零件之间的轴向距离推荐：两 回转件间的距离取10～20 mm；回转件与内壁之距离取 10～20 mm；轴承端面至箱体内壁之距离为当减速器齿轮 圆周速度v＞2 m/s时，轴承采用油液飞溅润滑，取5～ 10 mm；当减速器齿轮圆周速度v＜2 m/s时，轴承采用油 脂润滑，还需加挡油环，防止油脂被稀释，取10～15mm； 外伸件距箱体轴承盖的距离，考虑应留有螺钉装拆及扳 手空间位置，取20～35mm。
轴结构的设计步骤
轴结构的设计步骤轴的结构设计须在经过初步强度计算，已知轴的最小直径以及轴上零件尺寸（主要是毂孔直径及宽度）后才进行。
其主要步骤为：1．确定轴上零件装配方案：轴的结构与轴上零件的位置及从轴的哪一端装配有关。
2．确认轴上零件定位方式：根据具体内容工作情况，对轴上零件的轴向和周向的定位方式展开挑选。
轴向定位通常就是轴肩或轴环与套筒、螺母、挡圈等女团采用，周向定位多使用平键、花键或过盈协调连结。
3．确定各轴段直径：轴的结构设计是在初步估算轴径的基础上进行的，为了零件在轴上定位的需要，通常轴设计为阶梯轴。
根据作用的不同，轴的轴肩可分为定位轴肩和工艺轴肩（为装配方便而设），定位轴肩的高度值有一定的要求；工艺轴肩的高度值则较小，无特别要求。
所以直径的确定是在强度计算基础上，根据轴向定位的要求，定出各轴段的最终直径。
4．确认各轴段长度：主要根据轴上协调零件毂孔长度、边线、轴承宽度、轴承斜槽的厚度等因素确认。
5．确定轴的结构细节：如倒角尺寸、过渡圆角半径、退刀槽尺寸、轴端螺纹孔尺寸；选择键槽尺寸等6．确认轴的加工精度、尺寸公差、形位公差、协调、表面粗糙度及技术建议：轴的精度根据协调建议和加工可能性而的定。
精度越高，成本越高。
通用型机器中轴的精度多为it5～it7。
轴应当根据加装建议，厘定合理的形位公差，主要存有：协调轴段的直径相对于轴颈（基准）的同轴度及它的圆度、圆柱度；定位轴肩的垂直度；键槽相对于轴心线的平行度和等距度等。
7．画出轴的工作图：轴的结构设计常与轴的强度计算和刚度计算、轴承及联轴器尺寸的选择计算、键联结强度校核计算等交叉进行，反复修改，最后确定最佳结构方案，画出轴的结构图。
轴的结构设计须在经过初步强度排序，未知轴的最轻直径以及轴上零件尺寸（主要就是毂孔直径及宽度）后才展开。
其主要步骤为：1．确定轴上零件装配方案：轴的结构与轴上零件的位置及从轴的哪一端装配有关。
2．确认轴上零件定位方式：根据具体内容工作情况，对轴上零件的轴向和周向的定位方式展开挑选。
轴的结构设计
轴的结构设计
• 1.2 轴的结构设计
轴的结构设计就是确定轴的外型和全部结构尺寸。影响轴结构的因 素很多，设计时应对不同情况进行具体分析。对一般轴结构设计的基 本要求是：
1.便于轴上零件的装配
2.保证轴上零件的准确定位和可靠固定 3. 轴的加工和装配工艺性好 4.减少应力集中，改善轴的受力情况
轴的结构设计
• 1.2 轴的结构设计
1.便于轴上零件的装配 为便于轴上零件的装拆，将轴做成阶梯轴。对于剖分式箱体，轴的
直径由中间向两端逐渐变小。如图1-9所示，首先将平键装在轴上，再 从左端依次装入齿轮、套筒、左端轴承，从右端装入右端轴承，然后 将轴置于箱体的轴承孔内，装上左、右轴承端盖，再从左端装入平键、 带轮。
采用定位套筒代替圆螺母和弹性挡圈使零件轴向固定，可避免在轴上 制出螺纹、环形槽等，能有效地提高轴的疲劳强度。
轴的表面质量对轴的疲劳强度影响很大。因轴工作时，最大应力发生 在轴的表面处，另一方面，由于加工等原因，轴表面易产生微小裂纹， 引起应力集中，因此轴的破坏常从表面开始。减小轴的表面粗糙度，或 采用渗碳，高频淬火等方式进行表面强化处理，均可以显著提高轴的疲 劳强度。
②套筒和圆螺母 当轴上零件距离较近时用套筒作相对固定,可简化轴 的结构，减少轴径的变化，减少轴的应力集中，如图1-9所示。
当套筒太长时，可采用圆螺母作轴向固定。此时须在轴上加工螺纹， 将会引起较大的应力集中，轴段横截面面积减小，影响轴的疲劳寿命， 如图1-11所示。
轴的结构设计
图1-10 轴肩
图1-11 圆螺母定位
d=（0.8~1.2）D； 各级低速轴段直径可按同级齿轮的中心距a估算，
d=（0.3~0.4）a。
轴的结构设计
轴的结构设计
各轴段直径和长度的确定
1. 直径的确定原则 1）估算的轴径作为轴上最细处的直径。 2）与标准件配合的轴径应根据标准件的尺寸设计。 3） 定位轴肩的高度（半径差） h≈（0.07 ～ 0.1）d＋1～2mm 。 4） 滚动轴承的定位轴肩，应小于轴承内圈的厚度。 5）为便于零件的装拆而设计的非定位轴肩高度（半径差）h ≈ 1～2mm。 2. 长度的确定原则 1） 轴头的长度应比轮毂的宽度小2～3mm ，以保证固定可靠。 2） 轴颈的长度一般等于轴承的宽度。
轴的结构设计
例如：轴的径向尺寸确定
轴的结构设计
轴的轴向尺寸确定
1.箱体内壁位置的确定
H=10~15mmBiblioteka A=b+2HA应圆整
2.轴承座端面位置的确定
C=δ+C1+C2+( 5~10)mm δ--箱体壁厚
C1、C2--螺栓 扳手空间
B=A+2C B应圆整
3.轴承在轴承座孔中位置的确定
Δ 值尽量小
减小支点距离
油润滑时 Δ= (3~8)mm
脂润滑时 Δ= (10~15)mm
4.轴的外伸长度的确定
(1)当轴端安装弹性
套柱销联轴器时
(2)当使用凸缘式轴
(3)当轴承盖与轴端
承盖时 K值由连接 螺栓长 度确定
K值由联轴器的型 号确定
零件都不需拆卸时, 一般取 K=5mm~8mm
机械设计第八章 轴 课后习题答案
第八章 轴及轴毂联接8-1 答：Ⅰ轴为传动轴，Ⅱ轴、Ⅲ轴、Ⅳ轴为转轴，Ⅴ轴为心轴。
8-2 答：见表8-2。
8-3 答： 由左到右：1）键槽位置错误，2）动静件之间应有间隙，3）轴承盖处应设密封装置，4）应有调整垫片，5）轴承内圈定位过高，6）与轮毂相配的轴段长度应短于轮毂长度，7）轴段过长，不利于轴承安装，应设计为阶梯轴，8）轴承内圈无定位。
改进后输出轴的结构如题8-3解图：题8-3解图8-4 解：1．作计算简图并求轴的支反力（图b ）水平面的支反力垂直面的支反力2．计算弯矩并作弯矩图（图c ）水平面弯矩图M H =R AH ×178=2124×178N·mm =378N·m垂直面弯矩图M V1=R A V ×178=－190×178N·mm=－33800N·mmM V2=R BV ×72=2910×72N·mm=210000N·mm合成弯矩图（图d ） 3．计算转矩并作转矩图(图e)T =F t d/2=7375×400/2=1475000N·mm计算截面C 的当量弯矩mmN 963133mm N )1475000(0.6380000)(22221d1⋅=⋅⨯+=+=T αM M N 901N 250272720/2004217125072/2r a AV=⨯-⨯=⋅-⋅=F d F R mmN 380000mm N 37800033800222H 2v11⋅=⋅+=+=M M M mm N 320004mm N 378000210000222H 2v22⋅=⋅+=+=M M M N 1242N 25027375725072t AH =⨯=⨯=F R N 5251N 2501783757250178t BH =⨯=⨯=F R N 2910N 2501782720/20042171250178/2r a BV =⨯+⨯=⋅+⋅=F d F RM d2=M 2=432000N·mm按弯扭合成应力校核轴的强度根据轴的材料为45钢，调质处理，由表8-2查得[σ－1]=60MPa 。
《轴的结构设计》课件
根据轴的用途和受力情况，确定轴的直径和长度 考虑轴的强度、刚度和耐磨性等因素，选择合适的材料和热处理工艺 计算轴的临界转速，避免共振现象 设计轴的键槽、螺纹等结构，保证轴的装配和拆卸方便
轴肩固定：轴肩与轴承外圈配合，轴肩与轴承内圈配合 轴套固定：轴套与轴承外圈配合，轴套与轴承内圈配合 轴肩轴套固定：轴肩与轴承外圈配合，轴套与轴承内圈配合 轴肩轴套轴端固定：轴肩与轴承外圈配合，轴套与轴承内圈配合，轴端与轴承外圈配合
,
汇报人：
01
02
03
04
05
06
轴头：轴的端部，用于安装轴承或 其他零件
轴肩：轴颈与轴头之间的过渡部分， 用于固定轴承
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
轴颈：轴的圆柱形部分，用于支撑 和传递扭矩
轴端：轴的末端，用于安装其他零 件或连接其他部件
轴身是轴的主要组 成部分，通常由钢、 铝或其他金属材料 制成
汇报人：
确定轴承的类型： 球轴承、滚子轴承、 滑动轴承等
确定轴承的尺寸： 根据轴的直径和长 度选择合适的轴承 尺寸
确定轴承的数量： 根据轴的载荷和转 速选择合适的轴承 数量
确定轴承的安装方 式：轴向固定、径 向固定、轴向和径 向固定等
固定端：轴的一 端固定在支撑件 上，提供轴的稳
定性和刚度
游动端：轴的另 一端可以自由移 动，提供轴的灵
材料特性：高强 度、高硬度、耐 磨损、耐腐蚀
应用领域：广泛应 用于机械、汽车、 航空、航天等领域
热处理：淬火、 回火、正火等热 处理工艺
合金元素：铬、镍、 钼、钒等元素，提 高材料的性能和稳 定性
轴系结构设计PPT.
疲劳强度校核 刚度验算（如机床主轴）
机械设计 第七章 轴系结构设计
12
3. 振动折断 4. 塑性变形
高速轴，自振频率与轴转速接近
短期尖峰载荷
验算屈服强度
设计的主要问题： 今天我们学习了止血的方法请同学们要牢记。但是，我们要避免日常生活中的出现流血事情的发生，课间活动要有秩序，使用锋利的
工具要小心，遇到危险的场面要避开。一旦发生流血事件要冷静，采取正确的方法止血，千万不要忘记上医院治疗。 小提示70：对定期使用的测试要不断更新。
机械设计 第七章 轴系结构设计
16
机械设计 第七章 轴系结构设计
17
装配方案的比较：
机械设计 第七章 轴系结构设计
18
2. 零件在轴上的固定 （1）轴向固定
滚动轴承
齿轮
套筒
轴承端盖
半联轴器
轴端挡圈
Ⅰ Ⅰ
R r
h h
Ⅱ
Ⅲ
Ⅱ
b
r
C
Ⅲ
2-3mm
机械设计 第七章 轴系结构设计
19
机械设计 第七章 轴系结构设计
机械设计 第七章 轴系结构设计
11
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。
问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？
3. 合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制。 常用于凸轮轴、曲轴。
四. 轴设计的主要问题 失效形式：1. 疲劳破坏 2. 变形过大
8
2. 按轴线形状分
直轴
光轴 阶梯轴
又可分为实心、空心（加工困难）
曲轴：发动机专用零件
机械设计 第七章 轴系结构设计
轴结构设计的基本要求
轴结构设计的基本要求
轴结构设计是指在机械设备中，对于轴的使用和设计方法的总称。
对于轴的结构设计，有以下几个基本要求。
1.强度要求：轴的强度是设计的一个重要方面，需要考虑到承受
的载荷和力矩等因素，才能确定合适的材料和尺寸。
2.刚度要求：轴的刚度直接影响到机械设备的工作性能，刚度越大，失配的可能性就越小，精度也越高。
3.稳定性要求：轴的稳定性就是指轴能够承受震动、突然负载等
外界因素的影响，不会发生任何的变形或破裂现象。
4.平衡要求：轴在使用过程中，如果出现了不平衡现象，就会使
得机械设备的工作出现问题。
因此，设计时需要考虑轴的平衡性。
5.装配配合要求：轴与相邻零件的配合是设计的重要方面，使得
机械设备能够保持稳定和精确的运行。
6.可靠性要求：轴结构设计需要考虑到耐久性、使用寿命、维护
保养等诸多方面，以最大程度地保证设备的可靠性和持久性。
综上所述，轴结构设计的基本要求是强度、刚度、稳定性、平衡、装配配合和可靠性。
只有在满足这些基本要求的基础上，才能有效地
提高机械设备的工作性能。
轴的结构设计教案
轴的结构设计教案一、教学目标：1.了解轴的结构和功能。
2.掌握轴的设计原则和方法。
3.能够应用所学知识进行轴的结构设计。
二、教学内容：1.轴的基本概念和分类。
2.轴的结构设计原则和方法。
3.轴的实际设计案例。
4.轴的模拟仿真和优化设计。
三、教学过程：一、轴的基本概念和分类（20分钟）1.引入轴的基本概念和分类。
轴是一种常见的机械零部件，是用于支承、传动或连接其他部件的旋转零件。
根据不同的用途和形状，轴可分为直轴、芯轴、动力轴、中性轴等。
2.介绍轴的结构和功能。
轴的结构包括轴身、端面、轴孔、轴键等。
轴的功能是支撑和传递力矩，保持各部件的相对位置和相互的运动配合。
二、轴的结构设计原则和方法（30分钟）1.讲解轴的结构设计原则。
2.介绍轴的结构设计方法。
三、轴的实际设计案例（30分钟）1.列举一些典型的轴的设计案例。
例如：汽车发动机曲轴、电机转轴、车床主轴等。
2.分析实际设计案例中的问题和解决方法。
例如：曲轴的强度和刚度问题、转轴的平衡和配合问题、主轴的动态平衡和热平衡问题。
四、轴的模拟仿真和优化设计（40分钟）1.介绍轴的模拟仿真方法。
轴的模拟仿真是通过计算机辅助设计软件，实现对轴的结构和性能进行分析和优化。
2.进行轴的模拟仿真实践。
通过实际案例，指导学生使用专业软件进行轴的模拟仿真，优化轴的结构和性能。
四、教学总结和展望（10分钟）1.总结本节课的重点内容和要点。
2.展望下一节课的教学内容和任务。
四、教学方法：1.讲述法：通过讲解轴的概念、原则和方法，使学生理解轴的结构设计的基本知识。
2.案例分析法：通过分析实际设计案例，引导学生运用轴的结构设计原则和方法，解决实际问题。
3.实践操作法：通过轴的模拟仿真实践，让学生运用所学知识进行实际操作和优化设计。
五、教学资源：1.教材：轴的结构设计教材。
2.软件：轴的模拟仿真和优化设计软件。
六、教学评价：1.课堂表现评价：根据学生的参与程度、课堂提问和解答情况进行评价。
01 轴 结构分析
轴系组装仿真－斜齿轮轴系
24
轴的结构设计－轴上零件的定位和固定
为了保证轴上零件在轴上有准确可靠的工作位置，进行轴
的结构设计时，必须考虑轴上零件的轴向定位和周向定位。
轴上零件的轴向定位及固定。轴 肩、轴环、弹性挡圈、套筒、圆螺 母和止动垫圈、螺钉锁紧挡圈以及 圆锥面和轴端挡圈等。
轴上零件的周向固定。轴上零件 常用的周向固定方法有：键、花键、 销、弹性环、过盈配合及成形联接 等。其中，以键和花键连接应用最 广。在传力不大时，也可用紧定螺 钉做 周向固定。
r R或C
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轴的结构设计－轴的结构工艺
轴的结构应便于加工和轴上零件的装拆； 同一根轴上有两个键槽时,键槽应开在同一条母线上,且键 槽的尺寸也应尽可能一致； 同一根轴上的圆角应尽可能取相同半径； 当轴需要磨削或切制螺纹时,应设有砂轮越程槽或退刀槽, 尺寸取相同标准值,轴上倒角的尺寸也应取相同值； 为了便于轴上零件装拆,轴应设计成阶梯形,且轴端应加工 出45°(或30 °或 60 °)倒角；
球墨铸铁：适用于形状复杂的轴（如曲轴、凸轮轴等）。具有价廉、吸振 性好、对应力集中敏感性低、强度较好的优点，但铸造质量不易于保证。
轴的材料及选用
钢材的种类和热处理对其弹性模量的 影响甚小。
热处理 合轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？
轴的材料及选用
轴的常用材料主要力学性能及适用机器
6
曲轴
应用：主要应用于作往复运动的机械中，如各类发动机中。
7
钢丝挠轴
特点：可以把回转运动灵活地传动到任何位置。
应用：用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用，如用 于振捣器等设备中。
接头 动力源
钢丝软轴
被驱动装置
接头
轴的结构设计
轴的设计1.轴的功用1）支撑回转零件2）传递运动和转矩。
2.轴设计时要解决的问题1）结构问题，确定轴的形状和尺寸；2）强度问题，防止轴发生疲劳断裂；3）刚度问题，防止轴发生过大的弹性变形；4）振动稳定性问题，防止轴发生共振。
3.轴结构应满足的要求1）加工工艺性好；2）便于轴上零件装拆；3）轴上零件要有准确的定位；4）轴上零件要有可靠的固定。
4.轴上零件的轴向定位和固定1）轴肩或轴环定位轴肩：h＝(0.07~0.1)d＞R或C；非定位轴肩：h＝1～2 mm，作用是便于轴上零件的装拆；轴环宽度一般取：b =1.4 h；滚动轴承的定位轴肩或轴环高度－查标准；2）套筒对轴上零件起固定作用，常用于近距离的两个零件间的固定。
3）圆螺母用于轴上两零件距离较远时，或轴端。
需切制螺纹，削弱了轴的强度。
4）弹性挡圈需切环槽，削弱了轴的强度。
承受不大的轴向力。
5）轴端挡圈用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。
常配合锥面使用。
5.轴上零件的周向固定防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。
常用的周向固定方法：平键、花键、紧定螺钉。
6.轴的强度计算1）按扭转强度计算式中，系数C 与轴的材料和承载情况有关，查表。
弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C 取小值；弯矩较大时，C 取大值；扭转强度公式一般用来初算轴的直径，计算出的d 作为受扭段的最小直径d min；若该轴段有一个键槽，d 值增大5% ，有两个键槽，增大10%。
2）按弯扭合成强度计算由于σb 与τ的循环特征可能不同，需引进校正系数α将τ折合成对称循环变应力。
式中，M e为当量弯矩。
7.轴的设计步骤1）根据功率P 和转速n ，用扭转强度公式初算受扭段的最小直径d min；2）根据初算轴径，进行轴的结构设计；3）按弯扭合成强度校核轴的危险截面（N则返回步骤2）；4）将d min 圆整成标准直径。
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2、轴上零件的周向定位
• 1）键联接（包括普通键联接和花键联接）
（实物展示）
•
2）过盈配合
3、轴的结构工艺性
• 主要考虑的问题： • 1）轴的形状应力求简单、阶梯数尽 • 可能的少（减少加工次数以及应力集中） • 2）为了便于轴上零件的装配，轴端应 • 加工出45（或35、60）倒角，与零件过
• • • • • • • • • •
3）轴的结构工艺性 （1） 为了便于装配，轴端应加工倒角； （2）在不同轴段开设键槽时，应在同一母线 布置； （3）轴上某一段需要车削螺纹时，须留出 螺纹退刀槽； （4）轴段进行磨削加工时需要留出砂轮越程槽； （5）同一轴段直径相近处的圆角、倒角、键槽等 尺寸应尽量相同，减少刀具数量、节约换刀 时间
§14-3 轴的结构设计
轴端挡圈 带轮 轴承盖 套筒 齿轮
滚动轴承
典型 轴系 结构
一、提出问题
• 1、轴的设计任务是什么？ • 使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。（怎样理解？） • 2、轴的设计要求有哪些？ • 1）轴应便于制造，轴上零件要易于 • 装 拆；（制造安装） • 2）轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位) • （有哪些定位方法？） • 3）各零件要牢固而可靠地相对固定； (固定) • 4）改善应力状况，减小应力集中（有什么可行措施？）
2）各段轴的长度确定
• ① 主要根据安装零件与轴配合部分的 • 轴向尺寸（或者考虑安装零件的位移 • 以及留有间隙）来确定。(举例轴安装齿轮部位） • ②确定各段长度应充分保证轴上零件轴 • 向定位可靠 • ③与齿轮、联轴器等相配合部分的轴长， • 一般比轮毂的长度短2-3mm.
轴的设计有哪些要求：
（五）作业布置 (1min) p208 第三大题 第一小题
（六）参考资料
• 1、《机械设计基础》 中国机械工业教育 • 协会 柴鹏飞主编 • 2、全国中等职业技术学校机械类专业通用 • 教材《机械基础》第三版习题册
END
•
谢 谢 大 家！
二、解决问题
轴的设计任务： • 1、轴的结构形式 • 轴的结构形式取决于轴上零件的装配方案；为了
便于零件拆装，常常做成阶梯轴，如图：
• 在满足使用要求情况下，应尺寸、形状力求简单，
便于加工。
2、轴段的直径和长度确定
• 1）各轴段直径确定 • 由于初期设计，轴承及轴上零件位置均不确定， • • • •
• 1、轴上零件的轴向定位与固定 • 1）轴肩或轴环定位 （实物举例） • 要保证轴的过渡圆角半径r小于相配零件 • 的倒角尺寸c1或圆角半径r1; • 轴肩高度h必须大于c1或 r1，h=(2~3) r1 • 或c1，非定位轴肩h=1.5~2mm。 • 可承受较大的轴向力。
轴肩或轴环定位
轴承端盖
§12—2 轴的结构设计
• （一）组织教学（考勤） • （二）旧课复习 • 教师：1、按承受载荷不同，轴分为哪几种？ • 学生： 心轴、转轴、传动轴 • 教师：2、既承受弯矩又承受转矩的是哪种轴？ • 学生： 转轴 •
新课导入：
• 其实，轴在我们日常生活中非常重要，比
如：齿轮传动就是通过齿轮和轴连接起来， 传递运动和动力。这节课我们就来学习有 关轴的结构设计方面的知识内容。(2min) • 下面我们首先看一看轴在典型结构（譬如 减速器输出轴）中的应用
无法求出危险截面直径，采用估算法 ①按类比法初步估算直径 （经验法） 优点： 不需要进行强度计算，结果比较可靠，缩短设计 周期 缺点；存在一定的盲目性
②按扭曲强度初步估算轴的直径
• 只能初步估算轴的最小直径，应在全面设计
完全以后，再对轴进行全面受力分析及强度、 刚度计算（在下次课中介绍），初步估算的 直径，如果轴段有键槽，应把直径加大，单 键增大3%；双键增大7%，然后圆整到标准 直径。 （为什么？哪个同学能说说理由？）
4、提高轴的强度和刚度的措施
• 1）改善轴的受力状况 • 例如：当轴上有两处动力输出时， • 为了减小轴上的载荷，应将输入轮 • 布置在中间。
2）改善轴的结构，减少应力集中
3）改善轴的表面质量，提高轴的疲劳强度 • ①降低表面粗糙度（比如轴承部位） • ②进行轴的表面强化处理 • （如渗碳、渗氮、喷丸等）
•
盈配合时，轴的装入端常加工倒向圆锥面。
• 3）在不同轴段开设键槽时，键槽应在 • 同一母线布置；在同一轴段应对称布置。
• 4）轴上某一段需要车削螺纹时， • 须留出螺纹退刀槽 • 5）轴段进行磨削加工时需要留出 • 砂轮越程槽 • 6）同一轴段直径相近处的圆角、倒角、 • 键槽等尺寸应尽量相同， • 减少刀具数量、节约换刀时间。
三、举例应用
结构设计改错
（10min）
四、学生改错练习 （20min）
四、学生改错练习 （20min）
四、学生改错练习 （20min）
四、学生改错练习 （20min）
四、学生改错练习 （20min）
参考答案
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1、转动件与静止件接触 1）联轴器左端与右端之间不能接触，应改为 轴肩固定。 2）轴与右端轴承盖之间留有间隙，应改为 轴承盖孔径大于该处轴径，并加密封装置。 2、轴上零件定位及固定 1）齿轮、联轴器与轴之间要有键连接 2）齿轮右端套筒固定不可靠，齿轮轮宽应 大于该处配合段长度。 3）联轴器右端没有固定，应进行 轴端挡圈固定
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Hale Waihona Puke 调整垫片 返回轴环
2）套筒定位
3）圆螺母定位
承受较大的轴向力，但螺纹处有应力集中 无法采用套筒或套筒太长时，可用双圆螺母
4）轴端挡圈定位，
可承受较大的冲击和振动。 一般对装在轴端上的零件采用
5）轴承端盖定位
典型 轴系 结构
6）弹性挡圈定位
轴向力较小时，可采弹性挡圈
7）紧定螺钉定位 轴向力较小时
• 3、装拆 • 1）两套筒太厚，轴承内圈不能拆， • 改正将套筒厚度减少。 • 2）轴的左端面伸出去太长。 • 3）轴承盖与箱体之间应有调整垫片。 • 4、润滑 • 1）滚动轴承增加挡油环
（四）课堂小结 (5min)
• 1）轴向定位 • （1）轴肩或轴环定位 （2）套筒定位 • （3）圆螺母定位 （4）轴端挡圈定位 • （5）弹性挡圈定位 （6）紧定螺钉定位 • 2）周向定位 • （1）键联接 （2）过盈配合