机械设计第15章

3.圆螺母和 止动垫圈
正确
错误
错误
特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力 由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降
应用：常用于轴的中部和端部
4.轴端挡圈
特点：能承受较大的轴向力及冲击载荷，需采用放 松措施。 应用：常用于轴的端部的零件固定。
5.圆锥面
特点：能承受冲击载荷，装拆方便，但配合面加工 较困难。 应用：常用于轴的端部的零件固定。
二、轴的结构分析
轴颈：轴与轴承配 合的部分
轴头：安装回转零 件的部分
轴身：其它过渡部 分
三、轴上零件的轴向定位和周向定位：
与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆 角半径均应合理。 1）定位轴肩（图中II）的高度h一般取为：h=（0.07~0.1）d
三、轴上零件的轴向定位和周向定位： 与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆
此轴适合于专业工厂成批制 造。
四、轴的结构尺寸的确定 1．拟定轴上零件的装配方案
方案二：
1）可直接用圆钢做轴的毛坯。 2）轴两头细，中间粗，符合 等强度要求。 3）轴承成对使用，箱体上的 两个座孔可一次镗出。 4）总的制造、检验和装配工 作量多。 此轴特别适合于小型工厂或 单件生产。
轴上零件装配过程
S 1(Kam)
强度计算
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。
一、按扭转强度条件计算
用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算
②结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin
强度条件
T
T
WT
9.55106
0.2d3
P
n [T]
一、拟定轴上零件的装配方案 原则：1）轴的结构越简单越合理 2）装配越简单、方便越合理
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§13-2 轴的结构设计
轴的结构设计包括确定轴的合理外形和全部结构尺 寸。轴作为重要的支承零件，除了与齿轮、带轮等旋 转零件联接外，还要与轴承组合通过轴承与机座相连， 如图示单级圆柱齿轮减速器中的低速轴。
该轴系由哪 些零件组成
6.弹性挡圈
特点：结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的 轴向力，可靠性差。 应用：常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位
二、轴上零件的周向定位
目的：防止零件与轴之间的相对转动 1.键
平键：对中性好，可用于较高精度、高转速及 受冲击或交变载荷作用的场合。 半圆键：装配方便，特别适合锥形轴端的联接，对 轴的削弱较大，只适用于轻载。
力
力
≈0.６
=1
校核 危险截面轴的强度
caM W ca1 M cda3
M ca 0.1d3
[
1]b
32
设计公式
d 3
M ca
0.1[ 1 ]b
此式仅用于实心圆轴， 其余W见P365表15-4
危险面的确定： (1)Mca→max (2) Mca较大，而d较小处 (3)应力集中较大的截面。
1.碳素钢 工程中常用35、45、50等优质碳素钢，其中以
45钢用得最广。其价格低廉，对应力集中敏感性 较小，可以通过调质或正火处理以保证其机械性 能，通过表面淬火或低温回火以保证其耐磨性。
对于轻载和不重要的轴也可采用Q235、Q275 等普通碳素钢。
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2、中、低碳合金钢： 具有较高的力学性能和良好的热处理性能，常
设计公式
59.55106P
P
d3
[T]n
A03 n
公式应用： a）传动轴精确计算； b）转轴的初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di
（∵ 支点、力作用点未知）；
c）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭 合成强度计算；
d）有键槽处：↑d，单键——↑3%；双键——↑7%。
2．按弯扭合成进行强度条件验算 ② 校核轴的强度 轴的弯扭合成强度条件为：
3）钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。
动力源
接头
被驱动 装置
接头
钢丝软 轴
钢丝软轴的绕制
3.根据图示卷筒轴的三种设计方案填写下表
方案
轴的类型
轴上应力
a
转动心轴 弯曲应力
b
固定心轴 弯曲应力
c
转轴
弯曲应力、扭剪应力
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三、轴的材料
轴工作时主要承受弯矩和转矩，且多为交变力 作用，其主要失效形式为疲劳破坏。因此，轴的 材料应满足强度、刚度、耐磨性和耐腐蚀性等方 面的要求。
四、轴的结构尺寸的确定
2．确定轴上各段直径和各段长度
(l)直径
各轴段所需的直径与什么因素有关？
轴上应力的大小有关。
估算或类比轴的最小直径dmin
A．根据轴所传递扭矩初步估算轴的直径
B．根据经验或类比法确定
以 dmin为基础,考虑轴上零件的装配,轴向定位以及其与 轴的联接，定出轴其它各段的直径。
四、轴的结构尺寸的确定
56 7
பைடு நூலகம்
上。
1
2.轴承盖与轴直接接
8
触。
3.轴承盖与箱体
无调整垫片。 4.轴套超过轴承内圈
定位高度。
6.键顶部与轮毂
5.齿轮处轴段长度过 接触。
长，齿轮定位不可靠 7.无挡油盘
4
8轴承端盖处应减少加工 面
§15-3 轴的强度计算
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；
分析火车轮轴属于什么类型？
分析自行车轴属于什么类型？
5
传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0 如：汽车下的传动轴。
转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M） 如：减速器中的轴。
6
T
Ft
Fr
7
分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？
0 轴：传动轴 Ⅰ轴：转轴 Ⅱ轴：转动心轴 Ⅲ轴：转轴 Ⅳ轴：转轴 Ⅴ轴：转动心轴
8
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。
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2、按轴线形状分
1）直 轴
光轴 阶梯轴
又可分为实心轴和空心轴
2）曲轴：发动机专用零件
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ca (W M )24 (2 W T)2M 2W (T )2[ 1]
详细内容
式中[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表选取）；
为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。
弯曲应力为对 称循环变应力
静应力
≈0.3
扭转切应力
脉动循环变应 对称循环变应
用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴； 但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计 时必须尽量减少应力集中。
注意： 钢材种类和热处理方法对钢材弹性 模量E影响很小，
∴用 热处理 不能提高轴的刚度。 合金钢
分析：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？
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3.球墨铸铁 耐磨、价格低、吸振性好，对应力集中的敏感性
角半径均应合理。
2）轴上零件为滚动轴承时，定位轴肩高度应查手册中的轴 承安装尺寸，不可使轴肩高出轴承内圈端面的高度，以免轴 承无法拆卸。
要求轴肩高度<滚动轴承内圈高度
错
正
误
确
与轴向定位有关的轴肩高度、轴环宽度以及轴上过渡圆 角半径均应合理。
3）不起定位作用的非定位轴肩高度没有严格规定，一般 取为1~2mm。
六、提高轴的强度、刚度的措施 1、合理布置轴上零件
六、提高轴的强度、刚度的措施 2.改进轴上零件结构，减小轴的载荷。
六、提高轴的强度、刚度的措施 3.采用载荷分担的方法减小轴的载荷
六、提高轴的强度、刚度的措施 4.采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷 5.改变支点位置，改善轴的强度和刚度 6.改进轴的结构，减少应力集中
四、轴的结构尺寸的确定
2．确定轴上各段直径和各段长度
(2)长度L 考虑轴上零件的宽度,零件的拆装、定位，零件的布局确定
出各轴长度
四、轴的结构尺寸的确定
3．轴上各零件的周向和轴向定位 装在轴上的各个零件，在轴向和周向均应有可靠的固
定，以保证其准确的工作位置，达到传递一定功率和保证 齿轮传动的质量。
确、固定可靠且易于装拆，同时使轴加工方 便，成本低。
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2. 设计步骤：
选择材 料及热 处理方 式，确 定许用 应力。
估算 轴的 最小 直径
轴的结 构设计、 绘制草 图
校核 轴的 强度
绘制 安全 轴的
工作 图
不安全
§15—2 轴的结构设计
要求： ①轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置 ②轴上零件装拆、调整方便 ③轴应具有良好的制造工艺性等 ④尽量避免应力集中
较低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如 曲轴、凸轮轴等。
轴的毛坯
d小——轧制的圆钢（棒料）：车制； d大——锻造毛坯； 结构复杂——铸造毛坯，如曲轴； 空心轴——充分利用材料，↓质量，但加工困难。
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三、轴设计的基本要求和设计步骤：
1. 基本要求： 1）具有足够的承载能力：强度和刚度，保
证正常工作 2）具有合理的结构形状：轴上零件定位正
2．确定轴上各段直径和各段长度 (l)直径
圆整 直径的值要进行圆整。有配合要求的轴段，应尽 量采用标准直径。安装标准件(如滚动轴承、联轴器、密封 圈等)部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。
四、轴的结构尺寸的确定
2．确定轴上各段直径和各段长度
(l)直径
便于零件轴向装配
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。 为了使与轴作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。
[-1]查表15-3 举例：45，调质， 确定[-1]
3.安全系数法： (1)确定危险剖面： 根据Mca和d确定 (2)计算危险剖面上的σ和τ (3)平均应力和应力幅.：a、m、a、m (4)计算轴的安全系数
Sca
SS S S2 S2
S1(Kam)
五、轴的结构工艺性
1.一般将轴设计成阶梯轴
（1）提供零件定位和固定的轴肩、轴环；
（2）区别不同精度和 表面粗糙度以及配合 的要求； （3）直径变化应尽可 能少，直径常为中间 大两端小，便于零件 的装拆；
（4）轴的两端加工倒角，便于零件导入，不宜 伤人；
（5）装配段不宜过长。
2.轴的加工工艺性 （1）退刀槽和越程槽
7.提高轴的表面质量 降低表面粗糙度；采用表面强化，如辗压、喷丸、渗碳、渗 氮、表面淬火等。
轴系结构改错
四处错误
正确答案
三处错误
正确答案
两处错误
1.左侧键太长，套筒 无法装入
2.多个键应位于同一 母线上
图中所示减速箱输出轴，齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。指出其
中的结构错误。
3
1.键不在同一母线
2
2.花键
3.紧定螺钉
特点：承载能力强， 定心精度高，导向性 好，但制造成本高。
特点：适用于轴向力小， 转速低的场合；在有振动 和冲击的场合，应防松。
4.圆锥销
5.过盈配合
特点：用于受力不大的 场合
特点：对中性好，承载能力 强，适用于不常拆卸的部位。 可与平键组合使用，能承受 较大的交变载荷。
四、轴的结构尺寸的确定 1．拟定轴上零件的装配方案
4）轴肩处的圆角半径r必须小于轴上零件毂孔端部的圆角 半径R或倒角尺寸C，以免零件端面无法与轴肩端面相接触。
5）轴环宽度b一般取为（1~1.5）h。
2.套筒
特点：定位可靠，结构简单，加工方便，可承受较 大的轴向力。 应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。 轴上间距不大的两零件的轴向定位。与滚动轴承组 合时，套筒的厚度不应超过轴承内圈的厚度，以便 轴承拆卸。
第 15章 轴
本章重点：1.轴的结构设计、强度设计
1概述 2轴的结构设计 3轴设计中的物理约束 4轴的设计
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§15-1 概述
一、轴的主要功用
1、支承轴上回转零件（如齿轮） 2、传递运动和动力
二、轴的分类
1、按承载分 心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）
转动心轴：轴转动
固定心轴：轴固定
4
越程槽：保证砂轮能磨削到轴肩，保证轴肩的垂 直度； 退刀槽：加工螺纹时，退刀槽可以保证刀具退出。
（2）键槽布置
固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上， 以减少装夹次数。
五、轴的结构工艺性 2.装配工艺性 a、轴承安装处的定位轴肩高度应小于轴承内圈高度。 b、在阶梯轴上应使零件所经过轴段直径小于零件孔径。
方案一：
1）由于半联轴器做在轴端上， 制造轴的毛坯需要较大的锻造设 备。
2）为了方便零件依次从左端 装拆，轴的各段直径必须从左至 右逐段放大，使得轴右端直径偏 大，强度过裕。
3）两端的轴承型号无法一致， 箱体上两轴承座孔大小一，不能 一次镗出，即不能保证两座孔同 心。
4）减少了零件数及零件与轴 的配合面数，使部件总的制造、 检验和装配方便很多。