轴的结构设计

a）截面尺寸变化处 的应力集中
b）过盈配合处的应力集中
c）小孔处的应力集中
减小应力集中的措施： 1）用圆角过渡； 2）尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽； 3）重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、
增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。
B d/4 B
30˚ r
d
卸载槽
过渡肩环
凹切圆角
4）避免相邻轴径相差太大；
① ② ③
⑧ ⑩ ⑥ ⑤ ③ ⑦
⑧ ⑩
①
④
⑨
① 轴承端盖与箱体间无调整垫片；② 键顶部与键槽顶部接触；③ 两键槽不在 轴的同一母线上；④ 端盖孔与轴径间无间隙； ⑤ 多键槽；⑥ 轴的长度等于 轮毂长度；⑦ 无定位轴肩；⑧ 轴承未相对安装；⑨ 轴颈长度与端盖相接触； ⑩ 无挡油环。
三、轴的强度计算
轴上零件的定位和固定 加工和装配的工艺性 提高轴强度的结构措施
轴的结构设计
轴的强度计算 轴的刚度计算
有特殊要求时
轴的稳定性计算
二、轴的结构设计
1. 轴的结构设计原则
(1) 满足强度、刚度、防振的要求，并通过 结构设计提高这些方面的性能 (2) 保证轴上零件定位且固定可靠 (3) 便于轴上零件装拆和调整 (4) 轴的加工工艺性好
尽量统一。
二）轴上零件装配工艺性要求 1.轴的配合直径应圆整为标准值。 2.轴端应有cX45º的倒角。 3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。
°
°
a）倒角
b）导向锥面
4.装配段不宜过长。
六、提高轴强度和刚度的措施 1.减小应力集中 合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。 a）截面尺寸变化处的应力集中 轴的应力集中 b）过盈配合处的应力集中 发生的位置 c）小孔处的应力集中
正确答案
试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。
2 1 3 5 6
2
1 10 11
4
7
8, 9
正确
5
8
1
6 2 3 4
7
5．应加密封垫圈，端盖和轴应留有 间隙 6．应设一轴肩，便于轴承安装；
1．键过长；
2．过定位，轮毂宽应大于配合轴段长度；
3．轴承内圈轴向定位台肩过高； 4．箱体端面应留出和端盖接触的凸台；
（缺键） ③——联轴器右端无轴向固 定
④——套筒过高
⑤——轴头长度等于轮毂宽
⑧ ④ ③ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
度 ⑥——齿轮无周向固定（缺
键）
⑦——定位轴肩过高 ⑧——缺调整垫片
② ①
齿轮
齿轮
⑥ ① ③ ② ④ ⑤
①——轴承端盖与轴之间应留有间隙 ②——左端轴承内圈和套筒装不上 ③——与齿轮轮毂相配的轴头长度应小于轮毂长度 ④——齿轮没有周向固定 ⑤——定位轴肩过高 ⑥——左端轴承应的窄边应与右端轴承的窄边相对安装
轴肩 套筒定位 圆螺母 轴向定位
轴肩 套筒定位 圆螺母 轴端挡圈 轴承端盖
键 花键 销 过盈配合
周向定位
轴的结构设计
二、轴的结构设计
轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。
轴颈
轴头
轴身
圆柱齿轮减速器中的从动轴
轴的设计步骤 选材 初定轴的最小直径
(五)螺纹的常见错误
• (1)轴上螺纹应有螺纹退刀槽; • (2)紧定螺钉应该拧入轴上被联接零件，端 部应顶在轴上: • (3)螺纹联接应保证安装尺寸: • (4)避免螺纹联接件承受附加弯矩。
轴系结构设计中常见错误实例分析
指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。
轴 齿轮 套筒 滚动轴承
1
2
3 正确结构图
(一)轴本身的常见结构错误:
• (1)必须把不同的加工表面区别开来; • (2)轴段的长度必须小于轮毂的长度; • (3)必须考虑轴上零件的轴向、周向固定问 题; • (4)轴外伸处应考虑密封问题。 • (5)轴的端面与轴端挡圈应相隔2、3mm • (6)轴端应有倒角
(二)轴承安装的常见错误:
• • • • • • • • • • • • 1)、角接触轴承和圆锥滚子轴承 ①、一定要成对使用; ②、方向必须正确，必须正装或反装; ③、外圈定位(固定)边一定是宽边。 (2)、 轴承内外圈的定位必须注意内外圈的直径尺寸问题 ①、内圈的外径一定要大于固定结构的直径; ②、外圈的内径一定要小于固定结构的直径。 (3)、轴上如有轴向力时，必须使用能承受轴向力的轴承。 (4)、 轴承必须考虑密封问题; (5) 、轴承必须考虑轴向间隙调整问题。 (6)轴承的装拆问题: a. 必须是套筒、轴肩高度低于轴承高度，便于装拆。
转轴的弯扭组合强度条件：
Me e W M 2 (aT ) 2 0.1d
3
[ 1 ]b
e
—当量应力（N/㎜2）；
Me —当量弯矩（N·㎜），
M e M 2 (aT ) 2
2 2 M —危险截面上的合成弯矩， M M H M V ( N mm)
其中MH、MV分别为水平面上、垂直面上的弯矩。 W —轴危险截面弯曲截面系数，对圆截面W≈0.1d3。
五、轴的结构工艺性 ——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装 一）轴的加工工艺性要求
1. 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工 时的装卡次数；
a. 正确结构
b.不正确结构
2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应
留螺纹退刀槽。
0.8
砂轮越程槽
螺纹退刀槽
3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸
—折合系数
对于不变转矩，
[ 1 ]b a 0.3 [ 1 ]b
[ 1 ]b a 0.59 [ 0 ]b
对于脉动循环扭矩，
对于频繁正反转的轴，τ可视为对称循环交变应力，取
1
若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理；
分别为对称循环、脉动循环 [ 1 ]b 、[ 0 ]b、 [ 1 ]b — 及静应力状态下材料的许用弯曲应力。 当危险截面有键槽时，应将计算得轴径增大4%－7%。
7．应在轴上开设联轴器定位台肩；
8．轴头应开设键槽。
①——定位轴肩过高 ②——键的长度太短 ③——两个键应在同一 母线上 ④——齿轮右端没有定 位
⑤——该传动件不能装
入
① ② ③ ④ ⑥ ⑦
⑥——安装右轴承的轴 段应设一轴肩 ⑦——右轴承与右边的 传动件之间应有一个端盖，且有 一个密封装置
⑤
⑤
⑤
设计轴的一般步骤为：
（1）根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。 （2）按扭转强度估算轴的最小直径; （3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图;
1）确定轴上零件的位置和固定方法； 2）确定各轴段直径、长度。
（4）按弯扭合成进行轴的强度校核。 一般按一般选2—3个危险截面进行校核。若危险截面 强度不够，则必须重新修改轴的结构。 （5）绘制轴的零件工作图
（三）轴的刚度计算
1.轴的弯曲刚度计算
y [ y]
2.扭转刚度计算
[ ]
[ ]
四、轴材料及选择
轴的常用材料是碳素钢和合金钢。 碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中敏感性低，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，多用优质碳素钢，尤其是45号钢。对于不 重要或受力较小的轴也可用Q235、 Q275 等普通碳素钢。 合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对 应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性 有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢， 经渗碳淬火处理后可提高耐磨性。 球墨铸铁容易获得复杂的形状，而且吸振性好，对应 力集中敏感性低，适用于制造外形复杂的轴，如曲轴和凸 轮轴等。
①轴承端盖与箱体间无调整密封 垫片； ②推力轴承应成对使用，宽边相 对或者窄边相对安装；轴承剖面 线内、外圈不一致。 ③轴长应比轮毂短 ④键槽过长 ⑤端盖孔与轴径间无间隙； ⑥端盖无密封油毡 ⑦多一个套筒，并与轴承 端盖接触； ⑧无定位轴肩 ⑨无键槽
例4：指出下图中的结构错误，并简单说明错误原因。
（三）键槽的常见错误:
• (1)同一轴上所有键槽应在一个对称线上; • (2)键槽的长度必须小于轴段的长度; • (3)半圆键不用于传动零件与轴的连接。
（四）轴承端盖的常见错误
• (1)对于角接触和圆锥滚子轴承，轴承端盖 一定要顶在轴承的大端; • (2)和机体的联接处必须要考虑轴承的间隙 调整问题; • (3)轴承端盖为透盖时，必须和轴有间隙， 同时，必须考虑密封问题。
五、轴的设计
类比法
根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结 构设计，画出轴的零件图。
设计计算法
开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情 况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完 成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在 进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行 估算。然后进行轴的结构设计后，再按弯扭合成的理论进 行轴危险截面的强度校核。
改善轴的表面质量 表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。 1）表面愈粗糙疲劳强度愈低； 提高表面粗糙度。
2）表面强化处理的方法有：
▲ 表面高频淬火； ▲ 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理； ▲ 碾压、喷丸等强化处理。 通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力， 从而提高轴的疲劳能力。
错误分析图
错误原因： 1 — 缺少键联接，齿轮未周向固定； 2 — 轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠； 3 — 轴端无倒角，轴承不便安装。
连轴齿轮
齿轮
1
2
3
2 正确结构图
错误分析图
错误原因： 1 — 连轴齿轮两端无倒角轮廓线；
2 — 齿轮左右两端均未轴向固定；