第15章 轴

圆柱面压入端的结构
用液压装配
用螺母压紧
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（三）各轴段直径和长度的确定
1.轴直径的确定
按轴所受的扭矩初步估算轴所需的最小直径 dmin ，然后再按 轴上零件的装配方案和定位要求逐一确定各轴段的直径； 轴径亦可凭经验或类比方法确定； 有配合要求的轴段，尽量采用标准直径及公差； 为装拆方便，减少擦伤，在配合轴段前应采用较小的直径。 过盈配合时，相配轴段的压入端应制出锥度（ 动画1）；或在 同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差（动画2 ）；
按载荷分
转轴 心轴 传动轴
转动心轴
固定心轴
2
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。
3
阶梯轴
容易实现轴上零件的装配和定位，但加工复杂，应 力集中源多。常用于转轴 。
4
空心轴
直轴一般做成实心的，若因机器需要（输送润滑油、切削液、 安放其它零件等），或为减轻机器重量（航空、汽车及船舶工 业），可制成空心轴； 空心轴内径与外径的比例通常为 0.5~0.6，以保持轴的刚度及扭 转稳定性； 由于传递扭矩主要靠轴的外表面材料，所以，空心轴在利用材 料方面比实心轴更合理。
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套筒定位
套筒固定结构简单，定位可靠，轴上不需开槽 ﹑ 钻孔和切制螺纹，因 而不影响轴的疲劳强度，一般用于轴上两个零件之间的固定。如两零件的 间距较大时，不宜采用套筒固定 ,以免增大套筒的质量及材料用量。因套 筒与轴的配合较松，如轴的转速较高时，也不宜采用套筒固定。套筒所固 定的轮毂宽度应略大于对应的轴头长度.
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（二）轴设计的主要内容
轴的设计包括轴结构设计和工作能力计算两方面； 轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴 的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形 式及尺寸； 轴的工作能力计算指轴的强度、刚度和振动稳定性 等方面的计算。
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（三）轴的材料
轴的材料首先应有足够的强度，对应力集中敏感性低； 其次应满足刚度、耐磨性、耐腐蚀性和可加工性等要 求； 轴的常用材料是碳钢和合金钢，其次是球墨铸铁；碳 钢价廉，对应力集中的敏感度较低；合金钢力学性能 好；球墨铸铁价廉、吸振性和耐磨性好，容易做成复 杂形状 一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差 不多，因此，在选择钢的种类和决定钢的热处理方法 是，根据的是强度和耐磨性，靠选用合金钢来提高轴 的刚度是不行的，应采用增大轴的直径、改进结构等 方法。
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轴颈 轴肩 轴环
轴头
轴颈
轴身
轴头 半联轴器 I
箱壳 上盖 轴承 端盖 砂轮 越程 槽 I II
II
III
III 箱壳 底座 齿轮 套筒 滚动轴承 轴端挡圈
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1.零件的轴向定位
为防止零件在载荷作用下轴向移动，保证零件的准确工 作位置，零件在轴上必须作轴向定位和固定； 零件轴向定位和固定的方法有多种，可据零件所受轴向 力的大小选定； 轴向力大时，常用过盈配合、轴肩（轴环）等方式； 轴向力中等时，可用套筒、圆螺母、轴端挡圈等方式； 轴向力小时，可用弹性挡圈、紧定螺钉及锁紧挡圈等 方式； 圆锥面定位可用于承受冲击载荷和同心度要求较高的轴 端零件。
图为双级圆柱齿轮减速器，其各轴承受来自轴承及 齿轮处的横向力所产生的弯矩，同时在两个齿轮间或 齿轮与联轴器间的轴段还将承受扭矩。
8
传动轴
主要受转矩，不受弯矩或弯矩很小的轴 ，广泛用于车辆前后 桥之间的传动中（图）。
汽车的传动轴用于将发 动 机 的 运 动传 递 给 汽 车后 桥 ， 仅 传 递转 矩 ， 不 承受 弯矩。
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键联接
平键工作时，靠其两侧面传递扭矩，键的上表面和轮毂槽底之间 留有间隙。这种键定心性较好，装拆方便。互换性好，但对轴的强 度削弱较大，且不能实现轴上零件的轴向固定。
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花键联接
花键联接的齿侧面为工作面，可用于静联接或动联接。它比平键 联接有更高的承载能力、较好的定心性和导向性；对轴的削弱也较 小，适用于载荷较大或变载及定心要求较高的静联接、动联接。 但制造时需要专用设备和工具。
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§15-2 轴的结构设计
轴没有标准的结构形式，但应满足：
轴和轴上的零件有确定的工作位置； 轴上的零件便于装拆、定位和调整； 具有良好的制造工艺性等。
轴的结构设计应解决几个主要问题：
拟定轴上零件的装配方案； 轴上零件的定位； 各轴段直径和长度的确定； 提高轴的强度的常用措施； 轴的结构工艺性。
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（一）轴的强度校核计算
（一）轴的强度校核计算
粗略的设计计算 不考虑影响轴的强度的各种因素，只按传递的扭矩 计算（许用切应力计算）；
当轴的载荷及支承情况均为已知时，按弯扭合成的 强度理论计算。此方法可作为某些不重要轴的最后 计算（许用弯曲应力计算）；
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成型联接
成形联接利用非圆剖面的轴和相应的轮毂构成的轴毂联接，是 无键联接的一种形式。轴和毂孔可做成柱形和锥形，前者可传递 转矩，并可用于不在载荷作用下的轴向移动的动联接；后者除传 递转矩外，还可承受单向轴向力。
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弹性环联接
用弹性环作周向固定精度要求较高，定心性好，受力均匀，拆装方 便，互换性好，对轴无强度削弱。利用一对或多对内、外锥面贴合的弹 性环，当螺母(或螺栓)锁紧时，内环和外环相互压紧，可形成过盈联接。
定位轴肩用于定位，一般其高度h = (0.07~0.1)d (d为与零件配合 处的轴颈尺寸）。定位滚动轴承时， h应低于轴承内圈。 非定位轴肩不用于定位，为便于加工、装配而使轴成为阶梯轴。 轴肩高度h = 1~2mm。
轴身：连接轴头和轴颈的部分。 轴段：凡轴上剖面直径不等的各个部分统称为轴段。
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（五）轴的结构工艺性
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轴系结构改错
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轴系结构改错
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轴系结构改错
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轴系结构改错
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§15-3 轴的计算
♣ 轴的计算通常是在初步完成结构设计后进行校 核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求， 必要时还应该校核轴的振动稳定性。 ♣ 进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受 载（弯扭）及应力（静、变）情况，采取相应 的计算方法，并恰当的选取许用应力。
2.确定各轴段长度
尽可能使结构紧凑，并保证零件所需的装配和调整空间； 为保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合的轴段 长度应比轮毂长度短2~3mm。
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（四）提高轴的强度的常用措施
1. 合理布置轴上零件以减小轴的载荷
轴的支点位置；零件在轴上的布置；力平衡或局部相互抵消
2. 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷
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轴的支点位置
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零件在轴上的布置
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力平衡或局部相互抵消
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轴上零件结构的合理性
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使轴只受弯矩不受转矩
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减载槽
1.06~1.06d
轮毂上开卸载槽 应力集中系数可 减少15~25%
轴上开卸载槽 应力集中系数 可减少40%
增大轴的直径 应力集中系数 可减少30~40%
1.05d
d
d
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第十五章 轴
目 录
§15-1 概述 §15-2 轴的结构设计 §15-3 轴的计算
1
§15-1 概述
轴是一切回转件的支承中心，也是动力和运动的传递枢纽。所以， 轴具有支承旋转件和传递动力的功能，是组成机器不可缺少的零件。 （一）轴的用途及分类 光轴 直轴 按外形分 曲轴 钢丝软轴 阶梯轴 空心轴
轴
5
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。
摩托 车发 动机 曲轴
6
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 传到不开敞的空间位置 。用于受连续振动的场合，具有缓和冲 击的作用。
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转轴
工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴 。应用最为广泛，如减速器 和变速器中的轴（图） 。
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圆螺母定位
圆螺母固定可承受大的轴向力，但轴上螺纹处有较大的应力集中，会 降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件，有双圆螺母和圆螺母 与止动垫片两种型式。当轴上两零件间距离较大不宜使用套筒固定时， 也常采用圆螺母固定。
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挡圈定位
锁紧挡圈用紧定螺钉固定在轴上,定位拆装方便,但不能承受大的轴向力, 且钉端会引起应力集中；弹性挡圈定位工艺性好，但不能承受较大的轴向 力，且对轴的强度削弱较大；轴端挡圈常用于轴端零件的固定。
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转动心轴
工作时轴承受弯矩（不受转矩），且轴转动 ，受变应力作用 (单向工作时为对称循环弯曲应力)。如火车轮轴（图）。
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固定心轴
工作时轴承受弯矩（不受转矩），且轴固定， 受静应力作用 （工作时的弯曲应力是静应力) 。如自行车的前轮轴（图）。
自行车工作时，前轮轮 毂与滚珠一起相对于前叉 和车轴转动。车轴本身固 定不动，且仅承受横向力 产生的弯矩。
图示减速器输出轴就有两种装配方案。
s a B c L a
圆锥圆柱齿轮 二级减速器
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输 出 轴 的 两 种 结 构 方 案
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（二）轴上零件的定位
轴的各部分名称及功能为： 轴头：安装传动件的轴段。如安装齿轮、带轮处； 轴颈：支承轴转动或安装轴承的轴段； 轴肩(轴环)：由定位面和过渡圆角组成。用作零件轴向 固定的台阶部分称为轴肩；用作零件轴向固定的环形部 分称为轴环；
轴上零件结构的合理性；使轴只受弯矩不受扭矩
3. 改进轴的结构以减小应力集中的影响
在轴上或轮毂上开减载槽；采用内圆角、凹切圆角、肩环 （隔离环）或柔性轮毂；避免在轴上打印、键槽圆角过小等； 盘铣刀开键槽；轴上横孔孔端倒角
4. 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度
合理减小轴表面及圆角处的加工粗糙度值；进行表面处理 （表面高频淬火、渗碳、氰化、氮化、碾压和喷丸等）
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圆锥面定位
锥面定心精度高，拆卸容易，能承受冲击及振动载荷； 常用于轴端零件的固定，可以承受较大的轴向力，与轴 端压板或螺母联合使用，使零件获得双向轴向固定。
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2.零件的周向定位
为限制轴上零件与轴发生相对转动，并满足机器传递 运动和扭矩的要求，轴上零件还必须作可靠的周向定 位。常用的周向定位方式有： 键联接； 花键联接； 成型联接； 弹性环联接； 销联接； 过盈联接； 紧定螺钉联接等
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轴肩（轴环）定位
轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类，利用轴肩定位方便可靠， 但会使轴的直径加大，轴肩处有应力集中。因此，轴肩定位多用于 轴向力较大的场合。定位轴肩的高度h一般取为h=(0.07～0.1)d。轴肩 处的过渡圆角半径r必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R 或倒角尺寸C。非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的，其高度 没有严格的规定，一般取为1～2mm。
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销联接
用销联接作周向固定时只能传递较小的扭矩，互换性好，拆装 方便，但受力均匀性差，对轴削弱较多。
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过盈联接
过盈联接是利用零件间的过盈量来实现联接的。轴和轮毂孔之间因过 盈配合而相互压紧，在配合表面上产生正压力，工作时依靠此正压力产 生的摩擦力(也称为固持力)来传递载荷。过盈联接既能实现周向固定传 递转矩，又能实现轴向固定传递轴向力。其结构简单，定心性能好，承 载能力大，受变载和冲击载荷的能力好。常用于某些齿轮、车轮、飞轮 等的轴毂联接。其缺点是承载能力取决于过盈量的大小，对配合面加工 精度要求较高，装拆也不方便。
圆 角Hale Waihona Puke Baidu
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键槽加工方式
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横孔倒角
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（五）轴的结构工艺性
轴的结构工艺性是指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。 在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简 化。 为便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出 45°倒角； 需磨削的轴段应留有砂轮越程槽；需切制螺纹的轴 段，应留有退刀槽。 为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键 槽应布置在轴的同一母线上； 轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越 程槽和退刀槽宽度等尽可能采用相同的尺寸； 轴上零件的装配方案对轴的结构形式起着决定性的 作用。
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（一）拟定轴上零件的装配方案(动画) 拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设 计的前提，决定着轴的基本形式； 装配方案就是预定出轴上主要零件的装配方 向、顺序和相互关系； 拟定装配方案时，一般应考虑几个方案，以 便进行分析比较与选择；
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轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计 时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。