轴的分类结构设计
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。
轴的结构设计及强度计算
轴的结构设计及强度计算（1）轴的概述一．轴的功能及分类１．功能支撑回转零件并传递扭矩。
2．分类轴的用途及分类轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力按照承受载荷的不同，轴可分为：心轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。
传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。
转轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。
直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。
轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。
除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。
二．轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。
碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。
合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。
在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。
高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。
三．轴设计的主要内容轴的设计包括结构设计和工作能力验算两方面的内容。
（1）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和尺寸。
（2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。
轴的设计过程是：选择材料—初估轴径—结构设计—校核强度，刚度，稳定性（2）轴的直径初估方法：类比法按扭矩估算一．轴的扭转强度强度条件：校核式：τT =T/WT=9.55 106P/0.2d3n≤[τT]设计式：d ≥[]362.01055.9n P T τ⨯=C 3nP C---系数（表12-2）（3）轴的结构设计轴的结构设计应该确定：轴的合理外形和全部结构尺寸。
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。
轴的设计 ppt课件
二）轴上零件装配工艺性要求 轴的配合直径应圆整为标准值 轴端应有cX45º的倒角 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
五. 提高轴强度、刚度的措施
一）合理布置轴上零件，改善轴的受力情况
1. 使弯矩分布合理——把轴、毂配合分成两段，减小最大弯 矩值。
F
F
不合理结构
合理结构
轴的结构设计目的——合理确定轴的外部形状和全部尺寸
一. 轴系结构分析
轴承盖 滚动轴承 齿轮 滚动轴承 轴承盖 键槽
半联轴器
轴颈
轴身
轴头
轴颈
轴身
轴头
轴颈：轴上与轴承配合的部分 轴头：与轮毂配合的部分 轴身：联接轴颈和轴头的非配合部分 轴环：直径大且呈环状的短轴段 轴肩：截面尺寸变化的台阶处
三． 按弯、扭合成强度计算 —— 用于转轴强度计算
强度计算的前提条件：轴的结构设计初步完成，支承点位置 确定，支反力可求。
转轴危险截面
弯曲应
力：b
M W
1 d3 10
上的应力状态
扭剪应力：T
T WT
1d3 5
根椐第三强度理论转轴危险截面上的应力：
c b24T2 W M 24 W T T 2M W 2 T2M W c
§ 3 轴的强度计算
一.按扭转强度计算——适用于传动轴、转轴初算
扭转强度条件：T
T WT
9550103 P
WT n [T]
式中：
T ——轴的扭剪应力（MPa）；
T ——轴传递的转矩（N·mm）；
WT ——轴的抗扭剖面系数（mm3），对于实心圆轴，
WT1d36d530.2d3
P ——轴传递的功率（KW）；
轴的分类与结构设计及其应用
②保证零件所需的装配空间、调整空间。应考虑轴 上零件之间的距离及轴上零件与机架之间的距离
4 轴的结构工艺性
主要考虑以下因素： （1） 为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角。
（2）需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽。 （3） 需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。
（4） 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。
双圆螺母
④轴端挡圈 只适用于定位轴端零件。
⑤弹性挡圈、紧钉螺钉、锁紧挡圈作轴向定位
特点：承受轴向力能力较差，适用于轴向力不大 的场合。
弹性挡圈
紧钉螺定
锁紧挡圈
6圆锥面定位 特点： ⑥多用于承受冲击
载荷和同心度要求较高的 轴端零件。
⑦ 轴承盖 特点：可承受较大的轴
向力，通常通过螺钉或榫 槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位 作用
按纯扭T确定dmin
从dmin (处于轴端)开始
轴中间(d )
在确定各轴段直径时应注意的问题；
（1）安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值。
（2）为了使齿轮、轴承等零件装拆方便，可设置非定位 轴肩。
⑵各轴段长度的确定
轴的各段长度主要是根据轴上零件的宽度及它 们的相对位置来确定。
在确定轴长时注意： ① 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。
no 验算合格?
yes
结束
3 轴的材料
轴的材料：主要是碳钢和合金钢 轴的毛坯：轧制圆钢：d<100mm，锻件d>100mm ①②..一 传般 递应 大用 动力:4，5钢要(求35减、少50尺代寸用及)，重调量质，正提火 高
轴的结构设计课件
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。
轴的结构设计
27
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。
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
轴的结构设计
29
六、轴毂联接
轴毂联接主要是用来实现轴和轮毂之间的周向固定并 用来传递运动和扭矩，有些可承受少量轴向力。
轴毂连接
键连接 花键连接
松键连接 紧键连接
过盈配合连接
销连接
平键连接 半圆键连接
楔键连接 切向键连接
轴的结构设计
30
（一）键联接
1.轴上零件的轴向定位与固定 常用的轴向固定方法有：轴肩（轴环）、圆螺母（止
动片）、套筒、弹性挡圈、紧定螺钉、轴端挡圈定位等。
轴的结构设计
12
轴肩（轴环）
特点：结构简单，定位可靠 ，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
轴的结构设计
13
圆螺母
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
轴的结构设计
17
2.轴上零件的周向固定
为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动， 轴和轴上零件必须可靠地沿周向固定（连接）。常用的周 向固定方法有：销、键、花键、过盈配合和成形联接等， 其中以键和花键联接应用最广。
机械设计基础第11章 轴
§11-1 概述 §11-2 轴的结构设计 §11-3 轴的强度计算
小结
第一节 概述
作用：支承作回转运动的零件（如齿轮、带轮、链轮、凸轮、 车轮、蜗轮等）； 传递运动和动力。
一、轴的分类
1.按轴线的形状，分为：
直轴
（通用件）
光轴:形状简单，加工
容易，应力集中源少， 实心轴
但轴上的零件不易装
r ＜ R （或倒角C）＜h
滚动轴承的定位轴肩，应小于轴承内圈 的厚度，以方便轴承的拆卸。
3）为便于零件的装拆而设计的非定位轴肩高度（半径差）h ≈
0.5～1.5mm。
第二节 轴的结构设计
2. 长度的确定原则 1） 轴头的长度应比轮毂的宽度小2～3mm ，以保证套筒、圆螺 母、轴端挡圈能靠紧轮毂端面，固定可靠。 2） 轴颈的长度一般等于轴承的宽度。 3）回转零件与机体等固定零件之间要留有适当的间隙，以免相碰
合金钢只能提高轴的强度和耐磨性，但不 能提高轴的刚度，刚度可通过增大轴径，减小 跨度来提高；
第二节 轴的结构设计
轴的结构设计
轴的结构 没有固定 模式，设 计较灵活
即确定轴的合理形状和全部结构尺寸。 工作部分
轴头
轴颈 安装部分
轴身 连接部分
第二节 轴的结构设计
轴的结构设计应主要满足以下要求： ◆满足制造、安装要求
轴应便于加工，轴上零件要方便装拆 ◆满足零件定位固定要求
轴和轴上零件有准确的工作位置，各零件要牢固而可靠地 相对固定。 ◆满足强度要求，受力合理尽量减少应力集中等
第二节 轴的结构设计
一、便于制造和装配
1、在满足使用要求前提下，轴的结构应尽量简单，段数尽可能 少，且相邻轴段的直径差不宜过大，以减小应力集中。
轴结构设计和强度校核
一、轴的分类按承受的载荷不同, 轴可分为：转轴——工作时既承受弯矩又承受扭矩的轴。
如减速器中的轴。
虚拟现实。
心轴——工作时仅承受弯矩的轴。
按工作时轴是否转动，心轴又可分为：转动心轴——工作时轴承受弯矩，且轴转动。
如火车轮轴。
固定心轴——工作时轴承受弯矩，且轴固定。
如自行车轴。
虚拟现实。
传动轴——工作时仅承受扭矩的轴。
如汽车变速箱至后桥的传动轴。
固定心轴转动心轴转轴传动轴二、轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。
钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。
由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中最常用的是45号钢。
合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。
因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。
必须指出：在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。
但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。
各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。
高强度铸铁和球墨铸铁容易作成复杂的形状，且具有价廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。
轴的常用材料及其主要力学性能见表。
三、轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。
轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、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。
由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。
《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
轴类零件设计
目录
例题 习题 小结
作业：思考题
1、轴上零件的轴向定位有那些方法？ 各有何特点？
2、在齿轮减速器中，为什么低速轴的 直径要比高速轴的直径大得多？
目录
例题 习题 小结
六、典型轴的选材
调质220HB~250HB
C620车床主轴简图
1. 机床主轴选材
• 车床主轴可选用45钢。热处理工艺为调质 处理，硬度要求为220HB－250HB；轴颈和 锥孔进行表面淬火，硬度要求为52HRC。
它的工艺路线如下： 锻造→正火→粗加工→调质→半精加工→ 表面淬火及低温回火→磨削加工。
目录
例题 习题 小结
要求r轴<R孔或r轴<C孔
正确
目录
h=R(C)+(0.5~2)mm
例题 习题 小结
2）套筒 用于距离较短、转速不高的场合。
目录
例题 习题 小结
3）圆螺母
双圆螺母
装拆方便，可承受较大的轴向力。
目录
例题 习题 小结
注意：L轴<L毂 （2--3mm)
4）轴端挡圈
用于固定轴 端零件，可 以承受振动 和冲击。
• 材料可选用QT700-2。 • 其工艺路线如下：
铸造→高温正火→切Biblioteka 加工→轴颈 气体渗氮本节课小结
• 1.掌握轴类零件选材的主要依据； • 2.掌握轴类零件的分类及工作条件； • 3.掌握常用的轴类零件材料及典型轴的
选材原则。
§13-2 轴的结构设计
单级圆柱齿轮减速器
本节课主要内容
一、拟定轴上主要零件的装配 二、零件在轴上的定位和固定方法
• 2. 轴与轴上零件有相对运动时相互间存 在摩擦和磨损；
轴的结构设计
轴的结构设计
1、了解轴的功用和分类，掌握轴的常见结构
2、掌握轴的结构设计的方法
4、掌握按弯扭强度进行轴的直径估算。
5、熟悉扭转强度和弯扭合成强度计算；
重点：1、轴的结构设计的方法
2、按弯扭强度进行轴的直径估算
难点：轴的结构设计
组织教学----引入课题----讲解新课----练习----总结
无
7.3 轴的设计
一、按扭转强度估算轴的最小直径
开始设计轴时,通常还不知道轴上零件的位置及支点位置,无法确定轴的受力情况。
因此在轴的结构设计前先纯扭矩对轴的的直径进行估算。
d≥A.3
n
P
mm
式中 A——与材料有关的系数，查表确定；
7.4轴的强度计算
一、轴的失效分析：
）；W 为轴的抗弯截面系数（mm3），对于直径1]为轴的许用弯曲应力（MPa ）。
设计公式：
2
1)[]
T σα-≤2
1[]
σ-≤。
轴的结构设计
轴旳毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。
如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性很好、相应力集中旳敏感较低、强度很好等优点。
表15-1 轴旳常用材料及其主要力学性能
材料及热处理
毛坯直径 mm
硬度 强度极限σb 屈服极限σs
HBS
MPa
弯曲疲劳极限σ-1
应用阐明
Q235
440
240
类
型 按轴旳形状分有：
发动机
传动轴
后桥
青岛科技大学专用
潘存云教授研制
§15-1 概 述
一、轴旳用途及分类
功用：用来支撑旋转旳机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。
分类：
转轴---传递扭矩又承受弯矩
按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩
类
心轴---只承受弯矩
型 按轴旳形状分有：
自行车
车厢重力
前轮轴
对于只传递扭转旳圆截面轴，强度条件为：
T
T WT
9.55106 P 0.2d 3n
[ T ]
解释各符
MPa 号旳意义
及单位
设计公式为：d 3
9.55 106
0.2[ ]
3
P n
A0 3
P n
mm
计算成果为：最小直径！ 考虑键槽对轴有减弱，可按下列方式修正轴径：
轴径d＞100mm
轴径d≤100mm
按轴旳形状分有：
阶梯轴
青岛科技大学专用
潘存云教授研制
§15-1 概 述
一、轴旳用途及分类
功用：用来支撑旋转旳机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。
分类：
转轴---传递扭矩又承受弯矩
机械设计课程设计 轴的设计
第四章轴的设计机器上所安装的旋转零件，例如带轮、齿轮、联轴器和离合器等都必须用轴来支承，才能正常工作，因此轴是机械中不可缺少的重要零件。
本章将讨论轴的类型、轴的材料和轮毂联接，重点是轴的设计问题，其包括轴的结构设计和强度计算。
结构设计是合理确定轴的形状和尺寸，它除应考虑轴的强度和刚度外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多因素。
4.1 轴的分类按轴受的载荷和功用可分为：1.心轴：只承受弯矩不承受扭矩的轴，主要用于支承回转零件。
如.车辆轴和滑轮轴。
2.传动轴：只承受扭矩不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴,主要用于传递转矩。
如汽车的传动轴。
3.转轴：同时承受弯矩和扭矩的轴，既支承零件又传递转矩。
如减速器轴。
4.2轴的材料主要承受弯矩和扭矩。
轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、韧性和耐磨性。
轴的材料从以下中选取：1. 碳素钢优质碳素钢具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，价格便宜，应用广泛。
例如：35、45、50等优质碳素钢。
一般轴采用45钢，经过调质或正火处理；有耐磨性要求的轴段，应进行表面淬火及低温回火处理。
轻载或不重要的轴，使用普通碳素钢Q235、Q275等。
2. 合金钢合金钢具有较高的机械性能，对应力集中比较敏感，淬火性较好，热处理变形小，价格较贵。
多使用于要求重量轻和轴颈耐磨性的轴。
例如：汽轮发电机轴要求，在高速、高温重载下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等。
滑动轴承的高速轴，采用20Cr、20CrMnTi 等。
3. 球墨铸铁球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。
例如：内燃机中的曲轴。
4.3 轴的结构设计如图所示为一齿轮减速器中的的高速轴。
轴上与轴承配合的部份称为轴颈，与传动零件配合的部份称为轴头，连接轴颈与轴头的非配合部份称为轴身，起定位作用的阶梯轴上截面变化的部分称为轴肩。
轴结构设计的基本要求有：（1）、便于轴上零件的装配轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。
轴的分类及结构
轴的分类及结构
一、轴的定义
轴(shaft)是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。
轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。
一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。
机器中作回转运动的零件就装在轴上。
二、轴的结构设计
轴的结构设计是确定轴的合理外形和全部结构尺寸，为轴设计的重要步骤。
它由轴上安装零件类型、尺寸及其位置、零件的固定方式，载荷的性质、方向、大小及分布情况，轴承的类型与尺寸，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装及运输，对轴的变形等因素有关。
设计者可根据轴的具体要求进行设计，必要时可做几个方案进行比较，以便选出最佳设计方案，以下是一般轴结构设计原则:
1、节约材料，减轻重量，尽量采用等强度外形尺寸或大的截面系数的截面形状;
2、易于轴上零件精确定位、稳固、装配、拆卸和调整;
3、采用各种减少应力集中和提高强度的结构措施;
4、便于加工制造和保证精度。
三、轴的分类
常见的轴根据轴的结构形状可分为曲轴、直轴、软轴、实心轴、空心轴、刚性轴、挠性轴(软轴)。
直轴又可分为:
①转轴，工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴等。
②心轴，用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁
路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。
③传动轴，主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴等。
轴的材料主要采用碳素钢或合金钢，也可采用球墨铸铁或合金铸铁等。
轴的工作能力一般取决于强度和刚度，转速高时还取决于振动稳定性。
机械基础——轴的类型、材料和结构设计
P368：3、4
课题
轴的类型、材料和结构设计
教学目的
1、熟悉轴的功用熟悉轴的材料的选择；
3、掌握轴结构设计的基本因素和基本方法。
教学安排
组织教学
讲述新课
第二十二单元轴
轴是组成机器的主要零件之一。轴的功用在于支承作回转运动的零件（如齿轮、带轮、链轮等），使其具有确定的工作位置，并传递运动与动力。
一、轴上零件的定位和固定
1、轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定以轴肩、轴环、套筒、锁紧挡圈、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈、轴承端盖及圆锥面等来实现。
2、轴上零件的周向定位和固定为使零件和轴一起转动并可靠地传递运动和动力，周向固定可以用普通平键或花键联接。当要求对中性好，在振动条件下工作时，可用轴孔间的过盈配合；也可两者同时采用。在载荷很小时，也可以采用紧定螺钉或销钉。
合金钢比碳钢有更好的力学性能和淬火性能。通常用于重载、高速的重要轴或有特殊要求的轴。
对于形状复杂、尺寸大的轴，球墨铸铁有成形容易，且价格低，吸振、耐磨，对应力敏感性小等优点。但可靠性差些。
三、轴设计的主要问题和一般步骤
1、轴设计的主要问题具有合理的结构和足够的承载能力是轴设计时必须解决的两个主要问题。
2、轴设计的一般步骤①确定许用应力；②估算最小直径、③轴的结构设计；④轴的强度校核计算。
第二节轴的结构设计
轴结构设计应遵循的一般原则：（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；（2）轴上零件应便于拆卸和调整；（3）轴应具有良好的加工工艺性；（4）尽量减小应力集中；（5）受力合理，有利于节约材料，减轻轴的重量。
二、各段轴径和长度的确定
1、轴径的确定原则确定各段直径时应遵循如下原则：
1）有配合要求的轴段应取标准直径。
轴的结构设计及计算
轴的结构设计及计算一、轴的结构设计1.轴的外形尺寸设计轴的外形尺寸设计包括轴的直径、长度、轴颈长度、轴草图等方面。
具体设计参数受以下因素影响：（1）载荷：轴的外形尺寸应根据设计负载来确定。
载荷分为轴向负载和弯矩负载两部分。
轴向负载通过轴承来传递，而弯矩负载作用在轴的中部。
（2）材料：轴的外形尺寸受轴材料的强度和刚度限制。
根据材料的特性，考虑到轴的强度、韧性和硬度。
（3）工作条件：轴工作环境的温度、湿度、油脂润滑、振动等因素对外形尺寸的设计有影响。
例如，在高温情况下，轴的线膨胀要考虑，以保证工作正常。
2.轴的内部结构设计轴的内部结构设计包括轴承座设计、防滑设计和轴孔尺寸设计。
（1）轴承座设计：根据所选定的轴承类型和尺寸，设计轴承座结构，以确保轴与轴承之间的协调度。
轴承座结构应具有足够的强度和刚度，能够传递载荷，并保证轴与轴承之间的空隙要求。
（2）防滑设计：轴与零件之间需要使用紧固件进行连接，以避免轴在工作时滑动和脱离。
必须根据设计载荷和接口尺寸来计算紧固件的数量和规格。
（3）轴孔尺寸设计：根据零件的要求和装配要求，设计轴孔尺寸，使得轴能够与其他零件有效连接，并保证装配的质量。
二、轴的计算1.轴的强度计算轴的强度计算一般涉及以下几个方面：（1）轴的弯曲强度计算：根据所受弯矩以及轴的几何形状、材料等参数，计算轴在弯曲工况下的承载能力。
考虑轴的弯矩分布、扭转矩、振动疲劳影响等因素，进行强度计算。
（2）轴的切削强度计算：当轴上存在切削力或切削载荷时，计算轴在切削区域内的切削强度，以确保轴能够承受切削载荷，并避免刀具和轴的损坏。
（3）轴的挤压强度计算：当轴上存在压力或挤压载荷时，计算轴在压力区域内的挤压强度，以确保轴能够承受挤压载荷，并避免轴的变形或破裂。
2.轴的刚度计算轴的刚度计算是为了评估轴的变形情况，以确保设计轴的刚度足够，以满足使用要求。
在刚度计算中，可以应用刚度矩阵法和有限元法计算轴的刚度。
轴结构设计及强度计算
轴结构设计及强度计算§11—1 概述一、轴的用途与分类1、功用：1）支承回转零件；2）传递运动和动力2、分类按承基情况分转轴——T和M的轴——齿轮轴心轴——而不受扭矩：转动心轴（图11-2a）；固定心轴（图11-2b）传动轴——主要受扭矩而不受弯矩或弯矩很小的轴按轴线形状分直轴——光轴（图11-5a）——作传动轴（应力集中小）阶梯轴（图11-5b）：优点：1）便于轴上零件定位；2）便于实现等强度曲轴——另外还有空心轴（机床主轴）和钢丝软轴（挠性轴）——它可将运动灵活地传到狭窄的空间位置（图11-8），如牙铝的传动轴。
二、轴的材料及其选择碳素钢——价廉时应力集中不敏感——常用45#，可通过热处理改善机械性能，一般为正火调质和合金钢——机械性能（热处理性）更好，适合于大功率，结构要求紧凑的传动中，或有耐磨、高温（低温）等特殊工作条件，但合金钢对应力集中较敏感。
注意：①由于碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同，所以采用合金钢并不能提高轴的刚度。
②轴的各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压）对提高轴的疲劳强度有显著效果。
表11-1，轴的常用材料及其主要机械性能表三，轴设计的主要内容：结构设计——按轴上零件安装定位要求定轴的形状和尺寸交替进行工作能力计算——强度、刚度、振动稳定性计算§11—2 轴的结构设计轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。
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（书上无）一、拟定轴上零件的装配方案根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。
原则：1）轴的结构越简单越合理；2）装配越简单、方便越合理。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
对车轴的结构、制造乃至润滑等方面提出了越来越高的要求。另外，滑车、 辘轳和绞车等起重机械也都离不开轴。辘轳是以人力为原动力，主要用于 汲水，其核心零件就是轮轴。绞车的结构和原理与辘轳基本相同，只是绞 车的手柄半径比辘轳卷轴的半径要大很多，因此在提升重物时更为省力。 湖北铜绿山矿冶遗址发现了战国时期的“木辘轳轴”，实际上是绞车的卷 轴，轴的两端开有疏密不同的孔，疏孔用于安装手柄，密孔便于镶嵌长木 条。上述轴的材料皆为木质，尺寸较大，承受的载荷也有限。随着金属材 料的应用，轴的强度得以提高，可以同时承受弯矩和转矩的作用。
§12-3 轴的结构设计
装配工艺要求是指轴上零件应便于安装和拆卸 一般将轴制成中间粗两端细的阶梯形 轴端应倒角 轴端的键槽应尽量靠近轴端 与滚动轴承配合的轴肩高度和套筒高度应小于轴 承内圈的厚度 与传动零件过盈配合的轴段应制有10°左右的导 向锥面 要尽量减少装配长度
§12-3 轴的结构设计
3. 标准尺寸要求 与标准零件（如滚动轴承、联轴器、
圆螺母）配合处的轴段尺寸必需符合 标准零件的尺寸系列。 4. 提高轴的疲劳强度
加大轴肩处的过渡圆角半径和减小 轴肩高度，就可以减少应力集中，从 而提高轴的疲劳强度。
§12-4 轴的工作能力计算
一、按抗扭强度计算 对于传动轴，其抗扭强度条件为
τ T 9.55 106 P τ MPa
WT
0.2d 3n
§12-3 轴的结构设计
二、轴的结构设计重点要解决的问题 1．轴上零件的轴向定位、固定和周向固定 轴向定位轴的结构设计
为了保证轴上零件靠紧定位面，轴肩处的圆角半径 r 必须小于零件内孔的圆角半径R或倒角C；轴肩高度 一般取h=(0.07～0.1)d，轴环宽度b=1.4h
§12-1 轴概述
§12-2 轴的材料
一、失效形式：疲劳破坏 二、轴的材料要求：
具有较好的强度、韧性，与轴上零件有 相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。此 外，还必须考虑应力集中的影响。
§12-2 轴的材料
三、轴的常用材料： （1）碳素钢 广泛采用35、45、50等优质碳素 钢，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:采用Q235、Q275等普通 碳素钢。 （2）合金钢 常用于高温、高速、重载以及结构 要求紧凑的轴。合金钢有较高的力学性能，但价 格较贵，对应力集中较敏感，所以在结构设计时 必须尽量减少应力集中。 （3）球墨铸铁 耐磨、价格低，但可靠性较差， 一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。
设计公式：
d3
9.55 106 P
0.2τn
A3
P n
mm
若计算截面有键槽，应将直径加大5％ （单键）或10％（双键），以补偿键槽对 轴强度削弱的影响。
MH 2 MV 2
§12-4 轴的工作能力计算
二、 按抗弯扭合成强度计算 对于一般钢制的转轴，抗弯扭合成强度条件为
σ Me W
M 2 αT 2
阶梯轴 曲轴 工程中最常见的是同时承受弯矩和转矩作
用的阶梯轴。
§12-1 轴概述
三、轴设计的要求和步骤 1．轴的设计要求 (1) 结构设计要求 轴应具有合理的结构形 状和尺寸。 (2) 工作能力要求 轴应具有足够的疲劳强 度，对于某些特殊用途的轴，还应有刚度、 振动稳定性等方面的要求。 2．轴的设计步骤 结构设计与工作能力验算往往是交叉进行的， 也是最重要的两步。
§12-3 轴的结构设计
一、轴的结构及各部分名称
§12-3 轴的结构设计
一、轴的结构及各部分名称 轴头：与联轴器和齿轮等传动零件配合的轴段 轴颈：与轴承配合的轴段 轴身：联接轴头和轴颈的轴段 轴环：直径最大用于定位的轴段 轴肩：截面尺寸变化处 还有轴肩的过渡圆角；轴端的倒角；与键连接 处的键槽等结构。
常用的固定方式有键连接和过盈配合。转矩较 大时可采用花键连接，转矩较小时，可采用紧 定螺钉、销钉等措施。
§12-3 轴的结构设计
2．制造工艺和装配工艺要求
制造工艺要求是指轴的结构应尽可能简单便于加工、 节约加工成本。
轴端倒角的尺寸应一致 轴肩的圆角半径应相同 键槽宽应统一，并在同一条加工直线上 设砂轮越程槽 设螺纹退刀槽
对称循环变化的转矩取α =1
[σ-1] b——对称循环应力状态下轴材料的许用弯曲应力
§12-4 轴的工作能力计算
设计公式：
d
3
Me
0.1σ 1
mm
有键槽的计算截面，应将轴径加大5％
（单键）或10％（双键）
机械履痕·轴
远古“钻木取火”的具体方法虽不易确定，但是肯定与孔加工技术有 关。在新石器时代的晚期，一些石器和玉器上钻有细长孔，如甘肃永昌鸳 鸯池就出土过一个管状石器，上面的孔径不足１０ｍｍ，而长达２００ｍ ｍ，显然是使用专门的工具加工而成。舞钻和牵钻是古代两种常用的钻孔 工具。舞钻依靠横木杆上下往复运动，横木杆则通过其上的皮条带动钻杆 往复转动，钻杆下端装有钻头，即行钻孔。牵钻是依靠横木杆上的绳索缠 绕钻杆，当横木杆被牵动时，其上的绳索就带动钻杆往复转动，钻头即行 钻孔。舞钻和牵钻上的钻杆，也许是传动轴最早的雏形。
b
D h r R
d D
h
C
r d
§12-3 轴的结构设计
轴上零件的轴向固定就是不 许轴上零件沿轴向窜动，必 须双向固定。 轴向固定措施： 轴的一端可采用轴端挡圈； 套筒过长可采用圆螺母； 受载较小时可采用弹性挡圈、 紧定螺钉和销钉等固定。
§12-3 轴的结构设计
轴上零件的周向固定就是保证轴上的传动零件 要与轴一起转动。
0.1d 3
σ1
MPa
式中 σ——轴计算截面的当量应力， MPa
Me——轴计算截面的当量弯矩， N·mm
M——合成弯矩， M= MH指水平平面弯矩，
MMVH指2 竖M直V 2 平面弯矩
W——轴计算截面的抗弯截面系数， mm3
α——根据转矩性质而定的应力校正系数
稳定的转矩取α =0.3
脉动循环变化的转矩取α =0.6
§12-1 轴概述
一、轴shaft的作用
功用——支承传动零件并传递运动和动力
二、轴的类型
1. 按受载情况分类:
转轴：弯矩和转矩 如减速器中的各轴
传动轴：只受转矩，如搅拌轴 心轴：只受弯矩 固定：自行车前轴
转动：机车车轮轴
§12-1 轴概述
2. 按结构形状分类: 实心轴（一般齿轮轴） 空心轴（车床的主轴） 挠性钢丝轴 直轴 光轴