第十章-轴

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思考与练习
1．为什么多数直轴要做成阶梯轴？轴采用两头小中间大的结构有什么好处？ 2．自行车的前轴、后轴和中轴是心轴还是转轴？ 3．分析轴的结构，有哪些减小应力集中的措施？如何提高轴的疲劳强度？ 4．公式d≥A有何用途？A如何取，算出的d应为轴的哪一段直径？该段如有键 槽应如何处理？ 5．按当量弯矩校核计算轴强度时，T前为什么要乘折算系数α？如何取值？ 6．轴的强度计算有哪几种方法？各适用于何种情况？ 7．零件在轴上的轴向定位及固定方法有哪些？各有什么特点？ 8．指出图中所示轴系结构设计的错误，请改正（轴承采用油脂润滑）。
调质 形状复杂的轴：QT600、ZG45 3. 铸钢或球墨铸铁 常用来制作曲轴、凸轮轴，具有成本低、吸振性好、 对应力集中敏感性小、强度较好等优点。
§10.1 概 述
轴的常用材料
§10.2 轴的设计
一、轴的结构特点和设计步骤
1. 轴的组成 轴颈（支撑部分）：装轴承处 轴头（工作部分）：装轮毂处 尺寸= 轴承内径； 直径与轮毂内径相当；
轴身（连接部分）：连接轴颈和轴头部分。 齿轮 轴承盖 半联轴器
轴端挡圈 轴承
§10.2 轴的设计
2. 轴的设计内容 （1）结构设计：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。 3. 轴的设计步骤 画草图、选材料、估算最小轴径
装齿轮处轴段的长度应小于齿轮轮 毂的宽度；右轴承的右侧应有台阶。
7.轴端挡圈直接压在轴端轮毂上
轴端挡圈与轴端应有间隙
轴设计举例
例：找出下图轴结构的几处错误，并画出改正后的结构图。
1 2 3
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7
5 4
6
轴设计举例
解： （1）调整垫片 （2）轴台阶过高 （3）套筒处应留间隙 （4）键槽过长
（5）套筒台阶过高 （6）应留台阶 （7）油封及间隙 （8）调整垫片
2 2 M MV MH
M T
2
2
2
M T Md ca [ -1b ] 3 W 0.1d 式中[σ-1b]为对称循环许用弯曲应力（表10-2）； —折算系数（与转矩性质有关）。
2
Md d3 0.1 [ -1b ]
转矩不变
脉动转矩
对称循环转矩
=0.3
§10.1 概 述
§10.1 概 述
问：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
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。
改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 改进轴的结构以减小应力集中的影响 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度
改进轴上零件的结构以减小轴的载荷
起重卷筒
卷筒和大齿轮做 成一体
分装齿轮
双联齿轮
a)方案中轴Ⅰ既受弯矩又受扭矩 b)方案中轴Ⅰ只受弯矩
改进轴的结构以减小应力集中
盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小。
=0.６
=1
§10.3 轴的设计举例
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
⑤ ② ④ ①
1.轴两端均未倒角（应45°倒角） 2.齿轮右侧未作轴向固定（加套筒）
3.齿轮处键槽太短 4.键槽应开在同一条母线上
①
④
③
⑥
⑥
⑦
5.轴肩高度太大，左轴承无法拆卸 6.齿轮与右轴承装卸不便
§10.2 轴的设计
轴肩的尺寸要求:
轴圆角半径r <轴上零件倒角尺寸C <轴间高度h 或轴圆角半径r <轴上零件圆角半径R<轴间高度h b h C C D D rr D h d d 一般，定位轴肩：h(3~5）mm
r R R
d
或h≈(0.07~0.1)d
非定位轴肩:h(0.5~1)mm
轴环宽度:b1.4h
2、轴上零件的定位
周向定位—通过键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合来实现的。 轴向定位—以轴肩、套筒、圆螺母、弹簧挡圈、轴端挡圈等来保证的。
§10.2 轴的设计
装配方案的比较：
§10.2 轴的设计
（1）轴肩、轴环
特点：结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力； 但是使轴径增大，引起应力集中。
轴肩
轴环
根据总体结构的要求进行轴的结构设计
轴的承载能力验算（校核轴径）
no验算合格?yes Nhomakorabea结 束
§10.2 轴的设计
二、轴的结构设计
目标：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。 原则： ◆ 轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；
◆ ◆
轴的结构设计1
轴上的零件应便于装拆和调整； 轴应具有良好的制造工艺性等。
1、拟定轴上零件的装配方案 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。
轴的扭转剪切 T 强度条件：
9.55 106
WT
d3
16
P P 9.55 106 n n [ ] 0.2d 3
查表10-1
9.55 106 P 9.55 106 3 P P 实心轴的直径为： d 3 3 3 C 0.2[ ] n 0.2[ ] n n
机械设计 （10）
第十章 轴
概 述
轴的设计
轴的设计举例
思考与练习
§10.1 概 述
一、轴的用途及分类
用途：支承回转零件及传递运动和动力。
曲轴 分类： 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。 直轴 心 轴─只承受弯矩的轴 转动心轴 固定心轴 如火车车轮轴 如自行车前轴
传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车后桥的传动轴。 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。
§10.1 概 述
二、轴的材料
1. 碳钢 一般用途的轴：优质中碳钢--30、40、45、50
次要的轴：Q235、Q255、Q275
重要的轴 耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，
2. 合金钢
轴颈渗碳淬火
高速重载：40Cr、40CrNi、35CrMo等合金钢，表面淬火、
(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)
§10.2 轴的设计
（2）套筒
特点：结构简单,定位可靠,用于零件间距较小场合,轴转速较高时不易选用。
防止过定位： L轴段长度=B轮毂宽-(1~3)mm
§10.2 轴的设计
（3）弹性挡圈
特点：结构简单,常用于滚动轴承的轴向固定， 只能承受很小的轴向力。
§10.2 轴的设计
为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径 有一个键槽 轴径增大4% 有两个键槽（180°） 轴径增大10%
§10.2 轴的设计
各 轴 段 直 径 的 确 定
估算出轴的最小直径后，按轴的各段在装配中的作用，由小到大来定剩余轴段 的直径。如起定位作用可大（6~10）mm，如图中①和②、④和⑤、⑥和⑦，但 轴肩或套筒直径应小于轴承内圈外径。若仅为装配方便或区别加工，可大（1~3） mm，如图中②和③、 ③ 和④、⑤和⑥。退刀槽的尺寸可查手册。
§10.2 轴的设计
2. 按许用弯曲应力校核轴径 齿轮（带轮、链轮）受力点在轮宽中点处。 联轴器的受力点在其轮毂长的二分之一处。 (1)确定轴的受力点 轴承支反力的受力点与轴承类型和布置方式有关。 （图10-9） (2)画出轴的空间受力简图（水平面、垂直面；求支反力） (3)画出弯矩图（水平面弯矩MH、垂直面弯矩MV、合成弯矩M） (4)画出转矩图（T） (5)计算当量弯矩Md M d (6)校核轴的强度
改进轴的表面质量
表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、 氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理； 合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。
§10.2 轴的设计
4、轴的结构工艺性
§10.2 轴的设计
三、轴的强度计算
1. 按扭转强度条件估算轴径
这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。 在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。
（4）圆螺母加止动垫片
注意：圆螺母与轴的相应 端面应留有间隙。
特点：多用于轴端，可承受 较大轴向力，但螺纹对轴削 弱较大。
§10.2 轴的设计
（5）轴端挡圈
注意：轴端挡圈与轴的相 应端面应留有间隙。
特点：适用于固定轴端零件
§10.2 轴的设计
3、提高轴的强度的常用措施
◆ ◆ ◆ ◆
合理布置轴上零件以减小轴的载荷
§10.2 轴的设计
各 轴 段 长 度 的 确 定
各轴段长度的确定，应综合考虑零件的轮毂长度和相对箱体的安装位置， 由内向外确定。一般轴头长度略短于与之配合的轮毂长度（1~3）mm，如①和 ④段要小于带轮宽和齿轮宽；轴上周向固定的键长度应小于该轴头（5~8）mm， 并取标准，且靠近装入端（2~5）mm。