轴结构设计
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
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
机械设计基础
Machine Design Foundation
轴的结构设计
4 轴的结构工艺性 轴的结构工艺性是指所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。为了使轴的 工艺性好，轴的结构设计应注意以下几个问题。
(1) 为便于零件的装拆，轴端应有45°的倒角,零件装 拆时所经过的各段轴径都要小于零件的孔径；
(2) 轴肩或轴环定位时，其高度必须小于轴承内圈端 部的厚度； (3) 用套筒、圆螺母、轴端挡圈作轴向定位时，一般 装配零件的轴头长度应比零件的轮毂长度短2～3mm， 以确保套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面;
机械设计基础
Machine Design Foundation
轴的结构设计
(4) 轴上的圆角、倒角和退刀槽应尽可能取相同尺寸， 以减少刀具数量和换刀时间。为了减少轴的装夹次数， 轴上有两个以上键槽时，应尽可能布置在同一条母线上; (5) 轴上磨削的轴段和车制螺纹的轴段，应分别留有螺 纹退刀槽和砂轮越程槽;且后轴段的直径小于轴颈处的 直径，来减少应力集中，提高疲劳强度; (6) 装配段不宜太长。
机械设计基础
Machine Design Foundation
轴的结构设计
2) 轴段长度的确定 (1) 在安装齿轮时为了使齿轮固定可靠，应使齿轮轮毂 宽度大于与之相配合的轴段长度，一般两者的差取2～ 3 mm。 (2) 装滚动轴承处的轴长，查手册按轴承宽度来确定。 (3) 轴上回转零件与其他零件之间的轴向距离推荐：两 回转件间的距离取10～20 mm；回转件与内壁之距离取 10～20 mm；轴承端面至箱体内壁之距离为当减速器齿轮 圆周速度v＞2 m/s时，轴承采用油液飞溅润滑，取5～ 10 mm；当减速器齿轮圆周速度v＜2 m/s时，轴承采用油 脂润滑，还需加挡油环，防止油脂被稀释，取10～15mm； 外伸件距箱体轴承盖的距离，考虑应留有螺钉装拆及扳 手空间位置，取20～35mm。
轴的结构设计
轴的结构设计
• 1.2 轴的结构设计
轴的结构设计就是确定轴的外型和全部结构尺寸。影响轴结构的因 素很多，设计时应对不同情况进行具体分析。对一般轴结构设计的基 本要求是：
1.便于轴上零件的装配
2.保证轴上零件的准确定位和可靠固定 3. 轴的加工和装配工艺性好 4.减少应力集中，改善轴的受力情况
轴的结构设计
• 1.2 轴的结构设计
1.便于轴上零件的装配 为便于轴上零件的装拆，将轴做成阶梯轴。对于剖分式箱体，轴的
直径由中间向两端逐渐变小。如图1-9所示，首先将平键装在轴上，再 从左端依次装入齿轮、套筒、左端轴承，从右端装入右端轴承，然后 将轴置于箱体的轴承孔内，装上左、右轴承端盖，再从左端装入平键、 带轮。
采用定位套筒代替圆螺母和弹性挡圈使零件轴向固定，可避免在轴上 制出螺纹、环形槽等，能有效地提高轴的疲劳强度。
轴的表面质量对轴的疲劳强度影响很大。因轴工作时，最大应力发生 在轴的表面处，另一方面，由于加工等原因，轴表面易产生微小裂纹， 引起应力集中，因此轴的破坏常从表面开始。减小轴的表面粗糙度，或 采用渗碳，高频淬火等方式进行表面强化处理，均可以显著提高轴的疲 劳强度。
②套筒和圆螺母 当轴上零件距离较近时用套筒作相对固定,可简化轴 的结构，减少轴径的变化，减少轴的应力集中，如图1-9所示。
当套筒太长时，可采用圆螺母作轴向固定。此时须在轴上加工螺纹， 将会引起较大的应力集中，轴段横截面面积减小，影响轴的疲劳寿命， 如图1-11所示。
轴的结构设计
图1-10 轴肩
图1-11 圆螺母定位
d=（0.8~1.2）D； 各级低速轴段直径可按同级齿轮的中心距a估算，
d=（0.3~0.4）a。
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。
举例说明轴结构设计的要点
举例说明轴结构设计的要点一、介绍轴结构设计的背景和意义轴是机械传动中的重要部件，其结构设计直接影响到机械性能和使用寿命。
因此，轴结构设计是机械设计中非常重要的一个环节。
合理的轴结构设计可以提高机械设备的工作效率和使用寿命，降低维修成本和故障率。
二、轴结构设计的要点1. 轴的材料选择轴的材料应该具有良好的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性。
常用的轴材料有碳素钢、合金钢、不锈钢等。
在选择材料时，还需要考虑到生产成本和可靠性等因素。
2. 轴径和长度确定轴径和长度是根据承载力、转速、工作条件等因素来确定的。
一般来说，轴径越大，承载能力越强，但也会增加制造成本；而轴长度则需要根据具体情况进行合理设置。
3. 轴承选型与布局在进行轴结构设计时，需要根据承载能力及转速等因素来选择合适的轴承类型，并进行合理布局。
同时还需要注意保证轴承的润滑和散热条件。
4. 轴的表面处理轴的表面处理对于其使用寿命和性能有着重要的影响。
常用的表面处理方法包括镀铬、氮化、热处理等。
选择合适的表面处理方法可以提高轴的耐磨性和耐腐蚀性。
5. 轴尺寸公差控制在进行轴结构设计时，需要根据实际情况合理设置轴尺寸公差，以保证轴件之间的配合精度。
过大或过小的公差都会影响到机械设备的工作效率和使用寿命。
6. 轴与其他部件配合设计在进行轴结构设计时，还需要考虑到与其他部件之间的配合关系。
例如，轴与齿轮之间需要保证精准配合，以确保传动效率和稳定性。
三、举例说明以汽车发动机曲轴为例，其结构设计要点包括：1. 材料选择：一般采用高强度铸钢或锻造钢材料。
2. 轴径和长度确定：根据发动机功率、转速等因素来确定曲轴直径和长度。
3. 轴承选型与布局：曲轴采用滚动轴承，需要合理布局以保证润滑和散热条件。
4. 轴的表面处理：曲轴表面经过淬火、磨削等处理，以提高其耐磨性和耐腐蚀性。
5. 轴尺寸公差控制：曲轴尺寸公差需要控制在合理范围内，以确保与其他部件的精准配合。
6. 轴与其他部件配合设计：曲轴与连杆、齿轮等部件之间需要进行精准配合设计，以确保发动机传动效率和稳定性。
轴的结构设计
轴的结构设计
轴的结构设计是指在机械设备中使用的轴的形状、尺寸、材料、加工工艺等方面的设计。
轴是一种常见的机械零件，用于传递旋转运动和承受力矩。
在轴的结构设计中，需要考虑以下几个方面：
1. 轴的形状和尺寸：根据传递的力矩和转速要求，确定轴的直径、长度、几何形状等。
轴的形状可以是圆柱形、圆锥形、轮廓复杂的曲线形等。
2. 轴的材料：选择合适的材料，以满足轴的强度、刚度和耐磨性等要求。
常用的轴材料有结构钢、合金钢、不锈钢等。
3. 轴的加工工艺：确定轴的加工工艺，包括车削、磨削、冷挤压等。
根据轴的尺寸和形状，选择合适的加工方法，以保证轴的精度和表面质量。
4. 轴的键槽和轴承座设计：考虑轴与其他部件的连接方式和承载情况，设计合适的键槽形状和尺寸，以及轴承座的布局和结构。
5. 轴的表面处理：根据使用环境和要求，对轴进行表面处理，如镀铬、钝化、渗碳等，以提高轴的耐磨性和防腐蚀性。
总之，轴的结构设计需要兼顾轴的强度、刚度、耐磨性、轴与
其他部件的连接方式等方面的要求，以保证轴在工作过程中的可靠性和寿命。
机械设计-轴的结构设计
D h
d D
h C d
r为过渡圆角 R为圆角
C 零件倒角
应使： r < R < h 或 r <C < h
要求轴肩零件的定位与固定
1、轴向定位和固定
2）套筒
（简单可靠、常用于近距离，且承受轴向力大） 多用于转速不高的场合。
轴的结构设计
3 轴上零件的定位与固定
轴的结构设计
1 基本要求 2 轴的结构和轴上零部件 3 轴上零件的定位与固定 4 轴的直径和长度确定 5 轴的结构工艺性 6 提高轴强度的措施
CONTENTS
目 录
轴的结构设计
1 基本要求 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。
1、各轴段直径确定 1) 按应力估算轴段直径d min 。 2) 按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径，经验值 3~5 1~2
d1 d2 d3 d4 d5 d6 d
7
轴的结构设计
4 轴的直径和长度的确定
2、各轴段长度
①各轴段与其上相配合零件宽度相对应； ②转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。
轴的结构设计
轴的结构应便于加工、装配、拆卸、测量和维修等。 5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，尺寸尽量相同。
轴的结构设计
6 提高轴强度的措施
1、合理布置轴上零件以减少轴的载荷
MB
MC
MA
MD
MB
MC
B
C
A
T
700N.mm
D
B
C
T
B
C
A
Dx B
C
MD
MA
轴的结构设计
轴的设计1.轴的功用1）支撑回转零件2）传递运动和转矩。
2.轴设计时要解决的问题1）结构问题，确定轴的形状和尺寸；2）强度问题，防止轴发生疲劳断裂；3）刚度问题，防止轴发生过大的弹性变形；4）振动稳定性问题，防止轴发生共振。
3.轴结构应满足的要求1）加工工艺性好；2）便于轴上零件装拆；3）轴上零件要有准确的定位；4）轴上零件要有可靠的固定。
4.轴上零件的轴向定位和固定1）轴肩或轴环定位轴肩：h＝(0.07~0.1)d＞R或C；非定位轴肩：h＝1～2 mm，作用是便于轴上零件的装拆；轴环宽度一般取：b =1.4 h；滚动轴承的定位轴肩或轴环高度－查标准；2）套筒对轴上零件起固定作用，常用于近距离的两个零件间的固定。
3）圆螺母用于轴上两零件距离较远时，或轴端。
需切制螺纹，削弱了轴的强度。
4）弹性挡圈需切环槽，削弱了轴的强度。
承受不大的轴向力。
5）轴端挡圈用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。
常配合锥面使用。
5.轴上零件的周向固定防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。
常用的周向固定方法：平键、花键、紧定螺钉。
6.轴的强度计算1）按扭转强度计算式中，系数C 与轴的材料和承载情况有关，查表。
弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C 取小值；弯矩较大时，C 取大值；扭转强度公式一般用来初算轴的直径，计算出的d 作为受扭段的最小直径d min；若该轴段有一个键槽，d 值增大5% ，有两个键槽，增大10%。
2）按弯扭合成强度计算由于σb 与τ的循环特征可能不同，需引进校正系数α将τ折合成对称循环变应力。
式中，M e为当量弯矩。
7.轴的设计步骤1）根据功率P 和转速n ，用扭转强度公式初算受扭段的最小直径d min；2）根据初算轴径，进行轴的结构设计；3）按弯扭合成强度校核轴的危险截面（N则返回步骤2）；4）将d min 圆整成标准直径。
《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
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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
轴结构设计的基本要求
轴结构设计的基本要求
轴结构设计是指在机械设备中，对于轴的使用和设计方法的总称。
对于轴的结构设计，有以下几个基本要求。
1.强度要求：轴的强度是设计的一个重要方面，需要考虑到承受
的载荷和力矩等因素，才能确定合适的材料和尺寸。
2.刚度要求：轴的刚度直接影响到机械设备的工作性能，刚度越大，失配的可能性就越小，精度也越高。
3.稳定性要求：轴的稳定性就是指轴能够承受震动、突然负载等
外界因素的影响，不会发生任何的变形或破裂现象。
4.平衡要求：轴在使用过程中，如果出现了不平衡现象，就会使
得机械设备的工作出现问题。
因此，设计时需要考虑轴的平衡性。
5.装配配合要求：轴与相邻零件的配合是设计的重要方面，使得
机械设备能够保持稳定和精确的运行。
6.可靠性要求：轴结构设计需要考虑到耐久性、使用寿命、维护
保养等诸多方面，以最大程度地保证设备的可靠性和持久性。
综上所述，轴结构设计的基本要求是强度、刚度、稳定性、平衡、装配配合和可靠性。
只有在满足这些基本要求的基础上，才能有效地
提高机械设备的工作性能。
轴结构设计的基本要求
轴结构设计的基本要求一、概述轴结构设计是工程设计中的一个重要环节，涉及到建筑、机械、航空等领域。
良好的轴结构设计可以提高工程的稳定性、安全性和可靠性，对于工程的整体性能有着至关重要的影响。
本文将从基本要求、设计流程、典型问题以及优化方法等方面，对轴结构设计进行全面、详细、完整且深入地探讨。
二、基本要求轴结构设计的基本要求主要包括以下几个方面：1.强度与刚度轴结构需要具备足够的强度和刚度，以承受外部荷载和自重，同时保证结构的变形在允许范围内。
在设计过程中，需要根据具体的工况和要求，合理选取材料、截面形状和尺寸，并进行强度和刚度的计算和验证。
2.稳定性轴结构设计要考虑结构的稳定性，即在受到外部荷载作用时，能够保持结构的平衡和稳定。
对于长、细比较大的轴结构，常常需要进行稳定性分析，避免产生屈曲失稳。
3.耐久性轴结构设计还要考虑结构的耐久性，包括抗氧化、抗腐蚀、抗疲劳等方面。
对于暴露在恶劣环境中的轴结构，要选择具有良好耐久性的材料，并进行相应的表面处理和防护措施。
4.可维护性轴结构的设计要考虑到结构的可维护性，即方便对结构进行检修和维护。
在设计过程中，要合理安排构件和连接方式，尽可能减少维护工作的难度和成本。
5.经济性轴结构设计要追求经济性，即在满足上述基本要求的前提下，尽可能减少材料消耗和工程造价。
要综合考虑各种因素，选择合适的设计方案，进行经济性评估和比较。
三、设计流程轴结构设计的一般流程包括以下几个步骤：1.确定设计任务和约束条件在设计之前，需要明确设计的任务和约束条件，包括结构类型、荷载要求、使用环境等。
这些信息将对后续的设计决策和计算分析起到重要的指导作用。
2.选取合适的材料根据设计任务和约束条件，选取合适的材料，考虑材料的强度、刚度、耐久性等指标，并结合实际情况进行选择。
3.确定截面形状和尺寸根据选取的材料和设计要求，计算出轴结构的截面形状和尺寸。
在进行计算时，要考虑强度、刚度、稳定性等多个因素，并进行综合比较和优化。
轴结构设计和强度校核
轴结构设计和强度校核
在进行轴的结构设计时，首先需要计算轴的弯曲应力。
弯曲应力是由于轴在负载作用下会发生弯曲而产生的应力，可以通过以下公式计算：σ=(M*c)/(I*y)
其中，σ为轴的弯曲应力，M为轴端的扭矩，c为轴的断面形心距，I为轴截面的惯性矩，y为轴上其中一截面上的最大距离。
根据弯曲应力的计算结果，可以选择合适的材料和轴的几何形状，以满足强度要求。
常用的轴材料有碳钢、合金钢和不锈钢等。
此外，轴还需要考虑扭转应力。
扭转应力是由于轴在传递扭矩时会产生的应力，可以通过以下公式计算：
τ=(T*r)/(J)
其中，τ为轴的扭转应力，T为轴端的扭矩，r为轴的半径，J为轴截面的极惯性矩。
轴的强度校核主要是通过计算轴的弯曲和扭转应力与材料的抗弯和抗扭强度之间的比较来完成。
一般来说，轴的弯曲应力不应超过材料的抗弯强度，而扭转应力不应超过材料的抗扭强度。
如果轴的弯曲应力或扭转应力超过了材料的强度限制，需要重新设计轴的几何尺寸或者选择更高强度的材料。
轴结构设计和强度校核是机械设计中非常重要的一部分。
合理的轴设计可以确保机械设备的正常运行，并提高其工作效率和寿命。
同时，通过强度校核可以避免轴的失效和损坏，保证机械设备的安全性。
因此，在机械设计中，轴结构设计和强度校核是必不可少的工作环节之一。
举例说明轴结构设计的要点
轴结构设计要点1. 什么是轴结构设计轴结构设计是指在建筑设计中，针对建筑物或结构的轴线进行规划和设计，以确定其中的主轴线、次轴线、平行轴线、对称轴线等。
轴结构设计不仅仅是对建筑形式进行布局，还包括对建筑物功能、空间布局和流线等方面的考虑。
2. 轴结构设计的重要性轴线是建筑设计的基础，它决定了整个建筑物的形式和内部布局。
合理的轴线设计可以使建筑物更加美观、功能布局合理，并且增强建筑的整体性和统一性。
同时，轴线还是建筑物内部空间流线的引导者，可以使人在建筑内部产生直观、连贯的空间感。
3. 轴结构设计的要点3.1 主轴线的确定主轴线是建筑物整体形式和布局的基础，一般沿建筑物的最主要的线性方向进行布置。
确定主轴线时，需要考虑建筑物的用途、功能需求、场地条件等因素，并且要与周围环境和背景相协调。
3.2 次轴线和平行轴线的确定除了主轴线外，还可以通过次轴线和平行轴线来丰富建筑的形式和空间布局。
次轴线可以是相对主轴线垂直或与之成角的线，平行轴线可以沿主轴线的方向延伸。
次轴线和平行轴线的设置要考虑建筑物的功能和空间需求，以及视觉效果的追求。
3.3 轴线的对称性轴线的对称性是轴结构设计中的重要要点之一。
对称轴线可以增强建筑物的整体性和稳定感，使建筑物更加协调。
对称轴线不仅可以体现在建筑物的平面布局上，还可以体现在立面和空间布局中。
3.4 空间流线的引导轴结构设计还要考虑建筑物内部的空间流线，即人在建筑物内部的移动路径。
合理的空间流线设计可以提高建筑物的使用效率和功能性，使人在其中感到舒适和便捷。
空间流线的引导可以通过轴线的设置和空间布局来实现。
4. 轴结构设计的案例举例4.1 欧洲古典建筑的轴线设计欧洲古典建筑中经典的轴线设计可以通过拿破仑的凯旋门来说明。
凯旋门的主轴线延伸至远处的卢浮宫，在主轴线上还设置了平行轴线和次轴线。
整个轴线系统通过对称和空间流线的引导，形成了庄严、壮观的建筑形式和布局。
4.2 现代建筑的轴线设计现代建筑中的轴线设计注重独特性和个性化。
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。
轴的常用材料结构设计强度设计
轴的常用材料结构设计强度设计轴是一种用于转动传递动力的机械元件，常用于机械设备和工具中。
轴的常用材料、结构设计和强度设计对于确保机械设备的正常运行和使用寿命具有重要影响。
下面将从这三个方面进行详细介绍。
一、常用材料1.碳素钢：碳素钢是最常用的轴材料之一，它具有优良的机械性能和可焊性，价格相对较低。
碳素钢常用于一般机械设备轴的制造。
2.铁素体不锈钢：铁素体不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，适用于对耐腐蚀性要求较高的轴，例如化工设备等。
3.高速钢：高速钢具有优良的耐磨性和高温强度，适用于高速运转的轴，例如汽车发动机曲轴等。
4.铝合金：铝合金具有低密度和良好的导热性，适用于重量要求较轻的轴部件，例如航空航天设备和摩托车等。
5.钛合金：钛合金具有优良的耐腐蚀性和高强度，适用于对轴要求高温、高压和腐蚀环境下使用的设备，例如船舶和化工设备等。
二、结构设计1.双蜗轮轴：双蜗轮轴是一种常见的轴结构设计，通过两个蜗轮的联动来达到增速或降速的目的。
这种结构设计可实现轴的复合运动，并能在设计时根据需求选择不同的速比。
2.锥齿轮轴：锥齿轮轴是一种将转动力传递给非平行轴的结构设计。
锥齿轮轴由一对齿数不同的对称锥齿轮组成，通过锥齿轮的啮合来实现力的传递。
这种结构设计适用于大功率传动和高速传动。
3.柱状齿轮轴：柱状齿轮轴是一种将转动力传递给平行轴的结构设计。
柱状齿轮轴由一对齿数相同的对称柱状齿轮组成，通过柱状齿轮的啮合来实现力的传递。
这种结构设计适用于平行轴的中小功率传动。
4.花键连接轴：花键是一种常见的轴连接结构，通过花键的嵌入和轴的切槽来实现轴和其他部件的连接。
这种结构设计具有简单、可靠的特点，适用于中小功率传动。
轴的强度设计是确保轴能够承受力的传递和外部负载的关键。
强度设计主要包括强度计算和轴的加工处理。
1.强度计算：轴的强度计算包括静态强度计算和动态强度计算。
静态强度计算主要考虑轴在静态负载下的强度，包括拉伸强度、挤压强度和弯曲强度等。
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蜗杆传动
轮系
15.1.1 轴的分类
转 轴: 工作时既承受弯矩M又承受转矩T
按
载 荷
只承受弯矩M，不传递 转动心轴
心 轴: 转矩T或转矩很小
分
固定心轴
类
传动轴 : 传递转矩T而不承受弯矩M
转轴——减速器的轴
心轴——转动心轴与固定心轴
传动轴——汽车的传动轴
直: 轴线是直线 按 轴 线 曲轴: 轴线是平行线 分 类
错误
(3)圆螺母固定
(4) 轴端挡圈
特别注意：选用套筒、圆螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应 把装零件的轴段长度设计得比轮毂短 2-3mm，以确保套筒、 圆螺母、轴端挡圈能靠紧轴上零件端面。
(5) 弹性挡圈 (6)紧定螺钉
2、轴上零件的周向固定
为了传递运动和转矩,或因需要,轴上零件还需 有周向固定：键、花键、销、型面等
③
④ ⑤⑥ ⑦
? 制造要求：台阶数尽可能少； 多个键槽最好同线 必要的退刀槽和越程槽
? 安装要求：台阶； 倒角； 圆角；
15.2.3 固定要求 1、轴上零件的轴向固定方法
错误
(1) 轴肩固定
轴肩圆角半径 r ? 圆角半径 R 轴肩圆角半径r ? 倒角C1
轴肩高 h ? R
轴肩高h ? C1
(2)套筒固定
1、轴的疲劳强度安全系数的校核计算
危险剖面是指发生破坏 可能性最大的截面: （1）M、T较大 （2）尺寸较小或突变 （3）应力集中
软轴: 轴线可大幅度改变
按 实心轴: 常用 轴 芯 分 空心轴: 在航空、导弹、航天领域。 为什么？ 类
15.1.2 轴的材料及热处理
轴的材料主要采用
碳素钢
合金钢
常用的优质碳素钢有
36、46、45、和56钢， 其中45钢应用最多
常用的合金钢有 26Cr、46Cr、
35SiMn 和35CrMo 等
? 热处理
?e ?
?
2 b
?
4(??
)2
?
[?
]? 1b
? ? ? 根据转矩循环性质确定的折合系 数
对于不变的转矩 ,? ? [? ]?1b ? 0.3 [? ]?1b
当转矩脉动变化时 ,? ? [? ]?1b ? 0.6 [? ]0b
对于频繁正反转的轴,? ? [? ]?1b ? 1 [? ]? 1b
15.3.3 轴的安全系数校核计算
齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的 轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承 的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。
15.3 轴的强度校核计算
15.3.1 轴的计算简图
轴的受力和支点的简化
15.3.2 按弯扭合成强度计算
强度条件式 :第三强度理论
1）中碳钢：调质或者淬火 2）低碳钢：渗碳后淬火 3）重要的轴：深冷尺寸稳定、或高温回火
注意： 1. 合金钢对应力集中敏感。 2.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的刚度相差不多。
即不能靠选合金钢来提高轴的刚度。
15.1.3 轴的设计（Shaft design）
3) 进行校核计算。
已知 条件
选择 轴的 材料
初算 轴径
结构 设计
计算 弯矩 转矩
修改直径
校核 完善 计算 设计
不满足
转轴设计程序框图
15.2 轴的结构设计
15.2.1 轴颈、轴头、轴身
轴主要有轴颈、轴头、轴身组成。 轴颈——轴上被支承的部分。 轴头——安装轮毂的部分。 轴身——联接轴颈和轴头的部分。
r ? ? min ? ? max
? r ? 1, 静应力
? ?
r ? 0， 脉动应力
? ?
r
?
? 1,
对称循环应力
其中：?
a
?
?
max
??
2
min
?
m
?
?
max
??
2
min
r =1
r =0
r =-1
第十五章 轴（Shaft）
15.1 概述 功用：支撑传动件、传递动力和运动
两级直齿圆柱齿轮减速器
轴系零部件设计 Shafts and associated parts
? 零件：轴、轴毂联结零件（键、花键、销）
? 内容：受力，设计中考虑的问题，结构上 如何实现
复习：机械零件的载荷 Loads on the machine elements
? 载荷过程分类（ Load classification ） 1) 静载荷或变化过程十分缓慢（ Static load） 2) 始终不变，如重力（ Sustained load ） 3) 周期性动载荷（ Cyclic load） 4) 冲击载荷（ Impact load）
? 横向力V：剪切应力 τ Transverse load: shear stress
? 弯矩M：拉（压）应力 σ Bending moment: tensile (compressive) stress
? 扭矩T：扭转剪切应力 τ Torque: torsional shear stress
? 循环特性r
轴的设计主要解决两个方面的问题： 设计计算： 保证危险截面不发生预期的失效 结构设计： 保证工艺性、装配性、维护性能等
? 轴的设计流程（ Shaft design procedure ）
轴的设计分三步进行 :
1) 初定轴径： 2) 结构设计: 画草图, 确定轴的各段尺寸,
得到轴的跨距和力的作用点;
注意： 轴颈和轴头的直径应按规范圆整取标准值，特
别是安装滚动轴承 的轴颈必须按照轴承的孔径选取。 轴身的形状和尺寸主要按轴颈和轴头的结构决定。
设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。 设计要求：
1) 轴应便于加工，轴上零件应便于装拆 （制造安装要求）
2) 轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置 （定位固定要求）
? 载荷形式分类(Types): 法向力(Normal)、 剪切力(shear force)、弯矩(bending moment)和转矩/扭矩(torque)
载荷与应力及其循环特性 r ? ? min ? max
? 轴向力F：拉（压）应力 σ Axial load: tensile (compressive) stress
3) 轴的受力合理，尽量减少应力集中等
以减速器的低速轴 为例加以说明
减速器低速轴结构图
15.2.2 制造安装要求 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐
渐向中间增大的阶梯状。 零件的安装次序 装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽， 车螺纹的轴端应有退刀槽。
倒角
①②
设计：陈德淑
设计：陈德淑