轴结构设计

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
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: 轴线是直线 按 轴 线 曲轴: 轴线是平行线 分 类
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
? 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
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。
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）
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）
?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
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
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) 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
wenku.baidu.com
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
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
? 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
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;
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
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