机械设计基础 教学课件 作者 赵永刚 主编 11

轴的分类
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（挠性轴），可以把回转 运动灵活地传到不开敞地空间位置。
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第1节 概述
光轴
实心轴
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机械设计基础
主编：赵永刚
第11章 轴 第1节 概述 第2节 轴的结构设计 第3节 轴的强度计算 第4节 轴的设计
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第1节 概述
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。 轴的分类
按照承受载荷的不同，轴可分为三种： ➢ 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。 ➢ 传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。 ➢ 心 轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。
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第2节 轴的结构设计
一、 轴上零件装 配方案
方案一
方案二
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第2节 轴的结构设计
二、轴上零件的轴向定位
目的：为了使零件能够在轴线方向定位和承受轴向载荷。
(1) 轴肩与轴环 轴肩
轴环
b
R
D h
C1 d D
h d
r
r
轴的过渡圆角半径 r < 零件毂孔倒角C1 或圆角R
优质碳素钢：35、45、50等45钢使用最广泛 普通碳素钢：Q235A等 特点 强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好
应力集中敏感性小
热处理后提高耐磨性、疲劳强度
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第1节 概述
(2) 合金钢 用于高速、重载、较重要的轴 常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等
特点 强度和淬火性比碳素钢好
毛坯
圆钢棒料 尺寸小的轴 焊接毛坯 大件锻造困难
铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等
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第1节 概述
1.设计轴时主要应满足轴的强度和结构的要求； 2.对刚度要求较高的轴，主要应满足刚度的要求； 3.对一些高速机械的轴，要考虑满足振动稳定性的要求；
轴的结构设计：根据装配、加工、受力等具体要求，合理 定出轴的形状和各部分结构尺寸。
轴身三部分组成。
轴的结构和形状取决于：
轴的毛坯种类
轴上作用力的大小及分布情况
轴上零件的位置、配合性质以
及联结固定的方法 轴承的类型、尺寸和位置
端轴颈 轴头 中轴颈 轴身 轴头
轴的加工方法、装配方法以及
其他特殊要求
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第2节 轴的结构设计
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第2节 轴的结构设计
当用初步估算求得轴的最小轴径后，即可进行轴的结构设计。 轴的结构设计的目的，主要是确定轴的合理外形和全部结构尺 寸。
轴肩高度 h > 零件毂孔倒角C1 或圆角R
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第2节 轴的结构设计
(2) 套筒
1
2
3
不宜用于较高转速的轴 不能有“过定位”
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第2节 轴的结构设计
(3) 轴端挡圈
用螺钉将档圈固定在轴的端面
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第2节 轴的结构设计
(4) 圆锥面
要与轴肩或锥面配合、固定轴端零件
阶梯轴
空心轴
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第1节 概述
曲轴
直轴
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第1节 概述
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第1节 概述
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第1节 概述
2. 轴的材料及选择
由于轴工作时产生的应力多为交变应力，所以轴的失效多 为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的 应力集中敏感性和良好的加工特性。
(1) 碳素钢
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第2节 轴的结构设计
目的：使轴上零件能同轴一起转动，传递转矩。 (1) 平键联接
制造简单，装拆方便。 用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。
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Hale Waihona Puke Baidu31
第2节 轴的结构设计
三、确定各轴段直径和长度
直径的确定：
1)估算或类比
可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，从dmin处 起逐一确定各段轴的直径。
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第2节 轴的结构设计
(5) 圆螺母
螺纹应力集中严重、 不宜在轴的中间部位，其细牙螺纹
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第2节 轴的结构设计
(6) 弹性挡圈
弹性档 圈
用于轴向力较小的场合
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第2节 轴的结构设计
(7) 紧定螺钉与锁紧挡圈
兼作周向固定 受力较小、不宜于高速轴
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对应力集中敏感性较大
价格比碳素钢贵 注意
刚度与碳素钢相同 (两者弹性模量 E 相近)
我国Cr、Ni 资源少，尽量用代用钢种 (如40MnB机械性能接近40Cr)
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第1节 概述
(3) 球墨铸铁 以铁代钢 特点 吸振性、耐磨性好 对应力集中敏感性较小 可以做成复杂形状 价廉
冲击韧性低、质量不易控制
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第1节 概述
分 类
转轴 （同时承受弯矩M
和转矩T）
心
回转心轴 （只承受弯矩M）
轴
静止心轴 （只承受弯矩M）
传动轴 （只承受转矩T）
应 力
弯曲应力为对称循 环应力，扭转应力 一般为变应力
弯曲应力为对称循 弯曲应力在静载荷 扭转应力通常按
环应力
下为静应力
变应力考虑
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第1节 概述
在轴的设计中，因为转轴工作时，受弯矩和转矩联合作用， 而弯矩与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关。所以当 轴的结构尺寸未确定前，无法求出轴所受的弯矩。因此，开 始只能按扭转强度或经验公式估算轴的直径，然后进行结构 设计，最后进行较精确的强度验算。
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第2节 轴的结构设计
轴上各段的名称 轴通常由轴头、轴颈、
其主要要求是：
轴应便于加工，轴上零件要易于装拆（制造、装拆要 求）； 轴上零件要有准确的工作位置（定位）；
各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）；
提高轴的强度和刚度。
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第2节 轴的结构设计
强度方面，工艺方面
一般设计成中间大、两端小的阶梯形状——阶梯轴
影响轴结构的因素很多，轴没有标准的结构形式，其设计具 有较大的灵活性和多样性，设计时必须从实际出发，全面考虑 问题，才能得出比较合理的结构。
在实际设计中，轴的直径亦可凭设计者的经验取定， 或参考同类机械用类比的方法确定，此外，也可采用经 验公式来估算轴的直径。
转轴
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第1节 概述
转动心轴
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固定心轴
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第1节 概述
转动心轴 车厢重力
支撑反力
转动心轴 火车轮轴
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固定心轴
自行车 前轮轴
前叉
前轮轮毂 固定心轴
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第1节 概述
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第1节 概述
传动轴
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第1节 概述
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。