机械基础轴类零件

铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等
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四、轴设计的主要问题与设计特点 失效形式：1、疲劳破坏— 疲劳强度校核。
2、变形过大— 刚度验算（如机床主轴）。 3、振动折断— 高速轴，自振频率与轴转速接近。
4、塑性变形— 短期尖峰载荷— 验算屈服强度。 设计的主要问题：
1、合理的结构设计— 保证轴上零件有可靠的 工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固 定可靠，便于轴上零件的调整；
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。
30˚
B
d/4
B
r
d
卸载槽
过渡肩环
凹切圆角
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4）避免相邻轴径相差太大；
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2.合理布置轴上零件，改善轴的受力情况
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种类
注意：钢材
对钢材弹性模量E影响很小，
热处理
∴用 热处理 不能提高轴的刚度。 合金钢
问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？ 3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品
质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。
轴的毛坯：圆钢棒料 尺寸小的轴
锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴
焊接毛坯 大件锻造困难
圆整为标准值，即：
单键槽
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d(1.05~1.10)d
双键槽
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3）轴的最小直径dmin应根据
dmin d (满足轴强度要求） 满足该段轴上零件的孔径要求
4）对于传动轴，精确计算； 5）对转轴，初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di
（∵ 支点、力作用点未知）；
6）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭 合成强度计算；
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6．弹性挡圈-----结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力 集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。
B
弹性挡圈
l
注意：零件宽度B > 轴长度l ，取l = B-（2~3）mm
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7．紧定螺钉----结构简单，可兼作周向固定，传递不大的 力或力矩，不宜用于高速。
向定位和固定。
注意事项：
1）轴的过渡圆角半径r—— 应小于轴上零件的倒角C 或圆角 半径R；
220）21/2轴/4 环宽度b—— b1.4h ≥ 10 mm
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r
h
b
h
r
R
D c
d D
d
3）轴肩轴 环高度h
轴肩
轴环
定位轴肩：高度h>C(或R) ,通常取h=(2～3)C或(2
～3)R或h=0.07d+(2～3) mm
锥面
止动垫片
螺钉
轴端挡圈
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5．圆螺母与止动垫圈----固定可靠，可承受较大的轴向力，
但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。常用于轴上两零件
间距较大处，也可用于轴端。
B
圆螺母
l
止动垫圈
注意：零件宽度B > 轴长度l ，取l = B-（2~3）mm
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为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。 止动垫圈
d——轴的直径，mm；
n——轴的转速，r/min。
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对实心圆轴，设计计算式：
3
d
9.55106
0.2[T ]
3
P
3
C
n
P n
mm
C——与轴的材料和承载情况有关的系数。
计算说明：
1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为
轴端；
2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增
大5%，双键槽增大10%，将所计算的直径
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键槽应设计成同一加工直线。
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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花键联接——承载能力高，定心好， 导向性好，但制造较困难，成本较 高。用于传递转矩大，对中性要求 高或导向性好的场合。
过盈配合联接——结构简单，定心 好，承载能力高，工作可靠，但装 配困难，对配合尺寸的精度要求较 高。
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2、工作能力计算 a、有足够的强度— 疲劳强度、静强度； b、有足够的刚度— 防止产生大的变形； c、有足够的稳定性— 防止共振— 稳定性计算。
转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。
轴的设计步骤 选用合适的材料
结构设计
强度和刚度计算
轴的结构形状和尺寸
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3．轴端挡圈----常与轴肩或锥面联合使用，固定零件 稳定可靠，能承受较大的轴向力。
B
轴肩 止动垫片
止动销
止动销
止动垫片
螺钉
轴端挡圈
l
轴端挡圈
螺钉
注意：轮毂宽度B>轴头长度l ，取l = B- （2~3）mm
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4．圆锥面----装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重 载及零件对中性要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联 合使用，实现零件的双向固定。
转动心轴
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问：自行车的前轮轴属于什么类型？
转动心轴
滑轮轴
自行车的中轴是转轴
固定心轴
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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
机械基础轴类零件
第五章 机械零件——轴
§5-1 概述 §5-2 轴径的初步估算 §5-3 轴的结构设计 §5-4 轴的强度和刚度计算
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§5-1 概述
一、轴的主要功用 1、支承轴上回转零件（如齿轮） 2、传递运动和动力
3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。
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二、轴的分类
齿轮 轴承
齿轮
轴承
卷筒
螺栓
卷筒
齿轮
卷筒轴既受弯矩又受扭矩
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齿轮
卷筒轴只受弯矩
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4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。
斜齿轮：
两斜齿轮旋向应相同
行星齿轮减速器：多个行星轮均布
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3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。
a)悬臂支承方案
b)简支支承方案
c)悬臂支承方案(正安装）
销联接——用于固定不太重要，受力 不大，但同时需要轴向固定的零件。
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五、轴的结构工艺性 ——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装
一）轴的加工工艺性要求 1. 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工
时的装卡次数；
a. 正确结构
b.不正确结构
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2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应 留螺纹退刀槽。
滚动轴承：轴肩高度<滚动轴承内圈高度
非定位轴肩：为使零件装拆方便，
取h=(1～2)mm
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2．套筒----常用于两个距离相近的零件之间，起定位和固 定的作用。套筒与轴之间配合较松，不宜用于转速较高 的轴上。
套筒
B
l
注意：轮毂宽度B > 轴头长度l，取l = B -（2~3）mm
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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。
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2、按轴线形状分 光轴
直轴 阶梯轴
又可分为实心、空心（加工困难）
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曲轴：发动机专用零件
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钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。
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§5-2 轴径的初步估算
一、按扭转强度估算轴径
扭转强度条件：
T
T WT
9550103 P
WT n [T]
τT、[τT]——轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa； T——转矩，N·mm；
P——轴所传递的功率，kW；
WT——轴的抗扭截面系数，mm3，对于实心圆轴 ， WT=πd3/16≈0.2d3；
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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。
轴的应力集中 发生的位置
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
a）截面尺寸变化处 2021的/2/4应力集中
b）过盈配合处的应力集中
c）小孔处的应力集中
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减小应力集中的措施：
联轴器
轴颈
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轴身
轴头
轴颈
轴身
轴头
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装配方案的比较：
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二、各轴段直径和长度的确定 1、d：由载荷→dmin→由结构设计要求确定各段的d。 2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑： 1）轴段长比轮毂宽小2~3mm——可靠定位。 2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。
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4.改善轴的表面质量 表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。
1）表面愈粗糙疲劳强度愈低； 提高表面粗糙度。 2）表面强化处理的方法有：
▲ 表面高频淬火； ▲ 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理； ▲ 碾压、喷丸等强化处理。
通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应 力，从而提高轴的疲劳能力。
紧定螺钉
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必须注意： 1）轴上零件一般均应作双向固定，可将各种方法联合使用。 2）保证固定可靠，防止过定位，L轴段长度=B轮毂宽-(2~3)mm。
2~3
2~3
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四、轴上零件的周向固定
一）零件周向固定的目的 使零件能同轴一起转动，传递转矩。 二）常用周向固定
周向固定大多采用键、花键、过盈配合或销等联接形式来 实现。
连轴齿轮
齿轮
12
32
错误分析图
正确结构图
错误原因： 1 — 连轴齿轮两端无倒角轮廓线；
2 — 齿轮左右两端均未轴向固定；
3 — 缺少键联接，齿轮未周向固定。
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1
2
3
正确答案
错误原因：
1.螺母无法安装； 2.应有螺纹退刀槽； 3.轴肩高度应低于轴承内圈高度。
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轴系结构设计中常见错误实例分析
指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。
轴 齿轮 套筒
滚动轴承
1
2
3
错误分析图
错误原因：
正确结构图
1 — 缺少键联接，齿轮未周向固定；
2 — 轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠；
3 — 2021/2/4 轴端无倒角，轴承不便安装。
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二、按经验公式估算轴径
对高速轴： d＝(0.8－1.2)D
对低速轴：
其中，D为电机轴径 d＝(0.3－0.4)a 其中，a为同级齿轮中心距
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§5-3 轴的结构设计
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.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；
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三、轴上零件的轴向固定
一）零件轴向固定的目的
防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。
二）常用轴向固定 1.轴肩（或轴环） 由
定位高度h 过渡圆角r
组成
r
r
h
h
D d
D d
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轴肩
轴环
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r
h
b
h
r
R
D c
d D
d
轴肩
轴环
特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴
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
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合理结构
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2）使转矩合理分配
输出轮 输入轮
1
输出轮 输入轮 输出轮
Tmax= T2 + T3 + T4
Tmax= T3 + T4
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不合理的布置
合理布置
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3）改进轴上零件结构，减轻轴的载荷
动力源 接头
接头 驱动装置
钢丝软轴（外层为护套）
钢丝软轴的绕制
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三、轴的材料
对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加 工工艺性好；材料来源广，价格适中。
1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。 价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。
2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命 长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、 小尺寸的轴。
0.8
砂轮越程槽
螺纹退刀槽
3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸
2021/2/4 尽量统一。
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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 4.装配段不宜过长。
b）导向锥面
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2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整； 3.轴应具有良好的加工工艺性； 4.应有利于提高轴的强度和刚度。
F
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等强度
阶梯轴
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一、轴上零件的布置 轴颈：装轴承处
尺寸= 轴承内径；
组成 轴头：装轮毂处
直径与轮毂内径相当；
轴身：联接轴颈和轴头部分。
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典型轴系结构
轴承盖 滚动轴承 齿轮 滚动轴承 轴承盖 键槽
1、按承载情况分 转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）
如：减速器中的轴。
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传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0 如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
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心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0） 转动心轴：轴转动 固定心轴：轴固定 问：火车轮轴属于什么类型？