机械原理第十章 轴

轴肩和轴环
轴肩
①定位轴肩 h=(0.07~0.1)d r < C(或R) < h
②非定位轴肩 h=1~2mm 作用：过渡（方便装拆）
轴环 b=1.4h
非定位轴肩
套筒
限制零件间相对位置，不宜 用于较高转速的轴。
轴端挡圈
尺寸要 求
2~3mm 用螺钉将档圈固定在轴的端面； 要与轴肩或锥面配合，固定轴端零件。
（下册）
第十章 轴
第一节 概 述 第二节 轴的结构设计 第三节 轴的设计计算
第一节 概 述
一、轴的用途及分类
轴用于支承转动的机械零件，实现运动和动力的传递，并通 过轴承支承在机架或机座上。
根据轴在工作中承受载荷的性质不同，轴分为心轴、传动轴 和转轴。
心 轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。 传动轴─只承受转矩的轴，如汽车的传动轴。
设计公式：
9.55106 P
P
d 3 0.2T n A0 3 n
当轴的截面上有键槽时，可按圆轴计算，但应适当增大轴径。
（二）按弯扭合成强度条件计算 — 用于转轴
对于一般的钢制轴，可根据第三强度理论确定其危险截面 的强度条件：
ca

2 b

4
2

1
考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同的影响，引入折合系数，
三、确定各轴段的直径和长度
各轴段直径确定 ①按扭矩估算轴段直径d min ②按轴上零件安装、定位要求确定各轴径
③与标准零件相配合轴径应取标准值； 各轴段长度确定
主要是根据轴上各零件与轴配合部分的轴向尺寸以及相邻 零件间必要的间隙来确定。
四、轴的结构工艺性
轴的结构形式应该具有良好的加工和装配性能 1）留有砂轮越程槽、螺纹退刀槽等。
第二节 轴的结构设计 重点
轴应该具有合理的外形和尺寸。决定各轴段的长度、直径以 及其它细小尺寸在内的全部结构尺寸的过程就是轴的结构设计。
通常轴的结构应该从以下几个方面来考虑： 1）轴应该便于加工，轴上零件装拆容易，轴的受力合理。 2）轴上零件和轴要有准确的相对位置，即定位要准确。 3）轴和轴上零件在受力后，由定位确定的相对位置不应改 变，即需要固定。 4）尽可能地减小应力集中，提高轴的强度。
轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。
轴颈——与轴承相配 的部分；
轴头——与轮毂相配 的部分；
轴身——连接轴颈和 轴头的部分；
轴颈
轴头
一般采用中间粗、两端细的阶梯轴
轴身
一、拟定轴上零件的布置方案
拟定轴上零件的布置方案就是预定出轴上主要零件的装配方 向、装配顺序和相互关系，从而决定轴的结构形状，是轴进行结 构设计的前提 。在拟定方案时，一般应考虑几个方案，可以进行 比较选择。
第三节 轴的设计计算
根据轴的失效形式，其计算准则是满足轴的强度要求和刚度要 求，必要时还应校核轴的振动稳定性，即计算轴的临界转速。
一、轴的强度计算
轴的强度计算方法主要有四种：按扭转强度条件计算，按弯 扭合成强度条件计算，按疲劳强度条件（安全系数校核）计算及 按静强度条件计算。
（一）按扭转强度条件计算
二、零件在轴上的定位和固定
为了保证零件在轴上安装时位置准确可靠，同时防止轴上零 件受力时发生沿轴向和周向的相对运动，轴上零件一般都必须进 行轴向和周向的定位和固定，以保证其准确的工作位置。
（一）轴上零件的轴向定位和固定
零件在轴上的轴向定位和固定通常是以轴肩、轴环、套筒、 轴端挡圈、轴承端盖和圆螺母等实现。
圆螺母 为保证固定可靠，螺母端面保证与零件端面接触。
B
L
尺寸要求 B-L=2~3mm 螺纹应力集中严重，不宜在轴的 中间部位。
锁紧挡圈 用紧定螺钉固定在轴上，装
拆方便，通常用于光轴上零件的 定位，但不能承受大的轴向力
弹性挡圈
用于轴向力较小的场合。
（二）轴上零件的周向固定
目的——限制轴上零件与轴发生相对转动。 常用的周向定位方法有键联接、花键联接、成形联接、销 联接和过盈配合等，通称轴毂联接。
转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
按轴的形状分：直轴、曲轴和软轴
光轴 直轴
阶梯轴 曲轴
软轴
原动机
工作机
挠性钢 丝轴
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。
二、轴设计的内容
轴的设计：结构设计和工作能力计算。 轴的结构设计——合理地确定轴的结构形式和尺寸； 轴的工作能力计算——轴的强度、刚度和稳定性等方面的计算。
（二）改进轴上零件的结构或布置以减小轴的载荷
起重卷筒的两种不同方案
改变轴上零件的布置位置可 以减小轴上的载荷。
பைடு நூலகம்
（三）改善轴的表面品质以提高其疲劳强度
轴的表面粗糙度和表面强化处理方法会对轴的疲劳强度产 生很大影响。疲劳裂纹常常发生在表面最粗糙的地方，因此， 应合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。特别是对应力 集中很敏感的高强度材料 。
则强度条件修正为：
ca b2 4 2 1
2）不同轴段键槽应布置在同一母线上。
3）装零件的轴端应有倒角。
4）直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、 退刀槽等结构尺寸尽量统一。
倒角
五、提高轴的强度的措施
（一）改进轴的结构以减少应力集中的影响
在直径变化处，要有过渡圆角， 半径尽可能大，但受到结构限制， 可用内凹圆角结构或加装过渡肩环
轴与零件毂孔过盈配合时，配合边缘处会产生较大的应力 集中，可采用在轴或轮毂上开卸载槽以及加大配合部分的直径 等措施进行改善。
三、轴的材料
要求： 强度 刚度 耐磨性
常用材料 （见表2-10-1） ①碳钢 如：45 、40 特点：价廉，对应力集中敏感性低，可进行热处理。 ②合金钢 如：40Cr、20Cr 特点：机械性能比碳钢高，淬火性能更好，但价高、对应力集 中敏感性高，可进行热处理。 ③铸铁 如：QT600－3 特点：容易制造复杂形状的零件，价廉，有良好的吸振性和耐 磨性，对应力集中敏感性低。
主要用于以下几种情况： 1)传递扭矩或以扭矩为主的传动轴； 2)初步估算转轴受扭段的最小直径以便进行轴的结构设计； 3)不重要的轴的最终计算。若存在不大的弯矩时，则可以通 过降低许用切应力来考虑弯矩的影响。
强度条件：
T
T WT
9.55 106 0.2d 3
P n
T
与轴的材料有关， 查表2-10-3