机械设计基础第十五章轴

弹性挡圈定位
圆螺母定位
轴的结构设计
5）圆锥形轴端与压板定位。定位可靠，装拆方便，适用于 经常装拆或有冲击的场合。
6）圆柱形轴端与轴端挡圈定位。定位可靠，方便，常用。 7）紧定螺钉定位。承受的轴向力较小，不适用于高速。
圆锥形轴端与压板定位 圆柱形轴端与轴端挡圈定
紧定螺钉定位
轴的结构设计
三、确定各轴段的直径和长度
直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。阶梯轴便于轴 上零件的装拆和定位，省材料重量轻，应用普遍。
曲轴是专用零件，主要用在内燃机一类的活塞式机械中。 轴一般是实心轴，有特殊要求时可制成空心轴，如车床主轴。
除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到 不开敞地空间位置，常用于医疗器械和小型机具中。
带式输送机传动简图
轴的结构设计
方 案
一
齿轮与轴分开制造，齿轮与带轮均从轴的左端装入，轴段⑤ 最粗。该方案较常采用。
轴的结构设计
方 案 二
齿轮与轴分开制造，齿轮从轴的右端装入，带轮从轴的左端 装入，轴段⑤最粗。该方案也有采用。
轴的结构设计
方 案 三
齿轮与轴一体，结构简单，强度和刚度高，但工艺性较差， 轴与齿轮同时失效。适用于轴的直径接近齿根圆直径的情况。
轴的常用材料及其力学性能表
第三节 轴的结构设计
轴的结构设计目标：确定轴的结构形状和尺寸。
轴的结构设计应满足： 轴上零件相对于轴、轴相对于机座的定位应准确可靠； 轴应具有良好的制造工艺性，轴上零件应便于装拆和调整； 轴的结构应有利于提高轴的强度和刚度 。
一、拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计 时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。在满足设计要求的情 况下，轴的结构应力求简单。 以下是带式输送机减速器中高速轴的三个装配方案及分析。
0.2[ ]n
n
τ—扭转切应力（MPa）；
T—转矩（N.mm)；
WT—抗扭截面系数（mm3）， WT ≈0.2d 3； P—轴传递的功率（kW）； n—轴的转速（r/min）；
[τ]—许用扭转切应力（MPa）； C—导出常数。
轴的结构设计
常用材料的[ τ ] 值和C值
轴的材料 Q235，支承回转零件及传递运动和动力，如图所示。
轴的类型、要求及设计步骤
一、轴的类型
按照承受载荷的不同，轴可分为： 心 轴─只承受弯矩的轴，如定滑轮轴。
轴的实例
传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。
转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。
按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。
45
40Cr，35SiMn
[ τ ]/MPa 12~20 20~30 30~40
40~52
C
160~135 135~118 118~107
107~98
注：当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时，C取小 值；否则C取较大值。
若轴段上有键槽时，应把算得的直径增大，以补偿键槽对轴 强度的削弱，单键增大3%，双键增大7%，然后圆整到标准直径 （优先数系）。若该段轴与标准件配合，如联轴器等，则轴的直 径还应符合标准件内孔系列。
对于传动轴，以上计算为精确计算，该直径就是轴危险截面 的最小直径。
（一）确定轴段直径的原则
按轴所受的扭矩估算轴的最小轴径dmin。
对于转轴，在轴上零件的位置和支点跨距确定之前，尚无法 计算弯矩，故只能按扭转强度或类比法初步估算轴的直径d，并 将其作为最小轴径。圆轴扭转的强度条件为
T 9.55 106 P [ ]
WT
0.2d 3n
或
d 3 9.55 106 P C 3 P
第二节 轴的材料
轴的可能失效形式有：断裂、过大的塑性变形或弹性变形、 轴颈磨损（采用滑动轴承时）和强烈振动，其中疲劳断裂是主要 的失效形式。
轴对材料的要求是：疲劳强度高，对应力集中的敏感性小， 耐磨性好，易于加工和热处理，价格合理。
一、碳素钢
一般机器中的轴常采用35、45、50等优质碳素结构钢。其比 合金钢价格便宜，对应力集中敏感性小，一般采用正火或调质处 理来改善力学性能。不重要的受力较小的轴，常采用Q235、Q275 等碳素结构钢。碳素钢轴的毛坯一般为圆钢或锻件。
轴的结构设计
二、轴上零件在轴上的定位
（一）轴上零件的周向定位
周向定位的目的是限制轴上零件相对于轴的转动，以传递运 动和转矩。通常采用键、花键、销、过盈配合及成型联接等。
（二）轴上零件的轴向定位
轴向定位的目的是限制轴上零件相对于轴的移动，使其准确 可靠地处在正确的位置上，以保证机器正常工作。
1）轴肩和轴环定位。结构简单，方便可靠，可承受较大轴向 力，最为常用。为了准确定位，轴肩根部圆角应小于轴上零件内 孔圆角或倒角尺寸，轴肩高度则应大于轴上零件内孔圆角或倒角
轴的类型、要求及设计步骤
二、轴设计应满足的要求及设计步骤
轴设计应满足如下要求： 应具有合理的结构和良好的工艺性，以便于轴上零件的定位 和装拆，便于轴的制造； 应具有足够的强度； 应具有足够的刚度； 振动稳定性好，不发生强烈振动和共振。 轴设计的一般步骤 选择轴的材料； 进行轴的结构设计； 校核轴的强度； 校核轴的刚度。
尺寸，一般取a=(0.07~0.1)d，d为配合处轴的直径。
2）套筒定位。多用于轴上两个零件之间距离不大，或不便于 加工出轴肩的 地方。此时，应保证套筒与被定位零件可靠接触。
轴的结构设计
3）弹性挡圈定位。结构简单，适用于无轴向力或轴向力较 小的情况。轴上的沟槽会引起应力集中，削弱轴的强度。
4）圆螺母定位。能承受较大的轴向力，但轴上须加工螺纹， 适用于轴向力较大或两零件间距离较大时的定位。
二、合金钢
合金钢强度高，耐冲击，但对应力集中敏感且价格贵，多用 于重载、高速、冲击较大及有耐腐蚀等特殊要求的重要的轴。
轴的材料
轴常用的合金钢材料有20Cr、20CrMnTi、40Cr、40MnB等， 其毛坯一般也为圆钢或锻件，中碳合金钢常采用调质处理，低碳 合金钢则常采用渗碳淬火处理。
高强度铸铁和球墨铸铁用于制造外形复杂的轴，如曲轴或凸 轮轴等，其具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中 的敏感性较低等优点，但是脆性大，不耐冲击。