机械设计基础第十一章

1、11.1 11.1 概概 述述 机器上所安装的旋转零件，例如带轮、齿轮、联轴器和离合器等都必机器上所安装的旋转零件，例如带轮、齿轮、联轴器和离合器等都必须用轴来支承，才能正常工作，因此轴是机械中不可缺少的重要零件。本章须用轴来支承，才能正常工作，因此轴是机械中不可缺少的重要零件。本章将讨论轴的类型、轴的材料和轮毂联接，重点是轴的设计问题，其包括轴的将讨论轴的类型、轴的材料和轮毂联接，重点是轴的设计问题，其包括轴的结构设计和强度计算。结构设计是合理确定轴的形状和尺寸，它除应考虑轴结构设计和强度计算。结构设计是合理确定轴的形状和尺寸，它除应考虑轴的强度和刚度外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多

2、因素。的强度和刚度外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多因素。一、一、轴的分类轴的分类按轴受的载荷和功用可分为：按轴受的载荷和功用可分为：1.1.心轴：只承受弯矩不承受扭矩的轴，主要用于支承回转零件。如心轴：只承受弯矩不承受扭矩的轴，主要用于支承回转零件。如. .车辆轴和车辆轴和滑轮轴。（滑轮轴。（如自行车轴如自行车轴 ）2.传动轴：只承受扭矩不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴传动轴：只承受扭矩不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴,主要用于传递转矩。如主要用于传递转矩。如汽车中联接变速箱与后桥之间的轴汽车中联接变速箱与后桥之间的轴 。减速器减速器 减速器轴减速器轴 根据根据轴线的形状轴线的形状的不同，

3、轴又可分为的不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴直轴、曲轴和挠性钢丝轴。曲轴和挠。曲轴和挠性钢丝轴属于专用零件。性钢丝轴属于专用零件。 直轴按外形不同又可分为直轴按外形不同又可分为光轴光轴和和阶梯轴阶梯轴。曲曲 轴轴光光 轴轴挠性软轴挠性软轴阶梯轴阶梯轴直轴直轴形状简单，应力集中少，易加工，但轴上零形状简单，应力集中少，易加工，但轴上零件不易装配和定位，常用于心轴和传动轴。件不易装配和定位，常用于心轴和传动轴。阶梯轴各轴段截面的直径不同，这种设计阶梯轴各轴段截面的直径不同，这种设计使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件的装拆和固定。的装拆和固定。曲轴是往复式

4、曲轴是往复式机械中的专用机械中的专用零件零件由几层紧贴在一起的钢丝绳构成，由几层紧贴在一起的钢丝绳构成，可以把旋转运动和转矩灵活的转到可以把旋转运动和转矩灵活的转到任何位置。能用于受连续振动的场任何位置。能用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。合，具有缓和冲击的作用。二、轴的常用材料二、轴的常用材料 轴主要承受弯矩和扭矩。轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、轴主要承受弯矩和扭矩。轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、韧性和耐磨性。轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：韧性和耐磨性。轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素： 1.1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；轴的强度、刚

5、度及耐磨性要求；2.2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3.3.轴的材料来源和经济性等。轴的材料来源和经济性等。轴的轴的常用材料常用材料如下：如下：1. 1. 碳素钢碳素钢优质碳素钢具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，价格便宜，优质碳素钢具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，价格便宜，应用广泛。一般轴采用应用广泛。一般轴采用4545钢，经过调质或正火处理；有耐磨性要求的轴段，钢，经过调质或正火处理；有耐磨性要求的轴段，应进行表面淬火及低温回火处理应进行表面淬火及低温回火处理 。轻载或不重要的轴，使用普通碳素钢。轻载或不重要的轴，使用普通碳素钢Q

6、235Q235、Q275Q275等。等。2. 2. 合金钢合金钢 合金钢具有较高的机械性能，对应力集中比较敏感，淬火性较好，热处合金钢具有较高的机械性能，对应力集中比较敏感，淬火性较好，热处理变形小，价格较贵。多使用于要求重量轻和轴颈耐磨性的轴。例如：滑动理变形小，价格较贵。多使用于要求重量轻和轴颈耐磨性的轴。例如：滑动轴承的高速轴，采用轴承的高速轴，采用20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi等。等。3. 3. 球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。例如：内燃机

7、中的曲轴。制成外形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。11.2 轴的结构设计轴的结构设计一、一、轴的设计要求和一般设计步骤轴的设计要求和一般设计步骤 1 1、轴的设计基本要求轴的设计基本要求（1 1）满足工作能力的要求满足工作能力的要求 一般的轴都应具有足够的疲劳强度。对于某些一般的轴都应具有足够的疲劳强度。对于某些特殊用途的轴，如机床主轴，工作时不允许有过大的变形，还应满足刚度的特殊用途的轴，如机床主轴，工作时不允许有过大的变形，还应满足刚度的要求。高速轴还应满足振动稳定性的要求。要求。高速轴还应满足振动稳定性的要求。（2 2）满足结构的要求）满足结构的要求 轴应具有合理的结构形状和尺寸，并具有

8、良好的轴应具有合理的结构形状和尺寸，并具有良好的加工工艺性。加工工艺性。 不同机械对轴的设计有不同要求。对于一般机器的轴，则主要应满足强不同机械对轴的设计有不同要求。对于一般机器的轴，则主要应满足强度核结构的要求。度核结构的要求。二、二、轴的结构设计轴的结构设计如图所示，轴上与轴承配合的部分称为如图所示，轴上与轴承配合的部分称为轴颈轴颈，与传动零件配合的部分称为，与传动零件配合的部分称为轴头轴头，连接轴颈与轴头的非配合部份称为，连接轴颈与轴头的非配合部份称为轴身轴身，起定位作用的阶梯轴上截，起定位作用的阶梯轴上截面变化的部分称为面变化的部分称为轴肩轴肩。（一）（一）初步估算轴的的直径初步估算轴

9、的的直径 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算的直径进行估算( (后结构设计强度校核后结构设计强度校核) )。 对于圆截面的实心轴，设轴在转矩对于圆截面的实心轴，设轴在转矩T T的作用下，产生剪应力的作用下，产生剪应力。对于圆。对于圆截面的实心轴

10、，其抗扭强度条件为截面的实心轴，其抗扭强度条件为 : :2 . 01055. 936dnPWTpnPAnPd3631055. 95计算轴的直径时，上式可以写成下式：计算轴的直径时，上式可以写成下式：式中式中 PP轴传递的功率轴传递的功率 KWKW n n轴的转速轴的转速 r/minr/min T T扭矩扭矩 NmmNmm 、分别为扭转剪应力和许用扭转剪应力，单位为分别为扭转剪应力和许用扭转剪应力，单位为MPaMPa W WT T轴抗扭截面系数轴抗扭截面系数 mmmm A A由轴的材料和承载情况确定的常数，参见教材表由轴的材料和承载情况确定的常数，参见教材表111111。3（二）（二）轴的结构设

11、计的基本要求轴的结构设计的基本要求1 1、影响轴的结构和形状的几个因素：影响轴的结构和形状的几个因素：（1 1）轴的毛坯种类：）轴的毛坯种类：（2 2）轴上作用力的大小及其分布情况；）轴上作用力的大小及其分布情况；（3 3）轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法；）轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法；轴和轴上零件必须定位准确，固定可靠；轴和轴上零件必须定位准确，固定可靠； 轴上的零件应便于装拆和调整；轴上的零件应便于装拆和调整； 轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性；轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性；轴的受力合理，结构尽可能减少应力集中、有利于节约材料和减轻重量。轴的受力合理，

12、结构尽可能减少应力集中、有利于节约材料和减轻重量。1)1)轴肩和轴环轴肩和轴环：如教材图：如教材图11-1011-10所示。轴肩定位是最方便可靠的定位方法，所示。轴肩定位是最方便可靠的定位方法，但采用轴肩定位会使轴的直径加大，而且轴肩处由于轴径的突变而产生应但采用轴肩定位会使轴的直径加大，而且轴肩处由于轴径的突变而产生应力集中。因此，多用于轴向力较大的场合。要求力集中。因此，多用于轴向力较大的场合。要求r r轴轴RR孔或孔或r r轴轴CC孔孔要求要求r r轴轴RR孔孔或或r r轴轴CC孔孔 错误错误 正确正确 定位轴肩：定位轴肩： r r轴轴RR孔孔或或r r轴轴CC孔孔 轴肩或轴环的高度轴肩

13、或轴环的高度h h必须大于必须大于 R R孔孔或或 C C孔孔轴肩高度轴肩高度 滚动轴承内圈高度滚动轴承内圈高度HH（0.07d0.07d3 3）（）（0.1d0.1d5 5）mm mm 轴环宽度轴环宽度 bl.4h bl.4h 非定位轴肩：非定位轴肩：h=1.5-2mm,r=(D-d)/2h=1.5-2mm,r=(D-d)/2错错误误 正正确确要求轴肩高度要求轴肩高度 滚动轴承内圈高度滚动轴承内圈高度2）套筒套筒 在轴的中部，当两个零件间距离较小时，常采用套筒作相对固定（图在轴的中部，当两个零件间距离较小时，常采用套筒作相对固定（图11-11).11-11).使用套筒能使结构简单，定位可靠，

14、轴上不需开槽钻孔和切制螺使用套筒能使结构简单，定位可靠，轴上不需开槽钻孔和切制螺纹。纹。 3 3）轴用圆螺母）轴用圆螺母 圆螺母用于轴上两零件距离较大，需要在轴上切制螺纹，对轴的强度影响较大。圆螺母用于轴上两零件距离较大，需要在轴上切制螺纹，对轴的强度影响较大。4 4）挡圈）挡圈当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求为保证轴向定位可靠，要求L L轴轴LL毂。毂。当用轴肩、轴环、套筒、圆螺当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位

15、可靠，要求时，为保证轴向定位可靠，要求L L轴轴LL毂。毂。错误错误 正确正确正确正确 II II I III II I I12IIIIIIIIIIII12 弹性挡圈弹性挡圈 锁紧挡圈、紧定螺钉或销锁紧挡圈、紧定螺钉或销 5 5）圆锥轴头圆锥轴头 轴端挡圈与轴肩、圆锥面与轴端挡圈联合使用，常用于轴端起到双向轴端挡圈与轴肩、圆锥面与轴端挡圈联合使用，常用于轴端起到双向固定。装拆方便，多用于承受剧烈振动和冲击的场合。固定。装拆方便，多用于承受剧烈振动和冲击的场合。（2）零件在轴上的周向定位）零件在轴上的周向定位 轴上零件的周向固定是为了防止零件与轴发生相对转动。常用的固定方式有：轴上零件的周向固定

16、是为了防止零件与轴发生相对转动。常用的固定方式有：（1 1）键联接）键联接 （2 2）过盈配合联接）过盈配合联接 （3 3）销联接）销联接 (4)(4)弹性环联接弹性环联接1 1）键）键2 2）花键）花键3 3）紧定螺钉、销）紧定螺钉、销 4 4）过盈配合）过盈配合轴与轴上的零件周向固定形成的联接称为轴与轴上的零件周向固定形成的联接称为轴毂联接轴毂联接。键是一种标准件键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、

17、花键还可用作轴上移动的导向装置。的导向装置。轴毂联接的主要形式为键联接。轴毂联接的主要形式为键联接。一、一、键联接键联接普通平键普通平键 导向平键导向平键 滑键滑键详细说明详细说明 普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接静联接。 导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接动联接。1 1、普通平键普通平键 用于静联接，其联接轴和轴毂的同心度高，多用于传动精度要求较高的用于静联接，其联接轴和轴毂的同心度高，多用于传动精度要求较高的情况。但他只能用于轴上零件的周向固定，而不能做轴向固定，更不能承受情况。但他只能用于轴上零件的

18、周向固定，而不能做轴向固定，更不能承受轴向力。轴向力。2、导向平键与滑键导向平键与滑键 导向平键联接导向平键联接 当零件需要作轴向移动时，可采用导向平键联接。导向平键较普通平键长，为防当零件需要作轴向移动时，可采用导向平键联接。导向平键较普通平键长，为防止键体在轴中松动，用两个螺钉将其固定在轴上，其中部制有起键螺钉。止键体在轴中松动，用两个螺钉将其固定在轴上，其中部制有起键螺钉。 滑键联接滑键联接 滑键与轴上的零件固定为一体，工作时二者一起沿长长的轴槽滑动，适应滑键与轴上的零件固定为一体，工作时二者一起沿长长的轴槽滑动，适应于轴上零件移动距离较大的场合。于轴上零件移动距离较大的场合。平键联接的

19、标准、尺寸和公差平键联接的标准、尺寸和公差 注：注：1 1、表中的基本尺寸系原标准中的公称尺寸。、表中的基本尺寸系原标准中的公称尺寸。 2 2、（、（d-td-t）和（）和（d+td+t）两组组合尺寸的偏差按相应的）两组组合尺寸的偏差按相应的t t和和t1t1偏差选取，但（偏差选取，但（d-td-t）偏差应取负号；）偏差应取负号； 3 3、键的长度系列：、键的长度系列：6 6、8 8、1010、1212、1414、1515、1818、2020、2222、2525、2828、3232、3636、4040、4545、5151、5656、6363、7070、8080、9090、100100、 110

20、 110、125125、140140、160160、180180、200200、220220、250250、320320、360mm360mm。 4 4、普通平键标记示例：平头普通平键（、普通平键标记示例：平头普通平键（B B型）型）b=18mm,h=11mm,L=100mm,b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键标记：键B18B18100 GB1096-79100 GB1096-79。A A型的型的A A可可省去不写。省去不写。（二）（二）半圆键联接半圆键联接 键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，的键槽中绕其圆心摆动

21、， 以适应轮毂上键槽的斜度，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。详细说明详细说明楔键的上、下表面为工作面，两侧面楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100 1:100 的斜度。工作时，键的上下两工作的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。其摩擦力和挤压传递扭矩。（三（三) )楔键楔键联联接接详细说明详细说明( (四）四）切向键切向键由两个斜度为由两个斜度为1:1001:100

22、的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成传递双向转矩时，须用互成120120130130角的两个键。角的两个键。详细说明详细说明二、二、花键联接花键联接 花键联接由轴上加工出多个键齿的花键轴和轮毂孔上加工出同样的键齿花键联接由轴上加工出多个键齿的花键轴和轮毂孔上加工出同样的键齿槽组成。工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。其槽组成。工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。其优点优点：比平键联接承载：比平键联接承载能力强；轴与零件的定心性好；导向性好。对轴的强度削弱小；能力强；轴与零件的定心性好；导向性好。对轴的强度削弱小；缺

23、点缺点是成本是成本较高。因此，花键联接用于定心精度要求高和载荷较大的场合。花键已标较高。因此，花键联接用于定心精度要求高和载荷较大的场合。花键已标准化，按齿廓的不同，可分矩形花键和渐开线花键。准化，按齿廓的不同，可分矩形花键和渐开线花键。详细说明详细说明花键花键 销主要用来固定零件之间的相对位置，起定位作用，也可用于轴与轮销主要用来固定零件之间的相对位置，起定位作用，也可用于轴与轮毂的连接，传递不大的载荷，还可作为安全装置中的过载剪断元件。毂的连接，传递不大的载荷，还可作为安全装置中的过载剪断元件。 销的常用材料为销的常用材料为3535、4545钢。钢。 销有销有圆柱销圆柱销和和圆锥销圆锥销两

24、种基本类型（图两种基本类型（图11-30a11-30a、b b），这两类销均已标），这两类销均已标准化。圆柱销利用微量过盈固定在销孔中，经过多次装拆后，连接的紧固准化。圆柱销利用微量过盈固定在销孔中，经过多次装拆后，连接的紧固性及精度降低，故只宜用于不常拆卸处。圆锥销有性及精度降低，故只宜用于不常拆卸处。圆锥销有1 15050的锥度，装拆比的锥度，装拆比圆柱销方便，多次装拆对连接的紧固性及定位精度影响较小，因此应用广圆柱销方便，多次装拆对连接的紧固性及定位精度影响较小，因此应用广泛。泛。 图图11-3011-30（a a）（）（b b ）图图11-3111-31（a a）（）（b b ） 销还

25、有许多特殊形式。销还有许多特殊形式。 图图11-31a11-31a是大端具有外螺纹的是大端具有外螺纹的圆锥销圆锥销，便于装拆，可用于盲孔；图，便于装拆，可用于盲孔；图11-11-31b31b是小端带外螺纹的圆锥销，可用螺母锁紧，适用于有冲击的场合。是小端带外螺纹的圆锥销，可用螺母锁紧，适用于有冲击的场合。 图图11-3211-32是是带槽的圆柱销，称为槽销带槽的圆柱销，称为槽销，用弹簧钢滚压或模锻而成。销上有，用弹簧钢滚压或模锻而成。销上有三条压制的纵向沟槽（图三条压制的纵向沟槽（图11-32b11-32b），槽销压入销孔后，它的凹槽即产生收缩），槽销压入销孔后，它的凹槽即产生收缩变形，借助材

26、料的弹性而固定在销孔中，销孔无需铰光可多次装拆，适用于变形，借助材料的弹性而固定在销孔中，销孔无需铰光可多次装拆，适用于承受振动和变载荷的连接。承受振动和变载荷的连接。 开尾圆锥销开尾圆锥销（图（图11-3311-33）销尾可分开，能防止松脱，多用于振动冲击场合。）销尾可分开，能防止松脱，多用于振动冲击场合。 弹性圆柱销弹性圆柱销（图（图11-3411-34）用弹簧钢带卷制而成，具有弹性，用于冲击振动）用弹簧钢带卷制而成，具有弹性，用于冲击振动场合。场合。 开口销开口销（图（图15.3515.35）是一种防松零件，用于锁紧其它紧固件。）是一种防松零件，用于锁紧其它紧固件。 四、四、过盈联接过盈联接作用作用： 过盈联接是利用被联件间的过盈配合直接把被联接件联接在一起。过盈联接是利用被联件间的过盈配合直接把被联接件联接在一起。优点优点：构造简单、定心性好、承载能力高，在振动下能可靠地工作。：构造简单、定心性好、承载能力高，在振动下能可靠地工作。缺点缺点：装配困难和对配合尺寸的精度要求较高。：装配困难和对配合尺寸的精度要求较高。应用应用：主要用于轮圈与轮芯、轴与毂、滚动轴承的装配联接。：主要用于轮圈与轮芯、轴与毂、滚