机械设计轴

1、第十五章第十五章 轴轴Shafts and Axles 教教 学学 内内 容容轴的概述轴的概述1 1轴的结构设计轴的结构设计2 2轴的计算轴的计算3 3轴的设计实例轴的设计实例4 415.1 轴的概述轴的概述轴的概述轴的概述1 1一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类轴的主要功用是轴的主要功用是支承回转零件支承回转零件及及传递运动和动力传递运动和动力。 按照按照承受载荷承受载荷的不同，轴可分为：的不同，轴可分为： 转轴转轴同时承受弯矩和扭矩同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。的轴，如减速器的轴。 心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。的轴，如火车车轮轴。 传动轴传动轴只承受扭矩只承受

2、扭矩的轴，如汽车的传动轴。的轴，如汽车的传动轴。1 1、轴的用途、轴的用途2 2、轴的分类、轴的分类15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类按照按照承受载荷承受载荷的不同，轴可分为：的不同，轴可分为： 15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类按照按照承受载荷承受载荷的不同，轴可分为：的不同，轴可分为： 15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类按照按照承受载荷承受载荷的不同，轴可分为：的不同，轴可分为： 15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴

3、的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类按照按照承受载荷承受载荷的不同，轴可分为：的不同，轴可分为： 15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类直轴直轴根据外形根据外形的不同，可分为的不同，可分为光轴光轴和和阶梯轴阶梯轴。按照按照轴线形状轴线形状的不同，轴可分为的不同，轴可分为曲轴曲轴和和直轴直轴两大类。两大类。 除了刚性轴外，还有钢丝软除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置到不开敞地空间位置。 轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发

4、动机的主轴。空发动机的主轴。15.1 轴的概述轴的概述一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类2 2、轴的分类、轴的分类轴的概述轴的概述2 2轴的设计包括轴的设计包括结构设计结构设计和和工作能力验算工作能力验算两方面的内容。两方面的内容。（1 1）根据轴上零件的）根据轴上零件的安装、定位安装、定位以及轴的制造以及轴的制造工艺工艺等方面的要求，合等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。理地确定轴的结构形式和尺寸。 （2 2）轴的承载能力验算指的是轴的）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性强度、刚度和振动稳定性等方面等方面的验算。的验算。 根据总体结构的要求进行轴的结构设计根据总体结构

5、的要求进行轴的结构设计轴的承载能力验算轴的承载能力验算验算合格验算合格?结结 束束yesno 轴的设计过程轴的设计过程15.1 轴的概述轴的概述二、轴设计的主要内容二、轴设计的主要内容15.1 轴的概述轴的概述碳钢碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。于一般要求的轴。合金钢合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。于高温、低温和腐

6、蚀条件下的轴常采用合金钢。在一般工作温度下（低于在一般工作温度下（低于200200），各种碳钢和合金钢的弹），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。差不多。轴的概述轴的概述3 3轴的材料主要是轴的材料主要是碳钢碳钢和和合金钢合金钢，钢轴的，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻毛坯多数用圆钢或锻件件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。三、轴的材料三、轴的材料高强度铸铁高强度铸铁和和球墨铸铁球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，可用于制造外形复杂的

7、轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中且具有价廉、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。的敏感性较低等优点。15.1 轴的概述轴的概述三、轴的材料三、轴的材料15.1 轴的概述轴的概述三、轴的材料三、轴的材料15.2 轴的结构设计轴的结构设计轴的结构设计应该轴的结构设计应该确定确定：轴的合理外形轴的合理外形和和全部结构尺寸全部结构尺寸。轴的结构设计应该轴的结构设计应该保证保证： 轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置；轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置； 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等。轴应具有良好的制造工艺

8、性等。15.2 轴的结构设计轴的结构设计轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设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。计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。 一、拟定轴上零件的装配方案一、拟定轴上零件的装配方案15.2 轴的结构设计轴的结构设计一、拟定轴上零件的装配方案一、拟定轴上零件的装配方案 一、拟定轴上零件的装配方案一、拟定轴上零件的装配方案 轴上零件的轴上零件的轴向定位轴向定位是以轴肩、套筒、轴端是以轴肩、套筒、轴端挡圈和圆螺母等来保证的。挡圈和圆螺母等来保证的。 轴上零件的轴上零件的周向定位周向定位是通过键、花键、销、紧

9、是通过键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合来实现的。定螺钉以及过盈配合来实现的。 15.2 轴的结构设计轴的结构设计二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位 首先按轴所受的扭矩首先按轴所受的扭矩估算轴径估算轴径，作为轴的最小轴径，作为轴的最小轴径dmin。 有配合要求的轴段，应尽量采用有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径标准直径。 安装标准件的轴径，应满足安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求装配尺寸要求。 有配合要求的零件有配合要求的零件要便于装拆要便于装拆。 应保证轴上零件能应保证轴上零件能可靠的轴向固定可靠的轴向固定。15.2 轴的结构设计轴的结构设计三、各轴毂直径和长度的确定三、各轴毂直径和长

10、度的确定三、各轴毂直径和长度的确定三、各轴毂直径和长度的确定 首先按轴所受的扭矩首先按轴所受的扭矩估算轴径估算轴径，作为轴的最小轴径，作为轴的最小轴径d dminmin安装标准件的轴径，应满足安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求装配尺寸要求三、各轴毂直径和长度的确定三、各轴毂直径和长度的确定 三、各轴毂直径和长度的确定三、各轴毂直径和长度的确定 有配合要求的零件有配合要求的零件要便于装拆要便于装拆应保证轴上零件能应保证轴上零件能可靠的轴向固定可靠的轴向固定三、各轴毂直径和长度的确定三、各轴毂直径和长度的确定 15.2 轴的结构设计轴的结构设计 合理布置轴上零件以减小轴的载荷合理布置轴上零件以减

11、小轴的载荷 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的结构以减小应力集中的影响 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施（1 1）为了减小轴所承受的弯矩，）为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承传动件应尽量靠近轴承，并尽，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 合理布置轴上零件以减小轴的载荷合理布置轴上零件以减小轴的

12、载荷四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 合理布置轴上零件以减小轴的载荷合理布置轴上零件以减小轴的载荷（2 2）当转矩由一个传动件输入）当转矩由一个传动件输入, ,再由几个传动件输出时再由几个传动件输出时, ,为了减小为了减小轴上扭矩轴上扭矩, ,应将输入件放在中间应将输入件放在中间, ,而不要置于一端。而不要置于一端。 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷改进轴上零件的结构以减小轴的载荷四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的结构以减小应力集中的影响 轴通常是在变应力条件下

13、工作的轴通常是在变应力条件下工作的, ,轴的截面尺寸发生突变处轴的截面尺寸发生突变处要产生应力集中要产生应力集中, ,轴的疲劳破坏往往在此发生。为了提高轴的疲轴的疲劳破坏往往在此发生。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中程度。劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中程度。（1 1）轴肩处应采用较大的过渡圆角半径）轴肩处应采用较大的过渡圆角半径r r来降低应力集中来降低应力集中 当靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，为了增大轴肩处当靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，为了增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环的圆角半径，可采用内凹圆角或加装隔离环四、提高轴的强度的常用

14、措施四、提高轴的强度的常用措施 改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的结构以减小应力集中的影响（2 2）用）用盘状铣刀盘状铣刀加工的键槽比用加工的键槽比用键槽铣刀键槽铣刀加工的键槽在过渡加工的键槽在过渡处对轴的截面削弱较为平缓，因而应力集中较小。处对轴的截面削弱较为平缓，因而应力集中较小。 渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，在作轴的渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，在作轴的结构设计时应予以考虑；结构设计时应予以考虑；（3 3）当轴与轮毂为）当轴与轮毂为过盈配合过盈配合时时, ,配合边缘处会产生较大的应力配合边缘处会产生较大的应力集中。为了减小应力集中，可在轮毂上或轴上开卸载槽

15、；或者集中。为了减小应力集中，可在轮毂上或轴上开卸载槽；或者加大配合部分的直径。加大配合部分的直径。四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的结构以减小应力集中的影响改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度四、提高轴的强度的常用措施四、提高轴的强度的常用措施 在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。轴上应有满足加工和装配所要求的倒角、圆角、螺纹退刀槽和轴上应有满足加工和装配所要求的倒角、圆角、螺纹退刀槽和砂轮越程槽等。砂轮越程槽等。 15.2 轴的结构

16、设计轴的结构设计五、轴的结构工艺性五、轴的结构工艺性15.2 轴的结构设计轴的结构设计五、轴的结构工艺性五、轴的结构工艺性15.3 15.3 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，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，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及强度计算。因此，一般在进行轴的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结构设计前先按纯扭转受力按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。情况对轴的直径进

17、行估算。 轴的计算轴的计算1 11扭转强度条件计算扭转强度条件计算 这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在作轴的结构设计时，通常强度计算。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算用这种方法初步估算轴径轴径。实心轴的直径为：实心轴的直径为： 3333033 2 . 0109550 2 . 0109550nPAnPnPdTT 2 . 010955033TTTdnPWT轴的扭转强度条件为轴的扭转强度条件为为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有两个键槽轴径d100mm轴

18、径增大3%轴径增大7%轴径d100mm轴径增大5%7%轴径增大10%15%15.3 15.3 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算 2 按弯扭合成进行强度条件验算按弯扭合成进行强度条件验算 一般的转轴强度用这种方法验算。计算步骤如下：一般的转轴强度用这种方法验算。计算步骤如下： 轴的弯矩与扭矩分析轴的弯矩与扭矩分析15.3 15.3 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算 )()2(4)(12222WTMWTWMca 为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。 校核轴的强度轴的弯扭合成强度条件为

19、：校核轴的强度轴的弯扭合成强度条件为：式中式中-1-1 为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表查表选取）；选取）；扭转切应力静应力脉动循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对称循环变应力 0.3 0. =12 按弯扭合成进行强度条件验算按弯扭合成进行强度条件验算 15.3 15.3 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算 轴的计算轴的计算4 43按疲劳强度条件进行校核按疲劳强度条件进行校核 在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强度进行校核，轴的疲劳强度条件为度进行校核，轴的疲劳强度条件为 SSSSSSca224按静强度条件进行校核按静强度条件进行校核 对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的对于瞬时过载很大，或应力循环的不对称性较为严重的轴，应当进行静强度条件校核。轴的静强度条件为：轴，应当进行静强度条件校核。轴的静强度条件为： SSSSSScaSSSSSS2215.3 15.3 轴的计算轴的计算一、轴的强度校核计算一、轴的强度校核计算 轴的强度计算过程轴的强度计算过程:1 1作计算简图作计算简图（力的分解与合成）（力的分