轴的分类结构设计

1、12-1 12-1 轴概述轴概述 一、轴一、轴shaft的作用的作用功用功用支承传动零件并传递运动和动力支承传动零件并传递运动和动力 二、轴的类型二、轴的类型 1. 按受载情况分类按受载情况分类: 转轴：弯矩和转矩转轴：弯矩和转矩 如减速器中的各轴如减速器中的各轴心轴：只受弯矩心轴：只受弯矩传动轴：只受转矩，如搅拌轴传动轴：只受转矩，如搅拌轴固定：自行车前轴固定：自行车前轴转动：机车车轮轴转动：机车车轮轴12-1 12-1 轴概述轴概述2. 按结构形状分类按结构形状分类:u实心轴（一般齿轮轴）实心轴（一般齿轮轴）u空心轴（车床的主轴）空心轴（车床的主轴）u挠性钢丝轴挠性钢丝轴u直轴直轴 光轴光

2、轴 阶梯轴阶梯轴u曲轴曲轴u工程中最常见的是同时承受弯矩和转矩作工程中最常见的是同时承受弯矩和转矩作用的阶梯轴。用的阶梯轴。12-1 12-1 轴概述轴概述三、轴设计的要求和步骤三、轴设计的要求和步骤1轴的设计要求轴的设计要求(1) 结构设计要求结构设计要求 轴应具有合理的结构形轴应具有合理的结构形状和尺寸。状和尺寸。(2) 工作能力要求工作能力要求 轴应具有足够的疲劳强轴应具有足够的疲劳强度，对于某些特殊用途的轴，还应有刚度、度，对于某些特殊用途的轴，还应有刚度、振动稳定性等方面的要求。振动稳定性等方面的要求。2轴的设计步骤轴的设计步骤结构设计与工作能力验算往往是交叉进行的，结构设计与工作能

3、力验算往往是交叉进行的，也是最重要的两步。也是最重要的两步。 12-1 12-1 轴概述轴概述12-2 12-2 轴的材料轴的材料一、失效形式：一、失效形式：疲劳破坏疲劳破坏二、轴的材料要求：二、轴的材料要求： 具有较好的强度、韧性，与轴上零件有具有较好的强度、韧性，与轴上零件有相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。此相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。此外，还必须考虑应力集中的影响。外，还必须考虑应力集中的影响。三、轴的常用材料：三、轴的常用材料：（1）碳素钢）碳素钢 广泛采用广泛采用35、45、50等优质碳素等优质碳素钢，价格低廉，对应力集中敏感性较小，可以通钢，价格低廉，对应力集中敏感性较

4、小，可以通过调质或正火处理以保证其机械性能，通过表面过调质或正火处理以保证其机械性能，通过表面淬火或低温回火以保证其耐磨性。淬火或低温回火以保证其耐磨性。对于轻载和不重要的轴对于轻载和不重要的轴:采用采用Q235、Q275等普通等普通碳素钢。碳素钢。（2）合金钢）合金钢 常用于高温、高速、重载以及结构常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴。合金钢有较高的力学性能，但价要求紧凑的轴。合金钢有较高的力学性能，但价格较贵，对应力集中较敏感，所以在结构设计时格较贵，对应力集中较敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中。必须尽量减少应力集中。（3）球墨铸铁）球墨铸铁 耐磨、价格低，但可靠性较差，耐

5、磨、价格低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。一般用于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等。12-2 12-2 轴的材料轴的材料12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计一、轴的结构及各部分名称一、轴的结构及各部分名称12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计一、轴的结构及各部分名称一、轴的结构及各部分名称轴头：与联轴器和齿轮等传动零件配合的轴段轴头：与联轴器和齿轮等传动零件配合的轴段轴颈：与轴承配合的轴段轴颈：与轴承配合的轴段轴身：联接轴头和轴颈的轴段轴身：联接轴头和轴颈的轴段轴环：直径最大用于定位的轴段轴环：直径最大用于定位的轴段轴肩：截面尺寸变化处轴肩：截面尺寸变化处还

6、有轴肩的过渡圆角；轴端的倒角；与键连接还有轴肩的过渡圆角；轴端的倒角；与键连接处的键槽等结构。处的键槽等结构。12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计二、轴的结构设计重点要解决的问题二、轴的结构设计重点要解决的问题1轴上零件的轴向定位、固定和周向固定轴上零件的轴向定位、固定和周向固定轴向定位轴向定位主要靠轴肩和轴环来完成。主要靠轴肩和轴环来完成。 12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计 为了保证轴上零件靠紧定位面，轴肩处的圆角半为了保证轴上零件靠紧定位面，轴肩处的圆角半径径r 必须小于零件内孔的圆角半径必须小于零件内孔的圆角半径R或倒角或倒角C；轴肩高；轴肩高度一般取度一般取h=(0

7、.070.1)d，轴环宽度，轴环宽度b=1.4hbDhrRdDhCrd12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计轴上零件的轴向固定就是轴上零件的轴向固定就是不不许轴上零件沿轴向窜动，必许轴上零件沿轴向窜动，必须双向固定。须双向固定。轴向固定措施：轴向固定措施：轴的一端可采用轴端挡圈；轴的一端可采用轴端挡圈；套筒过长可采用圆螺母；套筒过长可采用圆螺母；受载较小时可采用弹性挡圈、受载较小时可采用弹性挡圈、紧定螺钉和销钉等固定。紧定螺钉和销钉等固定。轴上零件的周向固定轴上零件的周向固定就是保证轴上的传动零件就是保证轴上的传动零件要与轴一起转动。要与轴一起转动。常用的固定方式常用的固定方式有键连接和

8、过盈配合。转矩较有键连接和过盈配合。转矩较大时可采用花键连接，转矩较小时，可采用紧大时可采用花键连接，转矩较小时，可采用紧定螺钉、销钉等措施。定螺钉、销钉等措施。12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计2制造工艺和装配工艺要求制造工艺和装配工艺要求制造工艺要求是制造工艺要求是指轴的结构应尽可能简单便于加工、指轴的结构应尽可能简单便于加工、节约加工成本。节约加工成本。u轴端倒角的尺寸应一致轴端倒角的尺寸应一致u轴肩的圆角半径应相同轴肩的圆角半径应相同u键槽宽应统一，并在同一条加工直线上键槽宽应统一，并在同一条加工直线上u设砂轮越程槽设砂轮越程槽u设螺纹退刀槽设螺纹退刀槽12-3 12-3 轴

9、的结构设计轴的结构设计12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计装配工艺要求是装配工艺要求是指轴上零件应便于安装和拆卸指轴上零件应便于安装和拆卸u一般将轴制成中间粗两端细的阶梯形一般将轴制成中间粗两端细的阶梯形u轴端应倒角轴端应倒角u轴端的键槽应尽量靠近轴端轴端的键槽应尽量靠近轴端u与滚动轴承配合的轴肩高度和套筒高度应小于轴与滚动轴承配合的轴肩高度和套筒高度应小于轴承内圈的厚度承内圈的厚度u与传动零件过盈配合的轴段应制有与传动零件过盈配合的轴段应制有10左右的导左右的导向锥面向锥面u要尽量减少装配长度要尽量减少装配长度3. 标准尺寸要求标准尺寸要求 与标准零件（如滚动轴承、联轴器、与标准零件

10、（如滚动轴承、联轴器、圆螺母）配合处的轴段尺寸必需符合圆螺母）配合处的轴段尺寸必需符合标准零件的尺寸系列。标准零件的尺寸系列。4. 提高轴的疲劳强度提高轴的疲劳强度 加大轴肩处的过渡圆角半径和减小加大轴肩处的过渡圆角半径和减小轴肩高度，就可以减少应力集中，从轴肩高度，就可以减少应力集中，从而提高轴的疲劳强度。而提高轴的疲劳强度。12-3 12-3 轴的结构设计轴的结构设计12-4 12-4 轴的工作能力计算轴的工作能力计算一、按抗扭强度计算一、按抗扭强度计算对于传动轴，其抗扭强度条件为对于传动轴，其抗扭强度条件为若计算截面有键槽，应将直径加大若计算截面有键槽，应将直径加大5（单键）或（单键）或

11、10（双键），以补偿键槽对（双键），以补偿键槽对轴强度削弱的影响。轴强度削弱的影响。设计公式：设计公式： MPa n0.2dP109.55WT36T mm nPAn0.2P109.55d33612-4 12-4 轴的工作能力计算轴的工作能力计算二、二、 按抗弯扭合成强度计算按抗弯扭合成强度计算对于一般钢制的转轴，抗弯扭合成强度条件为对于一般钢制的转轴，抗弯扭合成强度条件为 式中式中 轴计算截面的当量应力，轴计算截面的当量应力， MPa Me轴计算截面的当量弯矩，轴计算截面的当量弯矩， Nmm M合成弯矩，合成弯矩， M= MH指水平平面弯矩，指水平平面弯矩， MV指竖直平面弯矩指竖直平面弯矩W

12、轴计算截面的抗弯截面系数，轴计算截面的抗弯截面系数， mm3根据转矩性质而定的应力校正系数根据转矩性质而定的应力校正系数稳定的转矩取稳定的转矩取 =0.3脉动循环变化的转矩取脉动循环变化的转矩取 =0.6对称循环变化的转矩取对称循环变化的转矩取 =1-1 b对称循环应力状态下轴材料的许用弯曲应力对称循环应力状态下轴材料的许用弯曲应力 MPa0.1dTMWM1322e22VHMM22VHMM12-4 12-4 轴的工作能力计算轴的工作能力计算设计公式：设计公式： 有键槽的计算截面，应将轴径加大有键槽的计算截面，应将轴径加大5（单键）或（单键）或10（双键）（双键）mm 0.1Md31e 远古远古

13、“钻木取火钻木取火”的具体方法虽不易确定，但是肯定与孔加工技术有的具体方法虽不易确定，但是肯定与孔加工技术有关。在新石器时代的晚期，一些石器和玉器上钻有细长孔，如甘肃永昌鸳关。在新石器时代的晚期，一些石器和玉器上钻有细长孔，如甘肃永昌鸳鸯池就出土过一个管状石器，上面的孔径不足，而长达鸯池就出土过一个管状石器，上面的孔径不足，而长达，显然是使用专门的工具加工而成。舞钻和牵钻是古代两种常用的钻孔，显然是使用专门的工具加工而成。舞钻和牵钻是古代两种常用的钻孔工具。舞钻依靠横木杆上下往复运动，横木杆则通过其上的皮条带动钻杆工具。舞钻依靠横木杆上下往复运动，横木杆则通过其上的皮条带动钻杆往复转动，钻杆下

14、端装有钻头，即行钻孔。牵钻是依靠横木杆上的绳索缠往复转动，钻杆下端装有钻头，即行钻孔。牵钻是依靠横木杆上的绳索缠绕钻杆，当横木杆被牵动时，其上的绳索就带动钻杆往复转动，钻头即行绕钻杆，当横木杆被牵动时，其上的绳索就带动钻杆往复转动，钻头即行钻孔。舞钻和牵钻上的钻杆，也许是传动轴最早的雏形。钻孔。舞钻和牵钻上的钻杆，也许是传动轴最早的雏形。 车的发明距今约有年的历史。各种形式车轮的演变，反映出车的发明距今约有年的历史。各种形式车轮的演变，反映出车的发展过程。无论是载人车、载物车，还是战车（图车的发展过程。无论是载人车、载物车，还是战车（图），都），都对车轴的结构、制造乃至润滑等方面提出了越来越高的要求。另外，滑车、对车轴的结构、制造乃至润滑等方面提出了越来越高的要求。另外，滑车、辘轳和绞车等起重机械也都离不开轴。辘轳是以人力为原动力，主要用于辘轳和绞车等起重机械也都离不开轴。辘轳是以人力为原动力，主要用于汲水，其核心零件就是轮轴。绞车的结构和原理与辘轳基本相同，只是绞汲水，其核心零件就是轮轴。绞车的结构和原理与辘轳基本相同，只是绞车的手柄半径比辘轳卷轴的半径要大很多，因此在提升重物时更为省力。车的手柄半径比辘轳卷轴的半径要大很多，因此在提升重物时更为省力。湖北铜绿山矿冶遗址发现了战国时期的湖北