《机械设计》课件：轴设计

1、第六章第六章 轴设计轴设计轴的功用轴的功用 支撑回转零件；支撑回转零件； 传递运动和转矩传递运动和转矩轴的类型轴的类型 心轴心轴 只承受弯矩只承受弯矩 传动轴传动轴 只承受转矩只承受转矩 转轴转轴 既受弯矩、又受转矩既受弯矩、又受转矩按按受载受载轴的功用与类型轴的功用与类型轴设计时所要解决的问题轴设计时所要解决的问题 结构问题结构问题确定轴的形状和尺寸确定轴的形状和尺寸 强度问题强度问题防止轴发生疲劳断裂防止轴发生疲劳断裂 刚度问题刚度问题防止轴发生过大的弹性变形防止轴发生过大的弹性变形 振动稳定性问题振动稳定性问题防止轴发生共振防止轴发生共振轴颈：与轴承配合的部分轴颈：与轴承配合的部分轴头：

2、与轮毂配合的部分轴头：与轮毂配合的部分轴身：连接轴颈与轴头的轴身：连接轴颈与轴头的部分部分轴颈轴颈 轴头轴头 轴身轴身 轴的结构设计要求轴的结构设计要求 加工工艺性要好加工工艺性要好 便于轴上零件装拆便于轴上零件装拆 轴上零件要有准确的定位轴上零件要有准确的定位 轴上零件要有可靠的固定轴上零件要有可靠的固定 尽量减少应力集中尽量减少应力集中轴的结构应满足的要求轴的结构应满足的要求定位定位使轴上零件处于正确的工作位置；使轴上零件处于正确的工作位置；轴肩或轴环轴肩或轴环固定固定使轴上零件牢固地保持这一位置。使轴上零件牢固地保持这一位置。目的目的防止轴上零件工作时发生防止轴上零件工作时发生轴向蹿动轴

3、向蹿动。常用的轴向定位和固定方法：常用的轴向定位和固定方法：定位轴肩：定位轴肩：h(0.070.1)d R 或或 C非定位轴肩：非定位轴肩：h12 mm，作用是，作用是便于轴上零件的装拆便于轴上零件的装拆为保证定位准确，为保证定位准确，R 或或 C r 轴环宽度一般取：轴环宽度一般取：b =1.4 h轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定套筒套筒对轴上零件起固定作用。对轴上零件起固定作用。常用于近距离的两个零件间的固定。常用于近距离的两个零件间的固定。注意：注意：为保证固定可靠，为保证固定可靠，应使：与轮毂相配应使：与轮毂相配的轴段长度比轮毂的轴段长度比轮毂宽度短宽度短23 mm，即

4、：即：lB - (23)弹性挡圈弹性挡圈圆螺母圆螺母用于轴上两零件距离较远用于轴上两零件距离较远时，或轴端。时，或轴端。需切环槽，削弱了轴的强度。需切环槽，削弱了轴的强度。承受不大的轴向力。承受不大的轴向力。需切制螺纹，削弱了轴的需切制螺纹，削弱了轴的强度。强度。轴端挡圈轴端挡圈锥面锥面用于固定轴端零件，能用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。承受较大的轴向力。常与轴端挡圈配合使用。常与轴端挡圈配合使用。轴上零件的周向固定轴上零件的周向固定平平 键键问题：问题：目的目的防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：花

5、花 键键紧定螺钉紧定螺钉滚动轴承滚动轴承是否需要用是否需要用键键作周向固定？作周向固定？阶梯轴阶梯轴 轴上直径相近处的过渡圆角、轴上直径相近处的过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀倒角、键槽、越程槽、退刀槽等尺寸应统一槽等尺寸应统一减少刀具数量减少刀具数量减少装夹次数减少装夹次数不同轴段的键槽应布置在不同轴段的键槽应布置在同一加工方向同一加工方向加工工艺要求加工工艺要求车削车削 加工方法不同，轴的工艺结加工方法不同，轴的工艺结构也可能不同构也可能不同磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 装拆应方便；装拆应方便； 不同的装拆方案，得到不同结构；不同的装拆方案，得到不同结构； 轴的配合直径应圆整成标准值；

6、轴的配合直径应圆整成标准值；装拆要求装拆要求轴端倒角轴端倒角 滚动轴承的定位轴肩应滚动轴承的定位轴肩应低于内圈低于内圈查标准查标准。减小应力集中减小应力集中适当加大截面变化处的过渡圆角半径。适当加大截面变化处的过渡圆角半径。若圆角半径受限制，可采用：若圆角半径受限制，可采用：凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环减载槽减载槽提高轴的强度提高轴的强度改善轴的受力状况改善轴的受力状况改变轴上零件的结构，使受载减小。改变轴上零件的结构，使受载减小。转轴转轴心轴心轴减小最大弯矩减小最大弯矩结构设计示例结构设计示例 齿轮的轴向定位齿轮的轴向定位 其他回转零件的轴向定位其他回转零件的轴向定位 零件的装拆零件的装

7、拆 齿轮的轴向固定，滚动轴承的轴向定位齿轮的轴向固定，滚动轴承的轴向定位 轴头宽度轴头宽度齿宽齿宽 零件的周向固定零件的周向固定应力分析：应力分析：FT弯曲应力弯曲应力b ：对称循环变应力；对称循环变应力；扭剪应力扭剪应力T ：循环特征根据实际情况而定。：循环特征根据实际情况而定。计算方法：计算方法： 按扭转强度计算；按扭转强度计算； 按弯扭合成强度计算；按弯扭合成强度计算； 安全系数法计算。安全系数法计算。一般的轴一般的轴轴的强度计算轴的强度计算轴长期单向运转：静应力轴长期单向运转：静应力轴单向运转且有明显的振动、冲击或频繁地启动、停车：轴单向运转且有明显的振动、冲击或频繁地启动、停车：脉动

8、循环变应力脉动循环变应力轴频繁地双向运转：对称循环变应力轴频繁地双向运转：对称循环变应力扭转强度设计式扭转强度设计式:令其为系数令其为系数 C 系数系数 C 与轴的材料和承载情况有关与轴的材料和承载情况有关扭剪应力扭剪应力:轴的材料Q235A，20354540Cr，35SiMn，38SiMnMo，20CrMnTi T /MPa1220203030404052C16013513511811810710798扭转强度扭转强度轴的抗扭轴的抗扭剖面系数剖面系数 扭转强度公式一般用来初扭转强度公式一般用来初算轴的直径，计算出的算轴的直径，计算出的 d 作为作为受扭段受扭段的最小直径的最小直径 dmin

9、。 弯矩相对转矩较小或只受转矩时，弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C 取小值；弯矩较大时，取小值；弯矩较大时，C 取大值。取大值。 若该轴段有一个若该轴段有一个键槽键槽，d 值增大值增大5%；有两个键槽，有两个键槽，增大增大10%。再圆整为。再圆整为标准标准直径直径。 适用于适用于传动轴传动轴的强度计算，以及初估的强度计算，以及初估转轴转轴的最小直径。的最小直径。受扭段受扭段最小直径最小直径dmin此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。计算弯矩需计算弯矩需已知：已知：轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。弯、扭联合作

10、用时，采用弯、扭联合作用时，采用第三强度理论第三强度理论。则轴危险截面上的则轴危险截面上的当量应力当量应力：对于直径为对于直径为 d 的实心轴：的实心轴：弯扭合成强度弯扭合成强度由于由于 b 与与 的循环特征可能不同，需引进的循环特征可能不同，需引进校正系数校正系数将将 折折合成合成对称循环变应力对称循环变应力。当量弯矩当量弯矩校正系数校正系数的取值：的取值： 对于不变的转矩：对于不变的转矩： 频繁启动、振动或情况不明：频繁启动、振动或情况不明： 经常双向运转：经常双向运转：对称循环变对称循环变应力应力下的许下的许用应力用应力1、根据功率、根据功率 P 和转速和转速 n ，用，用扭转强度扭转强

11、度公式初算受扭段的最小直径公式初算受扭段的最小直径dmin 。2、根据初算轴径，进行轴的、根据初算轴径，进行轴的结构设计结构设计。3、按、按弯扭合成强度弯扭合成强度校核轴的危险截面。校核轴的危险截面。N转轴设计步骤和方法转轴设计步骤和方法危险截面：危险截面：Me 最大的截面；最大的截面； 画出空间受力图，求出支反力；画出空间受力图，求出支反力； 分别作出水平面受力图和垂直面受力图；分别作出水平面受力图和垂直面受力图； 分别作出水平面弯矩图分别作出水平面弯矩图MH和垂直面弯矩图和垂直面弯矩图MV ； 求合成弯矩：求合成弯矩： 求危险截面的当量弯矩：求危险截面的当量弯矩：靠近靠近Memax ，直径较小的截面。，直径较小的截面。 按弯扭合成强度条件校核：按弯扭合成强度条件校核：危险截面危险截面直径直径若强度不足，应适当若强度不足，应适当增大轴径。增大轴径。弯扭合成强度校核弯扭合成强度校核 根据载荷的不同，轴可分为哪几类？根据载荷的不同，轴可分为哪几类？ 按扭转强度设计轴时，系数按扭转强度设计轴时，系数C的含义是什的含义是什么？按弯扭合成强度设计轴时，系数么？按弯扭合成强度设计轴时，系数的含义是什么？的含义是什么？ 轴的结构设计。常用的轴向定位与固定轴的结构设计。常用的轴向定位与固定方法；常用的周向定位方法。方法；常用的