《机械设计基础》第五版轴

1、机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴第第1414章章 轴轴机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴14-114-1 轴是组成机器的重要零件，各种各轴是组成机器的重要零件，各种各样机器上作旋转运动的零件，必须安装样机器上作旋转运动的零件，必须安装在轴和轴承上，才能传递运动和动力。在轴和轴承上，才能传递运动和动力。本章主要介绍轴的类型、结构设计及强本章主要介绍轴的类型、结构设计及强度计算。度计算。 一、轴的功用一、轴的功用1.1.支承旋转零件并传递运动和动力支承旋转零件并传递运动和动力 2.2.保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置

2、保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置轴的加工轴的加工机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1 1、按载荷性质分类、按载荷性质分类心轴：心轴：只承受弯矩只承受弯矩传动轴：传动轴：只传递扭矩只传递扭矩转轴：转轴：传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 转动心轴转动心轴固定心轴固定心轴2 2、按轴的形状分有：、按轴的形状分有：直轴直轴光轴光轴阶梯轴阶梯轴曲轴曲轴钢丝软轴钢丝软轴v空心轴空心轴机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴6.1.2 6.1.2 轴设计时应满足的要求轴设计时应满足的要求断裂断裂 疲劳断裂为多数、冲击过疲劳断裂为多数、冲击过载断裂为少数；载断裂为少数；磨损磨损

3、相对运动表面过度磨损；相对运动表面过度磨损；过量变形过量变形振动振动 1、轴的失效形式、轴的失效形式2、要求、要求具有足够的强度和刚度、具有足够的强度和刚度、良好的振动稳定性和合良好的振动稳定性和合理的结构。理的结构。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴例如：例如：机床主轴：机床主轴：刚度要求刚度要求 高速磨床主轴、汽轮机主轴高速磨床主轴、汽轮机主轴：振动稳定性要求：振动稳定性要求 3、轴的设计步骤、轴的设计步骤选择材料选择材料估算轴的估算轴的最小直径最小直径结构设计结构设计工作能力计算工作能力计算机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴14-2 14-2 轴的材料轴的材料

4、(表表14-1)1. 1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；轴的强度、刚度及耐磨性要求；轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：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。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴轴的常用材料是碳钢和合金钢。轴的常用材料是碳钢和合金钢。u合金钢：具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对合金钢：具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性，多用于对强度

5、和耐磨性有特殊要求的轴。有特殊要求的轴。 u碳钢：碳钢： 35、45、50 ，尤其是尤其是45号钢号钢正火或调质处理。正火或调质处理。特点：特点：对应力集中的敏感性低，加工工艺性好，故应用最对应力集中的敏感性低，加工工艺性好，故应用最广，广， 对于不重要或受力较小的轴也可用对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳等普通碳素钢。素钢。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴14-3 14-3 轴的结构设计轴的结构设计图示为一齿轮减速器的高图示为一齿轮减速器的高速轴速轴。v轴身：非配合部分。轴身：非配合部分。v轴头：轴上与传动零件轴头

6、：轴上与传动零件配合的部分。配合的部分。v轴颈：与轴承配合的轴颈：与轴承配合的部分。部分。轴承盖轴承盖滚动轴承滚动轴承齿轮齿轮套筒套筒联轴器联轴器轴端挡圈轴端挡圈轴头轴头轴颈轴颈轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身轴颈轴颈轴头轴头轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴任务：任务：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。确定轴的合理外形和全部结构尺寸。v要求：要求： 轴上零件应便于装拆和调整；轴上零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性；轴应具有良好的制造工艺性；利于节省材料、减轻重量。利于节省材料、减轻重量。轴和轴上零件要有准确的定位；轴和轴上零件要有准确的定位；结构上要有

7、利于提高轴的强度、刚度，尽量结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中；减少应力集中；机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴一、拟定轴上零件的一、拟定轴上零件的装配装配方案与方案与拆卸拆卸装配方案：预定出轴上主要零零件的装配方向、顺序和装配方案：预定出轴上主要零零件的装配方向、顺序和相互关系。相互关系。 轴上零件的装配方轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进拟定几种装配方案，进行分析与选择。行分析与选择。 图示减速器输出轴就有图示减速器输出轴就有两种装配方案。两种装配方案。机械设计基础机械设计基础

8、第第1414章章 轴轴 方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，加工工艺复方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理杂，且质量较大，故不如方案一合理 。（合理）（合理）机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴轴端挡圈轴端挡圈轴承座机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1.轴肩轴肩、轴环定位、轴环定位定位轴肩定位轴肩非定位轴肩非定位轴肩v定位轴肩：定位轴肩：h(0.07-0.1)d R 或或 Cv非定位轴肩：非定位轴肩：h12 mm，作用是便于轴，作用是便于轴上零件的装拆上零件的装拆v为保证定位准确，为保证定位准确，R 或或 C r v轴环宽度一

9、般取：轴环宽度一般取：b =1.4 hv滚动轴承的定位轴肩或轴环高度滚动轴承的定位轴肩或轴环高度 查标准查标准轴肩定位特点轴肩定位特点: :结构简单，定位可靠，结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力，可承受较大轴向力，应用广泛应用广泛。 应用应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴v1、2、5为定位为定位轴肩；轴肩；v3、4为非定位轴为非定位轴肩。肩。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴2.套筒定位套筒定位轴承盖轴承盖滚动轴承滚动轴承齿轮齿轮套筒套筒联轴器联轴器特点：结构简单，定位可靠，轴上不

10、用开槽、钻孔和切制螺特点：结构简单，定位可靠，轴上不用开槽、钻孔和切制螺纹，因而不影响轴的疲劳强度。一般用于零件间距较小的场纹，因而不影响轴的疲劳强度。一般用于零件间距较小的场合，以免增加结构重量。不宜用于高速。合，以免增加结构重量。不宜用于高速。 应用：应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。与滚动轴承齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位。与滚动轴承组合时，套筒的高度不应超过轴承内圈的高度，以便轴承拆卸。组合时，套筒的高度不应超过轴承内圈的高度，以便轴承拆卸。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴3.轴端挡圈固定轴端挡圈固定特点：特点：能承受较大的轴向力及冲击载荷。能承受较大的

11、轴向力及冲击载荷。 应用：应用：常用于轴的端部的零件固定。常用于轴的端部的零件固定。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴4.弹性挡圈固定弹性挡圈固定特点：特点：结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的结构简单紧凑，装拆方便，只能承受很小的轴向力，可靠性差。轴向力，可靠性差。 应用：应用：常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位。常用于固定滚动轴承和移动齿轮的轴向定位。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴5.圆螺母固定圆螺母固定特点：固定可靠，装拆方便，可承受较大轴向力。由于特点：固定可靠，装拆方便，可承受较大轴向力。由于轴上切制螺纹，使轴的疲劳强度降低。轴上切制螺纹，使轴的

12、疲劳强度降低。正确正确错误错误错误错误 应用：应用：常用于轴的中部和端部常用于轴的中部和端部机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴6.紧定螺钉紧定螺钉特点：同时起轴向和周向固定作用，特点：同时起轴向和周向固定作用，但轴向和周向承载能力均不大，转但轴向和周向承载能力均不大，转速不能很高。速不能很高。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴7.轴承端盖轴承端盖轴承端盖轴承端盖滚动轴承滚动轴承齿轮齿轮套筒套筒联轴器联轴器特点：一般用在对滚动轴承外圈的轴向定位，有特点：一般用在对滚动轴承外圈的轴向定位，有时整个轴的轴向定位也利用轴承端盖来实现。时整个轴的轴向定位也利用轴承端盖来实现。

13、机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴8.圆锥面圆锥面特点特点：能承受冲击载荷，装拆方便，但配合面加工：能承受冲击载荷，装拆方便，但配合面加工较困难。较困难。 应用应用：常用于轴的端部的零件及同心度要求较高：常用于轴的端部的零件及同心度要求较高的轴端零件固定。的轴端零件固定。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴 过盈配合过盈配合键键花键花键销销机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1、各轴段直径的确定、各轴段直径的确定 按轴所受的扭矩初步估算轴所需的最小直径按轴所受的扭矩初步估算轴所需的最小直径d dminmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，然后再按轴

14、上零件的装配方案和定位要求，从从dmin处起逐一确定各段轴的直径。处起逐一确定各段轴的直径。 1.轴上装配标准件（滚动轴承、联轴器、密封圈等轴上装配标准件（滚动轴承、联轴器、密封圈等)的轴的轴段（段（ ），其直径必须符合标准件的直径系列），其直径必须符合标准件的直径系列值。值。2. 与一般零件（齿轮和带轮）相与一般零件（齿轮和带轮）相配合的轴段直径和零件毂孔直径配合的轴段直径和零件毂孔直径相同，采用标准尺寸。不与零件相同，采用标准尺寸。不与零件配合的轴段（配合的轴段（5，6），其值不用），其值不用标准值。标准值。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴2、各轴段长度的确定各轴段长度的确

15、定v确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证确定各轴段长度时，应尽可能使结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配或调整空间。零件所需的装配或调整空间。v主要根据：主要根据：轴上零件的轴向尺寸轴上零件的轴向尺寸相邻零件之间的距离相邻零件之间的距离 轴上零件的装拆和轴向固定轴上零件的装拆和轴向固定 v为了保证轴向定位可靠，与为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长分的轴段长度一般应比轮毂长度短度短2 23mm3mm。 机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1.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

16、的载荷 通过改进轴上零件的结构也可减小轴上的载荷。下通过改进轴上零件的结构也可减小轴上的载荷。下图的两种结构中图的两种结构中a)a)方案方案( (双联双联) )均优于均优于b)b)方案方案( (分装分装) )，因，因为为b)b)方案中轴方案中轴既受弯矩又受扭矩，而既受弯矩又受扭矩，而a)a)方案中轴方案中轴只只受扭矩。受扭矩。 五、提高轴的强度的措施五、提高轴的强度的措施机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴2.2.合理布置轴上零件，减小轴上的载荷合理布置轴上零件，减小轴上的载荷机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴3.3.减小应力集中减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，

17、应加以注意。合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化处。应力集中出现在截面突然发生变化处。措施：措施：1. 1. 用圆角过渡；用圆角过渡；2. 2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; ;3. 3. 重要结构可增加卸载槽重要结构可增加卸载槽B B、过渡肩环、凹切圆角、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴4.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 表面强化处理的方法有：表面高频淬火

18、表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时可使轴的表层产生喷丸进行表面强化处理时可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。 机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴 六、轴结构设计形式的结构工艺性六、轴结构设计形式的结构工艺性1.1.一般将轴设计成阶梯轴一般将轴设计成阶梯轴（1 1）提供零件定位和固）提供零件定位和固定的轴肩、轴环；定的轴肩、轴环；（2 2）区别不同精度和）区别不同

19、精度和表面粗糙度以及配合表面粗糙度以及配合的要求；的要求；（3 3）直径变化应尽可）直径变化应尽可能少，直径常为中间能少，直径常为中间大两端小，便于零件大两端小，便于零件的装拆；的装拆；（4 4）轴的两端加工倒角，）轴的两端加工倒角，便于零件导入便于零件导入（5 5）装配段不宜过长。）装配段不宜过长。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴v轴的结构工艺性：指轴的结构形式应便于加工和装轴的结构工艺性：指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，并且生产率高，成本低。配轴上的零件，并且生产率高，成本低。 2. 2.轴的结构工艺性轴的结构工艺性 2)磨削轴磨削轴段应留有段应留有砂轮砂轮越程槽

20、越程槽，以便以便砂轮可以磨到砂轮可以磨到轴段的端部。轴段的端部。 1)车制螺纹车制螺纹轴段应留有轴段应留有退刀退刀槽槽，保证螺纹牙保证螺纹牙能达到预期的高能达到预期的高度。度。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴3）键槽布置）键槽布置 固定不同零件的各键槽应布置在同一母线固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以上，以减少装夹次数减少装夹次数。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴例题：结构改错例题：结构改错图中有四处错误，请改正。图中有四处错误，请改正。错误原因错误原因4.4.圆螺母无法装入。圆螺母无法装入。1.1.轴肩太高，滚动轴肩太高，滚动轴承无法拆卸。轴承无法拆卸

21、。3.3.轴承左边定位不轴承左边定位不可靠。可靠。2.2.轴上未留退刀槽，轴上未留退刀槽，不便于螺纹加工。不便于螺纹加工。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴图中有三处错误，请改正。图中有三处错误，请改正。错误原因错误原因3.3.滚动轴承内圈与轴的配合滚动轴承内圈与轴的配合为过盈配合，无需键联接。为过盈配合，无需键联接。1.1.轮毂上键槽未开通，零件轮毂上键槽未开通，零件无法装入。无法装入。2.2.套筒无法装入应改为轴肩。套筒无法装入应改为轴肩。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1.左侧键太长，套筒无法装入；左侧键太长，套筒无法装入；2.多个键应位于同一母线上；多个键

22、应位于同一母线上；3.轮毂上的键槽应为通槽。轮毂上的键槽应为通槽。123图中有三处错误，请改正。图中有三处错误，请改正。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴14-4 14-4 轴的强度计算轴的强度计算四种方法四种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，校核计算校核计算， 。 l 按扭转强度计算按扭转强度计算只需知道只需知道转矩转矩大小，方法简大小，方法简便，但计算便，但计算精度低精度低。它主要用于下列情况它主要用于下列情况：l 传递转矩或以转矩为主的传递转矩或以转矩为主的；l 对于对于弯矩尚不能确定的弯矩尚不能确定的转轴转轴，初步估算初步估算轴径轴

23、径，将其作为，将其作为，以便进行结，以便进行结构设计；构设计；l 不重要的不重要的转轴转轴的最终计算。的最终计算。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴对于实心圆轴对于实心圆轴 /1055. 96TTTTWnPWT扭转强度条件扭转强度条件 T 轴传递的转矩轴传递的转矩(Nmm)；WT 轴的抗扭截面系数轴的抗扭截面系数(mm3)，表，表19.2； P 轴传递的功率轴传递的功率(kW)； n 轴的转速轴的转速(r/min)； T 许用切应力许用切应力(MPa)，表，表19.3。639.55 10 /0.2TC332 . 016/ddWT6339.55 10/0.2TPdCP nn当截面上

24、有当截面上有键槽键槽时，可按时，可按圆轴计算，并适当增大轴圆轴计算，并适当增大轴径。对于径。对于直径小于直径小于100的的轴，轴，单键增大单键增大57%，双双键增大键增大1015%；对于对于直直径大于径大于100的轴，的轴，单键增单键增大大3%，双键增大双键增大7%。表表6-3机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴2 2、按弯扭合成强度计算、按弯扭合成强度计算适用前提适用前提在在轴结构设计后轴结构设计后，轴的主要结构形状，轴的主要结构形状和尺寸、轴上零件的位置、外载荷和支反力的作用和尺寸、轴上零件的位置、外载荷和支反力的作用位置均已确定。位置均已确定。适用对象适用对象同时受弯矩和转矩

25、的同时受弯矩和转矩的转轴转轴，仅受弯矩，仅受弯矩的的心轴。心轴。方法特点方法特点同时考虑弯、扭同时考虑弯、扭，按强度理论进行合按强度理论进行合成成，对轴的危险截面对轴的危险截面(即弯矩、扭矩大的截面即弯矩、扭矩大的截面)进行进行强度校核强度校核。一般的轴用此方法已足够可靠。一般的轴用此方法已足够可靠。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴 现以图示齿轮减速器现以图示齿轮减速器中输出轴为例来介绍轴的中输出轴为例来介绍轴的计算过程。计算过程。机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴画轴空间受力简图画轴空间受力简图l 轴空间受力简图；轴空间受力简图；l 将轴上作用力分解为将轴上作用

26、力分解为垂直面受力；垂直面受力；l 将轴上作用力分解为将轴上作用力分解为水平面受力。水平面受力。l 取集中力作用于齿轮取集中力作用于齿轮和轴承宽度的中点。和轴承宽度的中点。 机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴(2)(2)绘制弯矩图绘制弯矩图22HVMMM机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴(3)(3)绘制扭矩图绘制扭矩图(4)求当量弯矩求当量弯矩:相当于相当于将转矩折算为弯矩将转矩折算为弯矩22()eMMT对于一般钢制的轴，可用对于一般钢制的轴，可用第三强度理论推出：第三强度理论推出：折合系数取值折合系数取值 = 0.3 转矩不变转矩不变 0.6 脉动变化脉动变化1

27、频繁正反转频繁正反转eM 当量弯矩机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴(5)(5)选危险截面，进行轴的强度校核。选危险截面，进行轴的强度校核。危险截面的确定：综合轴上弯扭矩和轴直径选择一个危险截面的确定：综合轴上弯扭矩和轴直径选择一个或几个截面或几个截面轴的强度校核轴的强度校核强度条件为强度条件为 221()ebMTW -1b 对称循环状态下轴材料的许用弯曲应力对称循环状态下轴材料的许用弯曲应力(MPa)计算轴的直径时，计算轴的直径时，330.132dWd3310.1cbMdd机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴变形量的描述变形量的描述：设计要求：设计要求： y y 轴

28、受弯矩产生弯曲变形，受扭矩作用产生扭转变形轴受弯矩产生弯曲变形，受扭矩作用产生扭转变形挠度挠度 y、转角转角 、扭角扭角 机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴1 1 弯曲变形计算弯曲变形计算1.1.按微分方程求解按微分方程求解2.2.变形能法变形能法适用于等直径轴适用于等直径轴适用于阶梯轴适用于阶梯轴2 2 扭转变形计算扭转变形计算等直径轴的扭转角等直径轴的扭转角 raddGTlGITlp432阶梯轴的扭转角阶梯轴的扭转角 radIlTGnipiii11机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴14-6 轴的振动稳定性计算轴的振动稳定性计算1.目的：防止共振的破坏。目的：防止共振的破坏。2.轴的振动与临界转速轴的振动与临界转速轴的振动轴的振动横向振动横向振动扭转振动扭转振动纵向振动纵向振动刚性轴轴的分类：工作转速1crnn挠性轴工作转速1crnn1)8 . 075. 0(:crnn 刚性轴217 . 04 . 1:crcrnnn挠性轴转速。轴的一阶、二阶临界、式中：21crcrnn机械设计基础机械设计基础 第第1414章章 轴轴轴小结轴小结1.1.轴的分类轴的分类( (直轴直轴) )转轴转轴 M+TM+T心轴心轴 M M传动轴传动轴 T T2.2.轴的结构设计轴的结构设计安装次序安装次序轴上零件的定位轴上零件的定位轴向轴向周向