轴系的结构设计

轴系结构的设计第一节轴一、轴的功用和分类1、功用：支承其他回转件，承受转矩与弯矩，并传递运动和动力。1）按所受载荷特点分三种：

心轴：只承受弯矩;如传动轴：只承受转矩;如转轴：同时承受弯矩和转矩;如2.轴的分类

直轴，曲轴；光轴，阶梯轴；空心轴，实心轴；刚性轴，挠性轴。重点：阶梯轴例汽车轴2）按轴的结构形状分：阶梯轴曲轴：挠性钢丝轴转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。工作时既承受弯矩又承受转矩。例：减速器中的轴心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：车辆轴和滑轮轴，图中为自行车的前轮轴。自行车的前轮轴传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴。例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。传动轴传动轴：轴颈:轴和轴承配合部分;轴头:轴上装轮毂的部分;轴身:联接轴头和轴颈的部分.二、轴的材料轴的功用，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。轴的常用材料是：碳素钢和合金钢等。在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等。1、碳素钢：碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广；一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。对于不重要或受力较小的轴也可用Q235、Q275等碳素结构钢。2、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；多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。3、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，使用铸造制成外形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。

轴的材料及选择

合理的轴系结构必须满足下列基本要求：1）轴和轴承在预期寿命内不失效；2）轴上零件在轴上准确定位与固定，以及轴系在箱体上的可靠固定；3）轴系结构有良好的工艺性；4）好的经济性。

轴系的结构设计

轴上零件的轴向定位方法取决于零件所承受的轴向载荷大小。常用的轴向定位方法有以下几种。1）轴肩与轴环定位2）套筒定位3）圆螺母定位4）弹性挡圈定位5）紧定螺钉固定三、轴向零件的轴向定位和固定1）轴肩与轴环定位

优点：方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；缺点：会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，阶梯过多将不利于加工。用途：这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。注意要点：为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般定位高度取为（0.07～0.1）d，轴环宽度b=1.4h

。2）套筒定位

简化轴的结构，减小应力集中，结构简单、定位可靠。多用于轴上零件间距离较小的场合。3）圆螺母定位固定可靠，可以承受较大的轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。4）弹性挡圈定位

结构紧凑、简单、装拆方便，但受力较小，且轴上切槽会引起应力集中，常用于轴承的定位5）紧定螺钉固定

紧定螺钉多用于光轴上零件的固定，并兼有周向固定的作用。适用于轴向力小，转速低的场合四、轴上零件的周向定位

运转时，为了传递转矩或避免与轴发生相对转动，零件在轴上必须周向固定。

轴上零件的周向定位方法主要有键联接（平键、半圆键、楔键等）、花键联接、弹性环联接、过盈配合联接、销联接、成型联接等等。a)平键制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合b)花键承载能力高，定心好、导向性好。适用于传递转矩较大，要求导向性良好的场合。c)过盈配合结构简单、定心好、承载能力高。常与平键联合使用，以承受大的交变、振动和冲击载荷。

d)销联接

用于固定不太重要、受力不大，但同时需要周向或轴向固定的零件。

机器中的轴的位置是靠轴承来定位的。当轴工作时，既要防止轴向窜动，又要保证轴承工作受热膨胀时的影响（不致受热膨胀而卡死），轴承必须有适当的轴向固定措施。

常用的轴向固定措施有两种:五、轴系的轴向固定1）双支撑单向固定（两端固定式）

这种方法是利用轴肩和端盖的挡肩单向固定内、外圈，每一个支撑只能限制单方向移动，两个支撑共同防止轴的双向移动。

这种安装主要用在两个对成布置的角接触球轴承或圆锥滚子轴承的情况，同时考虑温度升高后轴的伸长，为使轴的伸长不致引起附加应力，在轴承盖与外圈端面之间留出热补偿间隙c＝0.2～0.4mm（如图b）。

游隙的大小是靠端盖和外壳之间的调整垫片增减来实现的。这种支撑方式结构简单，便于安装，适用于工作温度不高变化的短轴。2）单支撑双向固定式（一端固定、一端游动）

对于工作温度较高的长轴，受热后伸长量比较大，应该采用一端固定，而另一端游动的支撑结构。

作为固定支撑的轴承，应能承受双向载荷，故此内、外圈都要固定（如左端图）。作为游动支撑的轴承，则其内圈应固定（如右端图）。若使用的是可分离型的圆柱滚子轴承等，则其内、外圈都应固定。六、轴系的调整1.轴承游隙的调整和轴承的预紧

恰当的轴承游隙是维持良好润滑的必要条件。一些轴承在制造时已确定了游隙；一些轴承装配时通过移动轴承套圈位置来调整游隙。

移动轴承套圈，调整轴承游隙的方法有以下四种：

1、用增减轴承盖与机座间垫片厚度进行调整；

2、用调整螺钉压紧或放松压盖使轴承外圈移动进行调整；

3、用带螺纹的端盖调整；

4、用圆螺母调整轴承内圈调整游隙。预紧的定义：对某些可调游隙的轴承，为提高旋转精度和刚度，常在安装时施加一定的轴向作用力（预紧力）消除轴承游隙，并使内、外圈和滚动体接触处产生微小弹性变形。

预紧的方法有：一般采用移动轴承套圈的方法；对一些支承的轴承组合，还可用金属垫片或磨窄外圈等方法获得预紧。2、轴系位置的调整

在初始安装或工作一段时间后，轴系的位置和预定位置可能会出现一些偏差，为使轴上零件具有准确的工作位置，必须对轴系位置进行调整。图示锥齿轮轴系的两轴承均安装在套杯3中，增减1处垫片可使套杯相对箱体移动，从而调整轴向位置；增减2处垫片则可用来调整轴承游隙。3关于轴系的结构设计9、外套筒与箱体之间应有调整垫，以便调整锥齿轮的啮合间隙；1234567891、轴段过长，锥齿轮轴向定位不好，应比齿轮毂孔长度短1~3mm；2、键与键槽顶面不相碰，应画两条线；3、轴套应做成挡油环；4、外套筒挡边太高，不便轴承拆卸。5、轴段精加工面过长，且整个轴没有轴向固定，这可是一个大问题。解决办法是套筒改为轴肩；6、外套筒内孔精加工面过长，中间应有槽；7、轴承透盖的孔与轴擦碰；8、透盖与外套筒之间应有调整垫，以便调整轴承的轴向游隙；找错修改后的轴系图轴系立体图轴系立体图轴系主视图轴系各零件立体图圆锥滚子轴承30208圆锥滚子轴承可承受径向和轴向的联合载荷。由外圈、内圈、保持架和一组滚子组成。因其滚子为圆锥形，因此而得名。这是一种可分离型轴承，可离分为外圈和内组件（由内圈、滚子和保持架组成），内组件不可以再分离。同一型号的外圈和内组件是可以互换的。外圈内组件

圆锥滚子轴承内圈的大端挡边称为大挡边。大挡边为锥面，滚子的大端面为球面。在载荷作用下，内圈大挡边和滚子大端面接触应力很大，是所有工作表面中最易疲劳、磨损失效之处。一直以来，内圈大挡边和滚子大端面均为等径球面，工作时二者为面接触，无法形成油楔，故润滑状态不佳。1990年代后，将其中之一——内圈挡边改为锥面，使二者的接触变为线接触，可形成楔形腔，改善了润滑条件。三圆锥的锥顶不重合，转动时会发生“干涉”，如果没有挡边的阻挡，滚子会在滚道上“爬”。锥顶重合于轴承回转轴线

内圈滚道、滚子和外圈滚道这三个圆锥面的锥顶必须重合于轴承回转轴线上——说着玩的！

有趣的是，设计方面的一些错误反倒会使人们受到启发。比如，这类轴承设计的错误，催生了一种超越离合器，用于洗衣机的甩干等场合。歪打正着，难怪说失败是成功的妈！七、轴的结构工艺性由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形.1、关于轴的形状：阶梯轴2、关于轴的有关尺寸为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为5~10MM。为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径；退刀槽取相同的宽度；倒角尺寸相同；若需开键槽的轴段直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽，一根轴上各键槽应开在同一母线上，以减少换刀次数。3.轴的结构工艺性1）轴肩圆角r2）轴端倒角

3）砂轮越程槽

4）螺纹退刀槽

5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸同一根轴上所有圆角半径和倒角的大小应尽可能一致，以减少刀具规格和换刀次数。为便于加工定位，轴的两端面上应做出中心孔。

完毕1)圆角半径和倒角为使轴上零件容易装拆，轴端和各轴段端部都应有45°的倒角。

2)轴端倒角轴上磨削的轴段应设有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部。3)砂轮越程槽轴上车螺纹的轴段应设有螺纹退刀槽，以保证螺纹牙均能达到预期的高度。

4)螺纹退刀槽轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上。

5)键槽轴系结构改错

错误

正确两处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上轴系结构改错八、提高轴的疲劳强度和轴系刚度的措施减少应力集中和提高轴的质量是提高轴的疲劳强度的主要措施。常见方法有：

1）避免轴截面尺寸发生急剧变化

2）直径突变处应平滑过渡、制圆角提高表面质量的方法：

1）降低表面粗造度

2）表面强化处理

a）

b）喷丸

c）渗碳淬火低温回火

d）渗氮

e）高频感应加热淬火

轴系的刚度主要取决于轴的刚度和支承刚度。提高轴的刚度：合理设计各轴段截面尺寸、采用空心轴。提高轴的支承刚度：选用刚性较大的轴承、支承出的箱座采用加强肋、合理布置轴承。九、轴承的润滑与密封1、润滑保证良好的润滑是维护保养轴承的主要手段。润滑可以降低摩擦阻力，减轻磨损。同时，还具有降低接触应力、缓冲吸振及防腐蚀等作用。

常用滚动轴承的润滑剂为润滑脂和润滑油两种。

具体选择可按速度因数Dmn来决定(Dm为轴承的平均直径；n为轴承的转速)。Dmn间接反映了轴颈圆周速度，当Dmn<2×105～3×105mmr/min时，一般采用脂润滑；超过这一范围宜采用油润滑。2、