机械设计之轴的设计

轴的设计本章目录工程应用问题思考

轴是直接支持传动零件和其它轴上零件以传递运动和动力的重要零件。机器的工作能力和工作质量在很大程度上与轴有关。轴一般都是非标准件。本部分包括轴的分类、轴的结构设计、轴的强度计算、减少应力集中、改善受力、轴系组装、轴系结构举例与改错等内容。总目录教学要求重点难点本章目录

概述

轴的结构设计

轴的工作能力设计分目录上一页概述轴的分类轴的材料轴设计的主要问题上一页分目录轴的分类分目录上一页轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的分类分目录上一页返回轴的材料对轴材料的要求

除具有足够的强度外，还应具备足够的塑性、冲击韧性、抗磨损性和抗腐蚀性；对应力集中的敏感性小；具有良好的工艺性；能通过各种热处理方式提高轴的疲劳强度。轴材料的选择（详见表）

主要采用碳素钢和合金钢。碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，应用广泛。

常用的碳钢有30~50钢，最常用的是45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。不重要的或受力较小的轴及一般传动轴可使用Q235~Q275。分目录上一页轴的材料

合金钢具有较高的强度，可淬性也较好，可以在传递大功率并要求减少质量和提高轴颈耐磨性时采用。常用的合金钢有12CrNi2、12CrNi3、20Cr、40Cr和38SiMnMo等。

高强度铸铁和球墨铸铁有良好的工艺性，并具有价廉、吸振性和耐磨性好以及对应力集中敏感性小等优点，适用于制造结构形状复杂的轴（如曲轴、凸轮轴等）。轴的毛坯选择

当轴的直径较小而又不太重要时，可采用轧制圆钢；重用的轴应当采用锻造坯件；对于大型的低速轴，也可采用铸件。分目录上一页轴设计的主要问题1.轴的结构设计：根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。2.

轴的强度计算：多数情况下轴的工作能力主要取决于轴的强度。这时只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。3.轴的刚度计算：对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止工作时产生过大的弹性变形。4.轴的稳定性计算：对高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止发生共振而破坏。分目录上一页轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案轴上零件的固定各轴段直径和长度的确定提高轴的强度的措施轴系设计举例轴的结构工艺性轴系结构改错分目录上一页拟定轴上零件的装配方案

拟定轴上零件的装配方案是进行轴结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓装配方案，就是预定出轴上主要零件装配方向、顺序和相互关系。如下图：轴系组装仿真：斜齿轮轴系分目录上一页锥齿轮轴系轴系组装仿真斜齿轮轴系分目录上一页单击…返回轴系组装仿真锥齿轮轴系单击…分目录上一页返回轴上零件的固定零件在轴上的周向固定

为了满足机器传递运动和扭矩的要求，轴上零件还必须作可靠的周向固定，常用的轴向固定方法有：1.键联接2.花键联接3.成型联接4.弹性环联接5.销联接6.过盈联接分目录上一页零件在轴上的周向固定分目录上一页返回零件在轴上的周向固定分目录上一页返回零件在轴上的周向固定分目录上一页返回零件在轴上的周向固定分目录上一页返回零件在轴上的周向固定分目录上一页返回零件在轴上的周向固定分目录上一页轴上零件的固定零件在轴上的轴向固定分目录上一页零件在轴上的轴向固定分目录上一页零件在轴上的轴向固定注意：ra＜C＜a,ra＜r＜a。分目录上一页零件在轴上的轴向固定分目录上一页零件在轴上的轴向固定分目录上一页零件在轴上的轴向固定分目录上一页零件在轴上的轴向固定分目录上一页返回各轴段直径和长度的确定直径的确定有配合要求的直径，应尽量采用标准直径。

安装标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈）部位的轴径，应取为相应的标准值及所选配合的公差。长度的确定

轴的各段长度主要根据各零件与配合部分的轴向尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定。

为保证轴向定位可靠，轴毂配合部分的轴段长度应比轮毂长度短2~3mm。分目录上一页返回提高轴的强度的措施

为了提高轴的承载能力，减小轴的尺寸，可从以下两个方面采取措施：改善受力减少应力集中分目录上一页改善受力转轴改为心轴分目录上一页改善受力改进轴上零件结构，减少轴受弯矩分目录上一页改善受力分目录上一页改善受力改变支点位置，改善轴的强度和刚度分目录上一页改善受力采用力平衡或局部相互抵消的办法减小轴的载荷分目录上一页返回减少应力集中分目录上一页减少应力集中分目录上一页减少应力集中分目录上一页减少应力集中分目录上一页返回轴的结构工艺性

轴的结构工艺性是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。

为了便于装配零件并去毛刺，轴端应倒角；需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽；需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。

为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上分目录上一页返回轴系设计举例请完成如图所示的轴系设计。请选择齿轮的装配方向分目录上一页轴系设计举例分目录上一页返回轴系结构改错图中有一处错误，请改正。错误原因r>c

使得轴上零件与轴肩的配合不够紧密。分目录上一页轴系结构改错图中有四处错误，请改正。错误原因4.圆螺母无法装入。1.轴肩太高，滚动轴承无法拆卸。2.轴上未留退刀槽，不便于螺纹加工。3.轴承左边造成过定位。分目录上一页轴系结构改错图中有三处错误，请改正。错误原因3.滚动轴承内圈与轴的配合为过盈配合，无需键联接。1.轮毂上键槽未开通，零件无法装入。2.套筒无法装入应改为轴肩。分目录上一页轴系结构改错错误原因图中有三处错误，请改正。3.同一轴上的两个平键应布置在同一母线，否则不便于轴的加工。1.键太长，右端套筒无法装入。2.轮毂上键槽未开通，右端齿轮无法装入。分目录上一页轴的工作能力设计

轴的工作能力设计包括强度计算、刚度计算、振动稳定性计算，一般的轴只需进行强度计算。轴的强度计算主要有三种方法：1.许用切应力计算2.许用弯曲应力计算3.安全系数校核计算分目录上一页强度计算分目录上一页强度计算受转矩T(N.mm)的实心圆轴，其切应力写成设计公式，轴的最小直径上两式中WT——轴的抗扭截面系数，mm3；P——轴传递的功率，kW；n——轴的转速，r/min；[τT]——许用切应力，MPa；C——与轴材料有关的系数，可由表查得。对于受弯矩较大的轴宜取较小的[τT]值。当轴上有键槽时，应适当增大轴径：单键增大3%，双键增大7%。分目录上一页返回强度计算分目录上一页强度计算

轴完成结构设计后，轴上零件的位置均以确定，则外载荷和支点反力的作用点也随之而定。画出轴的空间受力简图后，即可进行强度计算，其计算步骤如下：

1.将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图,求出水平面上和垂直面上的支点反力。

2.分别作出水平面上的弯矩Mxy图和垂直面上的弯矩Mxz图。3.作出合成弯矩图。4.作出转矩T图。5.计算当量弯矩，画出当量弯矩图。式中α为考虑弯曲应力与扭转切应力的循环特征不同而引入的修正系数。通常弯曲应力为对称循环变化，而扭转切应力随工作情况而变化。分目录上一页强度计算当转矩稳定不变时，；当转矩脉动变化时，，当转矩对称变化时（轴频繁正反转），其中、、分别为静应力、脉动应力、和对称应力下轴的许用弯曲应力，单位均为Mpa,其值见表。6.校核危险截面的强度。或式中W---轴的抗弯截面系数。分目录上一页返回强度计算分目录上一页教学要求分目录上一页重点难点分目录上一页

轴系组装仿真

轴系设计

轴系结构改错

改善受力工程应用分目录上一页工程应用分目录上一页工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程应用分目录上一页返回工程