机械设计课件：轴 -

轴①明确轴的功用和分类方法②会根据工况条件正确选材及确定热处理方法③明确工作能力要求，会对其进行必要的计算④掌握轴系的结构设计要求重点轴系的结构设计难点轴系的结构设计一．功用二．分类按轴线分：

直轴、曲轴、软轴光轴阶梯轴空心轴15.1概述1.支撑轴上零件

2.传递运动、动力

3.确定并保持轴上零件的轴向位置按轴的工作频率分：刚性轴、挠性轴按受载分：心轴（静、动）、传动轴、转轴

传动轴：扭矩T转轴：T+M心轴:弯矩M1.结构设计：

合理地选材及适当的热处理；考虑轴上零件的安装、定位、加工工艺因素，合理地确定轴的结构形式和尺寸。2.承载能力的计算：（轴相当于梁且工作时多数要转动）①静强度②疲劳强度③刚度④振动稳定性三.轴设计的主要内容四.轴的失效形式和设计准则：1.失效形式因强度不足发生断裂失稳（刚度不够）静强度、疲劳断裂

对一般机械：保证足够的强度，合理的结构，良好的工艺性。

对于刚度为主的轴：设计准则是刚度，即由刚度来确定主要尺寸，验算强度。

对于高速轴或受周期性变载荷作用的轴：须进行振动稳定性计算。2.设计准则五.轴的材料

对轴材料的要求：强度、刚度、耐磨性及良好的加工工艺性。

材料：

常用碳素钢、合金钢。经调质或正火处理（加工量大、便于切削）。存在局部磨损情况下，可采用局部硬化方法。普通碳素钢

如Q235A、Q275等，用于不重要的场合。优质碳素钢

如35、45、50等。1.碳素钢：特点45钢使用最广泛

强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好

应力集中敏感性小

热处理后提高耐磨性、疲劳强度2.合金钢

对应力集中敏感性较大

强度和淬火性比碳素钢好

价格比碳素钢贵低碳合金钢如20Cr、

20CrMnTi等，可渗碳淬火中碳合金钢如40Cr、1Cr18Ni9Ti、40MnB等

一般应用于有特殊要求的场合；如要求轴的重量轻，尺寸小而受力大；强度、耐磨性要求高；高温、腐蚀介质下工作等。特点注意1）各种钢材、热处理前后其弹性模量差别不大，因此要提高刚度不能用合金钢或通过热处理的方法获得。2）合金钢对应力集中敏感性高，设计时必须从结构上采取措施，减轻应力集中，并降低表面粗糙度。3.高强度的铸铁和球铁：以铁代钢

对应力集中敏感性较小

吸振性、耐磨性好

可以做成复杂形状

价廉

冲击韧性低、质量不易控制

毛坯圆钢棒料尺寸小的轴锻造毛坯尺寸较大或为提高轴的强度焊接毛坯大件锻造困难铸造毛坯形状复杂的轴、空心轴等特点常用材料见P355表15-115.2轴的结构设计一.概述：1.目的——

使轴各部分具有合理的形状和尺寸2.轴的结构设计应考虑的因素：①便于装拆（装配工艺性）、调整。②定位准确、固定可靠（工作时轴上零件有位置要求）。③便于制造（制造工艺性），结构力求简单。④受力合理，有利于提高强度、刚度（材尽其用）。（并通过结构设计提高这些方面的性能）

影响轴的结构设计的因素较多，其结构设计具有较大的灵活性、多样性，没有一个统一的标准。程序：考虑装拆—定位固定方法与结构—兼顾受力与制造安装轮毂的轴段安装轴承的轴段轴颈轴身联接轴颈和轴头的轴段轴头轴=轴头+轴身+轴颈3.轴的构成：二.拟定轴上零件的装配方案：一般设计成中间大、两端小的阶梯形状，目的是：

满足轴上零件的定位和固定区别不同精度、粗糙度、配合等便于轴上零件的装拆从承载观点中间受弯矩大

轴上零件的装配方向、顺序和相互关系，从而确定各段轴径。不同的装配方案，轴的结构形式就不同。设计时多种方案分析比较，择优。三.轴上零件的定位和固定：定位----使轴上的零件保持准确的工作位置，防止轴上零件受力时发生轴向或周向的相对运动。轴向定位周向定位轴向定位的方法轴肩定位：多用于轴向力较大的场合套筒定位：多用于两个零件之间的定位。圆螺母定位：可承受大的轴向力，一般用于轴端零件的固定。（注意：防松结构）轴端挡圈：用于轴端零件的固定。其它：用于较小轴向力的场合。如：弹性挡圈、紧定螺钉、锁紧挡圈、圆锥面定位等。轴承端盖定位：一般也用于整个轴系的轴向定位方法：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合、成型联接等。2.周向定位：1.轴向定位轴肩与轴环套筒轴向定位圆螺母轴端挡圈轴向定位

端盖轴向定位轴向定位弹性挡圈紧定螺钉销圆锥面平键、花键紧定螺钉销过盈配合成形联接零件的周向固定注意：与标件配合的轴径不能任意取。尽可能结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配和调整空间。五．制造、装配工艺性考虑四.轴的各段直径及各段长度的确定：2.直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一，以减少刀具数量和换刀时间。退刀槽越程槽1.必要的工艺结构（退刀槽、越程槽）：已标准化，尺寸尽量一致3.不同轴段的各键槽方向应一致。4.与零件过盈配合的轴端应有导向锥面。

除了要考虑强度、定位、安装等因素外，从降低成本而言，阶梯的数量越少越好，多加工一个接阶梯，就多一次对刀，多调整更换一次量具，相应应力集中源也增多，不利于提高轴的疲劳强度。总之在保证使用的条件下，力求结构简单。1.合理的部置轴上零件以减小轴的载荷：

尽可能减小跨距和悬臂长度（尽可能不用悬臂支撑形式）；2.改进轴上零件的结构以减小轴上的载荷：3.减小应力集中（尤其合金钢）——

圆角过度、卸载4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度：4.精度合理：5.阶梯的数量：六．提高轴的强度的措施：粗糙度表面强化处理

传动零件尽可能靠近轴承。15.3轴的强度计算计算准则：满足轴的强度、刚度要求，对高速轴还应验算其振动稳定性。方法：初步完成结构设计后，再进行效核计算。一.轴的强度效核计算①对传动轴，按扭转强度计算；②对心轴，按弯曲强度计算；③对转轴，按弯扭合成强度条件计算。必要时还应按疲劳强度条件进行精确计算；④对瞬时过载很大的轴，还应效核其静强度。以免塑性变形过大。该方法适用于只承受扭矩的传动轴，亦可对转轴进行近似计算。对于转轴由轴的结构而定转矩弯矩(跨距？力作用点？)解决办法：用降低来考虑的影响见P339表15-3*设计式：抗弯截面模量仅考虑的强度条件为轴传递的功率，Kw对于实心圆轴的强度条件为：为轴的转速,r/min轴的直径，mm1.按扭转强度计算(初算轴径)对于空心圆轴：空心圆轴的内径注意d>100mm：开有一个键槽时，增大3%；有两个键槽时，增大7%；d

100mm：开有一个键槽时，增大5

7%；有两个键槽时，增大10

15%。2.轴上开有键槽时，应增大轴径3.该直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin。亦可按经验公式来估算轴径，一般减速机中：高速轴电机直径中心距各级低速轴1.

是由轴的材料和承载情况确定的系数，

取值轴结构简图水平弯矩图转矩图当量弯矩图垂直面受力简图垂直弯矩图合成弯矩图1）已知：

轴上零件的位置，支撑位置,载的大小、方向、性质。2）计算步骤：2.按弯扭合成强度计算（一般轴）：

材料力学第三强度理论，同时承受和的某一截面强度条件为：对于直径d的实心轴水平面受力简图

当量弯矩和在转轴上产生的应力性质可能不同。

产生的弯曲应力对称循环变应力产生的扭剪应力为：大小和方向不变大小经常变化大小和方向经常变化静应力脉动循环变应力对称循环变应力将转化为对称循环变化来考虑折算系数

（）ott

（）ot

（）to轴的应力分为三类

转轴的强度计算校核式：危险截面最大处较大且较小处见P331表15-1按弯扭合成强度计算应用场合：注意1.对转轴：按弯扭合成只考虑了循环特性的差异，没考虑应力集中等因素的影响，只是粗略的计算，对重要轴应作精确计算。2.对心轴：

转动心轴：

固定心轴：考虑启动、停车等的影响，弯矩视脉动循环受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件:计算安全系数受弯矩的安全系数受扭矩的安全系数许用安全系数P3663.按安全系数校核计算(重要轴)目的：确定变应力情况下轴的安全度。已知：轴的外形、尺寸、作用在轴上的载荷。确定危险截面短时严重过载场合4.静强度安全系数计算：

提高轴的强度的常用措施增大轴径；改变材料及热处理；改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度改进轴的结构设计二．刚度计算：扭转、弯曲三.轴的振动稳定性计算：

外力频率与轴