《机械基础》课件-第十五章 轴

第十五章轴第一节轴的功用和分类第二节轴的设计第一节轴的功用和分类功用：支承旋转的零件及传递运动和动力。按承受载荷分分类：一、轴的功用和分类转轴传动轴心轴----既承受弯矩又传递扭矩。转轴---既承受弯矩又传递扭矩按承受载荷分:传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩而不承受扭矩心轴转动心轴固定心轴心轴：

用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有分类：传动轴---只传递扭矩光轴阶梯轴按轴线形状分有直轴一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴心轴---只承受弯矩而不承受扭矩一、轴的功用和分类曲轴一、轴的材料和热处理

碳钢合金钢------最常用45钢。-----多用于有特殊要求的轴。常用40Cr。第二节轴的设计必须指出：

钢的种类和热处理对其弹性模量E的影响甚小，因此，如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度并无实效。yPL

提高轴的刚度的方法→增大轴的截面面积。第二节轴的设计1.按扭转强度条件计算轴的扭转强度条件为：轴的直径：---（15-1）---（15-2）二、初步计算轴的直径

考虑键槽对轴强度的削弱，按以下方式增大轴径：轴径d≤100mmd增大5%～7%d增大10%～15%轴径d＞100mmd增大3%d增大7%有一个键槽有两个键槽轴的直径：注意：该直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径dmin！轴径圆整为标准直径。（一般是作为轴的外伸端轴头的直径）

轴的结构设计三、轴的结构设计

轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性。

轴没有标准的结构形式。设计时必须针对轴的具体情况作具体分析。定出轴的合理外形和全部的结构尺寸。2.轴上零件应便于装拆和调整；1.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.轴应具有良好的制造工艺性。（即轴应便于加工）轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承轴的结构应满足的基本要求：结构设计时，已知的条件有：◆轴的装配简图；◆轴的转速

n(rpm)；◆轴传递的功率P(KW

);◆传动零件的主要参数和尺寸

设计时可根据装配简图来确定轴上主要零件之间的相互位置关系。c=10~20mms=3~5mm一般取：a=10~15mm（一）轴上零件的定位和固定

轴上零件的定位轴向定位周向定位三、轴的结构设计1.轴上零件的轴向定位和固定轴肩定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。定位轴肩非定位轴肩轴肩的尺寸要求:轴肩定位轴肩非定位轴肩h=（0.07~0.1）dh=1~2mmDdrDdbhrR轴环宽度：b≥1.4h三、轴的结构设计结构不合理！

为了便于拆卸，滚动轴承的定位轴肩高度不能超过轴承内圈端面的高度。特别注意：轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。三、轴的结构设计DdrRDdC1rhhC1DdrDdrRb轴肩的尺寸要求:轴肩定位轴肩非定位轴肩h=（0.07~0.1）dh=1~2mmr<C1

或r<R

为了使零件能靠紧轴肩而得到准确可靠的定位：h轴和零件上的倒角和圆角尺寸的常用范围见表15-2

套筒定位结构简单，定位可靠。一般用于轴上两个零件之间的定位三、轴的结构设计

当两个零件间距离较大时，可采用圆螺母定位。

可承受大的轴向力，但螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件。特点：轴向力较小时，可采弹性挡圈、紧定螺钉及锁紧挡圈来实现。轴端挡圈2.轴上零件的周向固定目的--------限制轴上零件与轴发生相对转动。

周向定位大多采用键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等形式来实现。三、轴的结构设计（二）轴上零件的装配和拆卸装配方案：轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。三、轴的结构设计（三）确定轴的各轴段长度2.

按轴上零件的装配方案和定位要求，从

dmin起逐一确定各轴段的直径。作法：1.按轴所受的扭矩初步估算轴径，并将其作为承受扭矩的轴段的最小直径

dmin。(三)确定轴的各轴段的长度2.轴各段的长度是根据各零件与轴配合部分的轴向

尺寸和相邻零件间必要的空隙来确定的。说明：1.轴直径的变化是根据轴上零件的受力、装拆、

固定、以及对轴加工工艺的要求确定的。轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小三、轴的结构设计基本原则：

1.与标准件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）相配合的轴径，应采用相应的标准值。2.为保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度应比轮毂长度短2~3mm。三、轴的结构设计为使零件的装配方便，减少配合表面的擦伤：1)相配合轴段的压入端应制成锥度2)配合段前后采用不同的尺寸公差在配合轴段前应采用较小的直径；为使与轴作过盈配合的零件易于装配：（四）轴的加工工艺结构----指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，且生产率高，成本低。

在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化。一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。三、轴的结构设计

为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽。车螺纹的轴端应有退刀槽，

◆为了加工方便，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上。◆为减少刀具种类和提高劳动力生产力：

轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。（四）轴的加工工艺结构（五）改善轴的受力情况Tmax=T11.合理布置轴上零件以减少轴的载荷为减少轴所受的弯矩：◆传动件应尽量靠近轴承，◆尽量不采用悬臂的支承形式，◆尽量缩短支承跨距及悬臂长度。2.改进轴上零件的结构以减小轴的载荷

轴径大三、轴的结构设计3.改进轴的结构以减小应力集中的影响合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在轴的截面尺寸发生突变处或过盈配合边缘处。措施：1)用圆角过渡；2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;30˚3）为增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或过渡肩环。三、轴的结构设计4）在轮毂上或轴上开卸载槽或加大配合部分的直径可以减小过盈配合处的局部应力；5)用盘铣刀加工的键槽比键槽铣刀产生的应力集中小；6)尽可能避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。4.改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度1）表面愈粗糙

疲劳强度愈低；减小表面粗糙度；2）表面强化处理的方法有：▲表面高频淬火；▲表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；▲碾压、喷丸等强化处理。

通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。三、轴的结构设计四、轴的强度校核

通常是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。（一）轴的合成弯矩和扭矩传动轴------按扭转强度条件计算转轴------按弯扭合成强度条件计算心轴------按弯曲强度条件计算1.按弯扭合成强度条件计算步骤如下：1)作出轴的计算简图◆轴的支承简化

通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。

可按教材中图15—23来确定。1)作出轴的计算简图◆轴的载荷简化

分布载荷简化为集中力，其作用点取在载荷分布段的中点。

作用在轴上的扭矩，从传动件轮毂宽度的中点算起。1)作出轴的计算简图作计算简图时：求出轴上受力零件的载荷把它们全部转化到轴上将其分解为水平分力和垂直分力求出各支承处的水平反力FNH和垂直反力FNV2)作出弯矩图和扭矩图（二）组合变形概念和轴的当量弯矩按第三强度理论，计算应力

M-----对称循环变应力，T-----常不是对称循环变应力。引入折合系数0.3-----转矩不变；0.6-----转矩脉动变化；1-----轴频繁正反转。折合系数：α=弯曲应力：扭切应力：W------轴的抗弯截面系数计算应力：则轴的弯扭合成强度条件为[σ-1]-----对称循环变应力时轴的许用弯曲应力注：近似计算时，单、双键槽一般可忽略，花键轴截面可视为直径等于平均直径的圆截面。表15—4抗弯、抗扭截面系数计公式截面WWT

截面WWT

bd1d1dbtDdbtddd（三）当量弯矩的修正和强度校核公式综上所述，可得轴的强度校核公式为：考虑到弯矩作用下产生的弯曲正应力（为对称循环）与扭矩作用下产生的扭转切应力的应力性质不同，所以在计算当量弯矩时，应修正为：

进行轴的结构设计时，要将轴的结构设计要求和轴承装置设计要求结合起来，避免片面化。●轴的外伸端必须考虑密封问题●轴承的润滑问题（油或脂）●调整垫片调整轴承的游隙●箱体的加工面与非加工面要分开。注意：轴的结构改错问题通常从以下几个方面考虑:轴与轴上零件是否用键作周向固定,若轴上有多个零件时，其键槽是否在同一母线。轮毂长度是否略大于安装轴段的长度。轴上零件的两端轴上定位如何？轴承的类型选择和组合是否合理？特别是采用角接触球轴承或圆锥滚子轴承时，应检查是否为成对使用，其内外圈传力点处是否设置有传力件。轴承的内、外圈厚度是否高出与之相接触的定位轴肩或定位套筒的高度。轴伸透盖处有无密封及间隙。轴承的游隙如何调节？整个轴系相对于箱体轴向位置是否可调?轴的结构设计原则:1、轴的结构