机械设计基础轴【共74张课件】

1概述一、轴的功用二、轴的分类按承载情况分转轴支承旋转零件传递运动和力带式运输机减速器电动机同时承受弯矩和扭矩2一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴只承受弯矩前轮轮毂固定心轴前叉自行车前轮轴3一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴

转动心轴只承受弯矩火车轮轴转动心轴4一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴转动心轴传动轴发动机后桥只承受扭矩5一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴转动心轴传动轴按轴线形状分直轴6一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴转动心轴传动轴按轴线形状分直轴曲轴7一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴转动心轴传动轴按轴线形状分直轴曲轴钢丝软轴（挠性轴）8转轴：同时承受弯矩和扭矩心轴：只受弯矩，不受扭矩固定心轴转动心轴传动轴：主要受扭矩，不受弯矩或弯矩很小概述载荷运转情况应力状态转轴弯曲扭转单向弯曲：对称扭转：脉动双向弯曲：对称扭转：对称心轴弯曲固定静应力或脉动转动对称传动轴扭转单向脉动双向对称各种轴的受力9内容工作能力的设计强度-----保证安全使用刚度-----保证工作精度振动稳定性-----保证高速轴正常工作结构设计特点边计算、边画图、边修改---“三边”设计方法概述三、轴设计的内容、特点10选择材料初算轴径结构设计强度、刚度计算确定轴的结构尺寸、绘图NY四、轴的设计步骤概述11一般用途的轴：优质中碳钢--30、40、45、50次要的轴：Q235、Q255、Q275重要的轴：合金钢耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈渗碳淬火高速重载：40Cr、40CrNi、35CrMo等合金钢，表面淬火、调质形状复杂的轴：QT600、ZG45注意：200°以下的碳钢、合金钢E值相差不大概述五、轴的材料12轴的结构设计一、轴的结构设计的内容与要求内容：确定轴的外形和全部结构尺寸要求：轴和轴上零件要有准确的定位轴上零件应便于装拆和调整轴应具有良好的制造工艺性结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中有利于节省材料、减轻重量13轴的结构设计典型轴系结构齿轮轴承盖轴端挡圈套筒滚动轴承联轴器14轴的结构设计拟定轴上零件装配方案轴上零件的定位各段轴直径和长度的确定提高轴的强度和刚度的措施轴的结构工艺性二、轴的结构设计15轴的结构设计（一）拟定轴上零件装配方案16轴的结构设计17轴肩或轴环套筒弹性挡圈圆螺母加止动垫圈、双圆螺母紧定螺钉、锁紧挡圈、销钉轴端挡圈圆锥面（二）轴上零件的定位----轴向定位轴的结构设计18轴的结构设计1）轴肩、轴环轴肩轴环19结构简单，定位可靠，可承受较大轴向力特点轴的结构设计各段轴直径和长度的确定(4)齿轮上的键槽没打通，既无法加工也无法装配。作周向固定,但加工较困难(3)齿轮两侧都是轴环，无法安装到位刚度-----保证工作精度确定轴的结构尺寸、绘图(2)轴与右端盖之间不能接触，应有间隙，并有密封措施将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正改进轴的结构以减小应力集中刚度-----保证工作精度有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用标准直径；1．轴上零件的定位和固定方面轴上零件应便于装拆和调整结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正20轴肩的尺寸要求:r<C

或

r<RDdrRDdCr或h≈(0.07~0.1)dCDdrDdrRb（与滚动轴承相配合处的h和b值，见轴承标准）一般，定位轴肩：h(3~5）mm非定位轴肩：h(0.5~1)mm轴环宽度：b1.4hhh轴的结构设计21轴的结构设计2）套筒22特点结构简单,定位可靠,用于零件间距较小场合,轴转速较高时不易选用轴的结构设计23特点结构简单,只能承受很小的轴向力轴的结构设计3）弹性挡圈24固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.4）圆螺母加止动垫片轴的结构设计255）双圆螺母轴的结构设计26适用于轴向力很小,转速很低或为防止零件偶然沿轴向滑动的场合,亦可用于周向固定6）紧定螺钉锁紧挡圈轴的结构设计27轴的结构设计28适用于固定轴端零件特点7）轴端挡圈轴的结构设计29轴的结构设计30

能消除轴与轮毂间的径向间隙,装拆较方便,对中性好,可兼作周向固定,但加工较困难8）圆锥面轴的结构设计31键花键销过盈联接成型联接（二）轴上零件的定位---周向定位轴的结构设计32特点装拆方便，互换性好，但对轴强度有削弱轴的结构设计1）键33特点精度要求较高，定心性好，拆装方便，但制造需用专用设备和工具。2）花键轴的结构设计34圆柱销圆锥销只能传递较小扭矩,互换性好,拆装方便,但对轴强度削弱较大.3）销轴的结构设计35轴的结构设计36有配合要求的轴段注意配合零件的要求，尽量采用标准直径；与标准件配合的轴段采用相应的标准值，例如：滚动轴承、联轴器、密封装置，应满足装配尺寸要求。非标准轴段：定位轴肩h

(3~5)mm非定位轴肩h

(0.5~1)mm（三）各轴段直径的确定轴的结构设计37便于装拆轴上零件安装时，所经过轴上各段直径应小于安装零件轮毂直径，以便于装拆。滚动轴承定位轴肩高度必须低于内圈端面高度，以便于拆卸，具体尺寸由标准查出。38便于装拆39主要根据：轴上零件的轴向尺寸相邻零件之间的距离轴上零件的装拆和轴向固定一般:轮毂长度L=(1.5~2)d毂比轴长2~3mm（四）各轴段长度的确定轴的结构设计Ld2~3mm40轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轮越程槽、退刀槽；（五）轴的结构工艺性轴的结构设计

轴端应制出45º的倒角；砂轮越程槽退刀槽45

41

一根轴上的圆角尽可能统一，退刀槽、越程槽、倒角尽量取同样尺寸；

不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；轴的结构设计

轴段的阶梯数量要尽可能少。42Tmax=T1Tmax=T2T3T2T1T2T1T3合理不合理轴的结构设计（六）提高轴的强度和刚度的措施1.合理布置传动零件位置，以减小轴上载荷输入T1输出T2输出T3输入T1输出T3输出T243轴的结构设计2.改进轴上零件结构，以减小轴上载荷QQ合理不合理44轴的结构设计合理不合理453.改进轴的结构以减小应力集中轴结构要尽量避免突然变化，增大过渡圆角半径，可采用

轴的结构设计r内凹圆角隔离环46轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘会产生较大的应力集中，为了减小应力集中，可在轴或毂上开卸荷槽，或加大配合部分直径。轴的结构设计47盘铣刀比端铣刀加工的键槽在过渡处产生的应力集中小；渐开线花键比矩形花键在齿根处的应力集中小，设计时要适当考虑。轴的结构设计端铣刀盘铣刀4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度表面强化处理，方法有：表面高頻淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；辗压、噴丸等强化处理；合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。48

轴的计算按扭转强度条件计算传动轴初估转轴直径----结构设计----校核次要的转轴估算，再降低许用应力按弯扭合成强度计算安全系数法校核计算一、轴的强度校核计算二、轴的刚度校核计算49---设计公式1.按扭转强度条件计算

轴的计算一、轴的强度校核计算轴的扭转强度条件为：为了计及键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有两个键槽轴径d＞100mm轴径增大3%轴径增大7%轴径d≤100mm轴径增大5%～7%轴径增大10%～15%查表15-350

作出轴的计算简图（即力学模型），求支承反力2.按弯扭合成强度条件计算

轴的计算轴的载荷简化将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；作用在轴上的扭矩从传动件轮毂宽度中点算起；忽略轴上零件的自重及轴承中的摩擦力。51

轴的计算FFFlaa=(0.2~0.3)l将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；轴毂采用过盈配合时，由于轴的弹性变形，载荷分布要向轴的两端集中；52轴的支承简化

轴的计算lee与轴承的宽径比有关53轴的计算FtFaFtFrFH2FH1MHFrFaMV1BACDFV2MHFV1’FV1MV2M1M2MVTTFV1’FV1FH1FV2FH2M=水平面受力图水平面弯矩图垂直面受力图垂直面弯矩图合成弯矩图扭矩图TT

作出轴的计算简图

画出垂直面受力图及弯矩图MV

画出水平面受力图及弯矩图MH

画出合成弯矩图M

画出扭矩图T55

校核轴的强度

轴的计算扭转切应力静应力脉动循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对称循环变应力

≈0.3

≈0.６

=1a为考虑弯曲应力和扭转切应力循环特性不同时的折合系数。式中[σ-1]为对称循环变应力时轴的许用弯曲应力（可查表15-1）；56

1变形量的描述：挠度y、转角

、扭角

设计要求：

y

≤[y]

≤[

]

≤[

]

2lTTl

二、轴的刚度校核计算

轴的计算yFF’F”57y过大,则:齿轮轴：偏载，破坏齿轮啮合机床主轴：加工误差增大电机轴：改变转子、定子间间隙，性能降低

过大，则：滚动轴承：内外圈偏斜，寿命降低滑动轴承：边缘接触

过大，则：凸轮轴：改变内燃机配气时间过大变形对零件的影响

轴的计算58一、轴结构设计问题专题

轴系结构分析例题各段配合直径直应符合标准尺寸(GB2822—81)，而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径(如图中轴的①②③⑦段)，应符合标准件的内径系列。59

轴系结构分析例题注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的(如图中轴的①~②段、④~⑤段、⑥~⑦段)，这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度A＝(2~3)C或R(C、R分别为零件倒角和圆角半径尺寸)。另一种台阶是为了装配容易通过(如图中轴的②~③、③~④)．这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差l~3mm即可。60

轴系结构分析例题

与轴上零件(如齿轮)相配合的轴段长度L，要比轴上零件的宽度尺寸B短2~3mm(见图）

轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角c或圆角半径R小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。

为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。61

轴系结构分析例题二、轴设计中常见错误

1．轴上零件的定位和固定方面3124需要轴向定位的零件没有轴向定位措施．轴头没有比与之配合的轮毂短键的尺寸或位置不合理，超出了轮毂长度，使其他零件无法安装到位轴头处没有键联接（周向定位）62

轴系结构分析例题

2．轴上零件装拆方便方面3．加工工艺性方面一根轴上有两处键联接，而键槽不在轴的同一母线上1(I)轴肩高度或套简厚度过大，超过轴承内圈高度使轴承拆卸困难2(2)轴承处没有工艺轴肩，使轴承装拆路线过长，装拆困难．3(3)轴头处键的位置没有靠近轮毂装入端，使得轮毂装入困难63

轴系结构分析例题结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正1234567(7)轴上有两个键，但两个键槽不在同一母线上．(6)因轴肩过高，两个轴承拆卸困难(4)齿轮上的键槽没打通，既无法加工也无法装配。(3)齿轮两侧都是轴环，无法安装到位(5)右轴承的右侧轴上应有工艺轴肩，轴承装拆路线长(精加工面长)，装拆困难(2)轴与右端盖之间不能接触，应有间隙，并有密封措施(1)轴右端的带轮不能通过套筒利用轴承端盖轴向定位，转动零件与固定零件不能接触．64

轴系结构分析例题场合,亦可用于周向固定不同轴段的键槽寛度尽可能一致，并布置在同一母线上；定位轴肩h(3~5)mm合理减小轴的表面及圆角处的加工粗糙度值。固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.与轴上零件(如齿轮)相配合的轴段长度L，要比轴上零件的宽度尺寸B短2~3mm(见图）6）紧定螺钉锁紧挡圈凸轮轴：改变内燃机配气时间凸轮轴：改变内燃机配气时间结构分析题：指出下图中轴系的结构错误，并改正结构上要有利于提高轴的强度、刚度，尽量减少应力集中将轴上的分布载荷简化为集中力，作用在轮毂宽度的中点；各段轴直径和长度的确定次要的轴：Q235、Q255、Q275内容：确定轴的外形和全部结构尺寸65

轴系结构分析例题试分析下图所示轴系结构中的错误，并加以改进。图中齿轮用油润滑，轴承用脂润滑。66

轴系结构分析例题67一、轴的功用概述二、轴的分类按承载情况分转轴支承传动零件传递运动和力心轴固定心轴转动心轴传动轴按轴线形状分直轴曲轴钢丝软轴（挠性轴）非定位轴肩h(0.（二）轴上零件的定位----轴向定位轴肩直径较小的一边需磨削或车削螺纹时，须留出砂轮越程槽、退刀槽；隙,装拆较方便,对中性好,可兼(5)右轴承的右侧轴上应有工艺轴肩，轴承装拆路线长(精加工面长)，装拆困难一、轴结构设计问题专题弯曲：对称扭转：脉动结构分析题：指出下图中轴系的结构错误