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1、SEU-QRMSEU-QRM 1 Chapter 14轴 PART 轴系零部件设计 机械设计机械设计 Machine DesignMachine Design SEU-QRMSEU-QRM 2 14.1 概述 轴用于安装传动零件(如齿轮、凸轮、带轮等)，使其有确定的 工作位置，实现运动和动力的传递，并通过轴承支承在机架 或机座上。 SEU-QRMSEU-QRM 3 14.1.1 轴的分类 按轴线形状分直轴、曲轴和软轴。 直轴 SEU-QRMSEU-QRM 4 曲轴 软轴 SEU-QRMSEU-QRM 5 按所受载荷性质分心轴、转轴和传动轴。 l 转轴指既受弯矩又受转矩的轴，转轴在各种机器中最
2、为常见。 l 心轴只承受弯矩而不承受转矩的轴，如自行车轮轴。 按轴转动与否，又可分为转动心轴和固定心轴。 l 传动轴指只受转矩不受弯矩或受很小弯矩的轴，如连 接汽车发动机输出轴和后桥的轴。 SEU-QRMSEU-QRM 6 转轴 传动轴 SEU-QRMSEU-QRM 7 转动心轴不转心轴不转心轴 SEU-QRMSEU-QRM 8 1起重器 2 3 4 1传动轴：T 2转轴：T + M 3转轴：T + M 4心轴 ：M Motor SEU-QRMSEU-QRM 9 轴中应力 脉动循环应力 对称循环应力 静应力 () o t () o t () o t 转轴 弯矩：对称循环应力 扭矩：脉动循环应力
3、 SEU-QRMSEU-QRM 10 轴的常用材料及热处理 轴的常用材料是碳素钢和合金钢。 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0.250.5%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。 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
4、在高温、高速和重载 条件下工作的轴。 14.1.2 轴的材料与毛坯 SEU-QRMSEU-QRM 11 14.1.2 轴的材料与毛坯 l 可用轧制圆钢材、锻造、焊接、铸造等方法获得。 l 对要求不高的轴或较长的轴，毛坯直径小于150mm时， 可用轧制圆钢材； l 受力大，生产批量大的重要轴的毛坯可由锻造提供； l 对直径特大而件数很少的轴可用焊件毛坯； l 生产批量大、外形复杂、尺寸较大的轴，可用铸造毛坯 。 毛坯 SEU-QRMSEU-QRM 12 14.1.3 轴的失效形式与设计要求 l 因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂; l 因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损; l 超过允许范围
5、的变形和振动等。 轴的失效形式 SEU-QRMSEU-QRM 13 轴的设计 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置 及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的 结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强 度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯 扭转受力情况对轴的直径进行估算。然后进行轴的 结构设计后，再按弯扭合成的理论进行轴危险截面 的强度校核。 SEU-QRMSEU-QRM 14 6.轴的设计 设计轴的一般步骤为： 1）选材; 2）按扭转强度估算轴的最小直径; 3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图; 4）按弯扭合成进行轴的强度校核。 确定轴上零件的位置和固定方法； 确定各轴段直径
6、、长度。 一般按一般选23个危险截面进行校核。 若危险截面强度不够，则必须重新修改轴的结构。 SEU-QRMSEU-QRM 15 轴与轴上零件组成一个组合体称为轴系部件。轴的设计必须 与轴系零部件整体结构紧密联系起来。 设计要求 (1) 根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合 的材料、毛坯形式及热处理方法。 (2) 根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及 定位方式、轴的加工方法等具体要求，确定轴的合理结 构形状及尺寸，即进行轴的结构设计。 (3) 轴的强度计算或校核。对受力大的细长轴(如蜗杆轴)和对 刚度要求高的轴，还要进行刚度计算。在对高速工作下 的轴，因有共振危险，故应
7、进行振动稳定性计算。 SEU-QRMSEU-QRM 16 19.2 轴的结构设计 轴结构设计的任务在满足强度、刚度和振动稳定性的基 础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要 求，合理地确定轴的结构形状和全部尺寸。 轴的结构设计主要解决以下几个问题： 轴上零件的布置；零件在轴上的轴向定位和固定，零件在轴 上的周向定位；轴结构的工艺性；提高轴强度的措施。 轴的组成 轴颈轴上被支承部分； 轴头安装轮毂部分； 轴身连接轴颈和轴头的部分。 SEU-QRMSEU-QRM 17 轴颈轴头轴身 轴的组成 SEU-QRMSEU-QRM 18 14.2.1 轴上零件的布置方案 轴上零件的布置预定出轴上
8、零件的装配方向、顺序和相 互关系，它决定了轴的结构形状。 装配方案以轴最大直径处的轴环为界限，轴上零件分别 从两端装入。按安装顺序即可形成各轴段粗细和结构形式的 初步布置方案。 在拟定方案时，可以考虑几个方案，以供比较选择。 SEU-QRMSEU-QRM 19 12 3 4 56789 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 SEU-QRMSEU-QRM 20 14.2.2 零件在轴上的定位和固定 1. 零件在轴上的轴向定位和固定 应考虑零件所受轴向力的大小，轴的制造，轴上零件装 拆的难易程度，对轴强度的影响，工作可靠性等因素。 轴上零件轴向定位与固定的常用方法 轴肩和轴环，轴套(套筒) ，圆
9、螺母，圆锥面，轴端挡板，弹 性挡圈，锁紧挡圈、紧定螺钉等 SEU-QRMSEU-QRM 21 轴向定位和固定 轴肩和轴环 轴肩与轴环由定位面和过度圆角组成。 为保证零件端面能靠紧定位面，轴肩(环)圆角半径r必须小于零件毂孔 的圆角半径R或倒角高度C1; 轴肩(环)高度h应大于C1和R，为了有足够 的强度来承受轴向力，通常取h=(0.070.1)d。轴环宽度b1.4h。 r h D d b r R h D d 轴环 C1 轴肩 特点：结构简单，定位可靠，可承受较大的轴向力 应用：齿轮、带轮、联轴器、轴承等的轴向定位 SEU-QRMSEU-QRM 22 轴向定位和固定 轴套（套筒） 轴套适用于轴上
10、两个相距较近零件之间的定位，其两个端 面为定位面，应有较高的平行度和垂直度。为使轴上零件 定位可靠，应使轴段长度比零件毂长短23mm。 1234 SEU-QRMSEU-QRM 23 轴向定位和固定 圆螺母 可用圆螺母与轴肩、 轴环等的组合实现零 件在轴上的双向定位 和固定。 圆螺母定位装拆方便 ，通常用细牙螺纹来 增强防松能力和减小 对轴的强度消弱及应 力集中。 1 2 SEU-QRMSEU-QRM 24 圆螺母定位 轴向固定 特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力 由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降 应用：常用于轴的中部和端部 SEU-QRMSEU-QRM 25 轴向定位和固定 圆锥面 将
11、轴与零件的配合面加工成圆锥面，可以实现轴向定位。 圆锥面的锥度小时，所需轴向力小，但不易拆卸，通常取 锥度1:301:8。 紧定套 SEU-QRMSEU-QRM 26 轴向定位和固定 轴端挡板 当零件位于轴端时，可用轴端挡板与轴肩、轴套、圆锥面等的 组合，使零件双向固定。挡板用螺钉紧固在轴端并压紧被定位 零件的端面。 特点：该方法简单可靠、装拆方便，但需在轴端加工螺纹孔。 应用：用于轴端定位可承受剧烈振动和冲击场合 SEU-QRMSEU-QRM 27 轴向定位和固定 弹性挡圈 在轴上切出环形槽(手册)，将弹性挡圈嵌入槽中，利用它的侧面压紧 被定位零件的端面，图为轴肩与弹性挡圈联合使用的情况。
12、特点：结构简单紧凑，定位方法工艺性好、装拆方便，但对轴的强度 消弱较大，只能承受很小的轴向力，切槽需要一定的精度 应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位轴向力小的轴 SEU-QRMSEU-QRM 28 轴向定位和固定 锁紧挡圈、紧定螺钉 锁紧挡圈用紧定螺钉固定在轴上 特点：装拆方便，但不能承受大的轴向力。 应用：适用于轴向力小，转速低的场合 SEU-QRMSEU-QRM 29 2. 零件在轴上的周向定位和固定 l 定位方式的选择考虑传递转矩的大小和性质、零件 对中精度的高低、加工难易等因素。 l 常用周向定位方法键、 花键、成形、销、过盈配合 等，通称轴毂连接。紧定螺 钉也可作周向定位，但仅用
13、于转矩不大的场合。 l 在运动精度要求较高的场合( 如有运动协调性要求等)，周周 向定位向定位要求精确并可调整可调整， 周向定位比轴向定位更重要 。 SEU-QRMSEU-QRM 30 14.2.3 轴结构的工艺性 轴结构的工艺性是指轴的结构应尽量简单，有良好的加 工和装配工艺性，以利减少劳动量，提高劳动生产率及减少 应力集中，提高轴的疲劳强度。 注意点 (1) 为减少加工时换刀时间及装夹工件时间，同一根轴上所 有圆角半径、倒角尺寸、退刀槽宽度应尽可能统一；当 轴上有两个以上键槽时，应置于轴的同一条母线上，以 便一次装夹后就能加工。 SEU-QRMSEU-QRM 31 (2) 轴上的某轴段需磨
14、削时，应留有砂轮的越程槽；需切制 螺纹时，应留有退刀槽。 (3) 为了去掉毛刺，便于装配，轴端应制出45倒角。 (4) 当采用过盈配合连接时 ，配合轴段的零件装入 端，常加工成导向锥面 。若还附加键连接，则 键槽的长度应延长到锥 面处，便于轮毂上键槽 与键对中。 (5) 如果需从轴的一端装入两个过盈配合的零件，则轴上两 配合轴段的直径不应相等，否则第一个零件压入后，会 把第二个零件配合的表面拉毛，影响配合。 SEU-QRMSEU-QRM 32 轴系结构改错 四处错误正确答案 三处错误正确答案 SEU-QRMSEU-QRM 33 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
15、线上 SEU-QRMSEU-QRM 34 思考题： 试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。 SEU-QRMSEU-QRM 35 14.2.4 提高轴的强度的措施 1. 改进轴的结构以减少应力集中 (1)轴上相邻轴段的直径不应相差过大，在直径变化处，尽量用圆角过 渡，圆角半径尽可能大。 (2)轴上与零件毂孔配合的轴段，在配合边缘会产生较大的应力集中。 可以在轴或轮毂上开卸载槽以及加大配合部分的直径等措施进行改 善。 (3)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽。 (4)盘铣刀加工的键槽与端铣刀铣出的键槽相比，前者槽底过渡平缓； 采用渐开线花键结构代替矩形花键，均可减小应力集中。避免在轴 上受载较大的
16、部分设计螺纹结构。 SEU-QRMSEU-QRM 36 2. 改进轴上零件的结构或布置以减小轴的载荷 Example 1 起重卷筒的两种不同结构方案比较 Motor 1 2 3 FQ Motor 1 2 3 FQ l左图方案齿轮2与卷筒3之间用螺栓连接，空套于轴上，固定心 轴。也可改为齿轮2与轴用键连接，转动心轴 。轴直径小。 l右图方案齿轮2和卷筒3分别用键与轴连接，转轴。轴直径大。 SEU-QRMSEU-QRM 37 Example 2 起重卷筒的两种不同结构方案比较 SEU-QRMSEU-QRM 38 输入 T1 +T2 输出 T1 输出 T2 输入 T1 +T2 输出 T2 输出 T1 转矩图 T1 T2
