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1、教 案授课时间年 月 日 星期 第 节授课内容概要14-1 轴的功用和类型14-2轴的材料14-4轴的强度计算目的要求1掌握轴的结构及设计方法； 2掌握轴的受力分析及强度计算；重点掌握轴的强度计算和结构设计；难点轴的结构设计作业布置14-1、14-2、14-9本章（节）参考书教学方法多媒体和演示柜教学主要教具备注授 课 过 程 及 内 容备 注14-1 轴的功用和类型轴是组成机器的重要零件之一，各种作回转（或摆动）运动的零件（如齿轮、带轮等）都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。常用的分类方法有两类：
2、1）根据轴线的形状不同分类；2）根据承受载荷不同分类。1、直轴直轴按外形可以分为光轴和阶梯轴，如图所示。阶梯轴便于轴上零件的拆装和定位。图144图142图143轴一般做成实心的，但为了减轻重量或满足某种功能，则可以做成空心轴。所以按轴的结构可以分为实心轴和空心轴，如图所示。2、曲轴图145常用于往复式机械中，例如内燃机、空气压缩机等。可以实现直线运动与旋转运动的转换。3、钢丝软轴（挠性轴）它不受任何空间的限制，可以将扭转或旋转运动灵活地传到任何所需的位置，常用于医疗设备、操纵机构、仪表等机械中。图141图1461、转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴，如图所示。2、心轴图14
3、7心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种，如图所示。3、传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。图14814-2轴的材料由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。轴的主要材料是碳钢和合金钢。碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢，其中以45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用Q235、Q275等普通碳素钢。合金钢：对于要求
4、强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40Cr（或用35SiMn、40MnB代替）、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等进行热处理。合金钢比碳素钢机械强度高，热处理性能好。但对应力集中敏感性高，价格也较高。设计时应特别注意从结构上避免和降低应力集中，提高表面质量等。对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。同时应该知道，在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相
5、差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等。轴的常用材料见教材。14-3轴的结构设计轴上与轴承配合的部分称为轴颈。与传动零件（带轮、齿轮、联轴器等）配额和的部分称为轴头，联接轴颈与轴头的非配合部分通称为轴身。轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸，主要要求有：1）轴上零件的定位、固定；2）轴上零件的拆装、调整；3）轴的制造工艺性；4）轴上零件的结构和位置的安排。轴的结构没有标准形式，在进行轴的结构设计时，必须针对不同的情况进行具体分析。要合理考虑机器的总体布局，轴上零件的类型及其定位方式，轴上载荷的大小、性质、方向和分布情况等，同
6、时要考虑轴的加工和装配工艺等，合理地确定轴的结构形状和尺寸。总体来说，轴的结构应该满足：轴和装配在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件应便于拆装和调整；轴应该具有良好的制造工艺性等。下面我们就来讨论轴的结构设计中的几个主要问题。一、拟订轴上零件的装配方案在进行结构设计时，首先应按传动简图上所给出的各主要零件的相互位置关系拟订轴上零件的装配方案。轴上零件的装配方案不同，轴的结构形状也不同。在实际设计过程中，往往拟订几种不同的装配方案进行比较，从中选出一种最佳方案。图149如图所示为一单级圆柱齿轮内减速器简图。其输出轴上装有齿轮、联轴器和滚动轴承。可以采用如下的装配方案：将齿轮、左端轴承和联轴器
7、从轴的左端装配，右端轴承从轴的右端装配。在考虑了轴的加工及轴和轴上零件的定位、装配与调整要求后，确定轴的结构形式如图所示。二、轴上零件的轴向定位轴上零件的定位和固定是两个不同的概念。定位是针对装配而言的，为了保证准确的安装位置；固定是针对工作而言的，为了使运转中保持原位不变。但二者之间又有联系，通常作为结构措施，既起固定作用尤其定位作用。图1212为了传递运动和动力，保证机械的工作精度和使用可靠，零件必须可靠地安装在轴上，不允许零件沿轴向发生相对运动。因此，轴上零件都必须有可靠的轴向定位措施。轴上零件的轴向定位方法取决于零件所承受的轴向载荷大小。三、轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位方法主要
8、有键（平键、半圆键、楔键等）、花键、型面、过盈等等图1219工作条件不同，对零件在轴上的定位方式和配合性质也不相同，而轴上零件的定位方法又直接影响到轴的结构形状。因此，在进行轴的结构设计时，必须综合考虑轴上载荷的大小及性质、轴的转速、轴上零件的类型及其使用要求等，合理作出定位选择。1）平键联接制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。2）花键联接承载能力高，定心好、导向性好，但制造较困难，成本较高。图1410适用于传递转矩较大，对中性要求较高或零件在轴上移动时要求导向性良好的场合。3）过盈配合结构简单、定心好、承载能力高和在振动下能可靠的工作。但装配困难，且对配
9、合尺寸的精度要求较高。图1411常与平键联合使用，以承受大的交变、振动和冲击载荷。4）销联接用于固定不太重要、受力不大，但同时需要周向或轴向固定的零件。四、确定各轴段的直径和长度轴上零件的装配方案和定位方法确定之后，轴的基本形状就确定下来了。轴的直径大小应该根据轴所承受的载荷来确定。但是，初步确定轴的直径时，往往不知道支反力的作用点，不能决定弯矩的大小和分布情况。因而，在实际设计中，通常是按扭矩强度条件来初步估算轴的直径，并将这一估算值作为轴受扭段的最小直径（也可以凭经验和参考同类机械用类比的方法确定）。轴的直径确定后，可按轴上零件的装配方案和定位要求，逐步确定各轴段的直径，并根据轴上零件的轴
10、向尺寸、各零件的相互位置关系以及零件装配所需的装配和调整空间，确定轴的各段长度。具体工作时，需要注意以下几个问题：1）轴上与零件向配合的直径应取成标准值，非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数。2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴承的内径标准。3）安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应。4）轴上的螺纹直径应符合标准。5）轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度略短23mm，以保证零件轴向定位可靠。6）若在轴上装又滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离。7）轴上各零件之间应该留有适当的间隙，以防止运转时相碰。五、轴的结构工艺性轴的形状，从满足强度和节省材料考虑，最好是等强度的抛物线回
11、转体。但是这种形状的轴既不便于加工，也不便于轴上零件的固定；从加工考虑，最好是直径不变的光轴，但光轴不利于零件的拆装和定位。由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形。为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为510MM。图1412图1223为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，若揩油键槽的轴段直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽（如图），以减少换刀次数。需要磨削的轴段，应该留有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部；需要切
12、制螺纹的轴段，应留有退刀槽，以保证螺纹牙均能达到与其期的高度（如图）。为了便于加工和检验，轴的直径应取为圆整值；与滚动轴承相配合的轴颈直径应符合滚动轴承内径标准；有螺纹的轴段直径应符合螺纹标准直径。为了便于装配，轴端应加工出倒角（一般为45），以免装配时把轴上零件的孔壁擦伤（如图）；过盈配合零件的装入端应加工出导向锥面（如图），以便零件能顺利地压入。制造工艺性往往是评价设计优劣的一个重要方面，为了便于制造、降低成本，一根轴上的具体结构都必须认真考虑。如图所示轴结构：1）螺纹段留有退刀槽（图a中的），磨削段要留越程槽（图b中的）;同一轴上的圆角、倒角应尽可量相同；同一轴上的几个键槽应开在同一母线
13、上（图b中的）；螺纹前导段（图a中的）直径应该小于螺纹小径；轴上零件（如齿轮、带轮、联轴器）的轮毂宽度大于与其配合的轴段长度；轴上各段的精度和表面粗糙度不同。六、提高轴疲劳强度的结构措施轴的基本形状确定之后，换需要按照工艺的要求，对轴的结构细节进行合理设计，从而提高轴的加工和装配工艺性，改善轴的疲劳强度。1、减小应力集中轴上的应力集中会严重削弱轴的疲劳强度，因此轴的结构应尽量避免和减小应力集中。为了减小应力集中，应该在轴剖面发生突变的地方制成适当的过渡圆角；由于轴肩定位面要与零件接触，加大圆角半径经常受到限制，这时可以采用凹切圆角或肩环结构等。常见的减小应力集中的方法如表所示。2、改善轴的表面质量表面粗糙度对轴的疲劳强度也有显著的影响。实践表明，疲劳裂纹常发生在表面粗糙的部位。设计时应十分注意轴的表面粗糙度的参数值，即使是不与其它零件向配合的自由表面也不应该忽视。采用輾压、喷丸、渗碳淬火、氮化、高频淬火等表面强化的方法可以显著提高轴的疲劳强度。3、改善轴的受力情况改进轴上零件的结构，减小轴上载荷或改善其应力特征，也可以提高轴的强度和刚度，如图所示。如果把轴毂配合面分成两段（图b），可以显著减小轴的弯矩，从而提高轴的强度和刚度。把转动的心轴（图a）改成不转的心轴（图b），可使轴不承受交变应力的作用。
