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1、第六章第六章 轴设计轴设计 6-1 概 述 一、轴的功用 支撑回转零件； 传递运动和转矩 二、轴的类型 心轴 只承受弯矩 传动轴 只承受转矩 转轴 既受弯矩、又受转矩 按受载 直 轴 曲 轴 按轴心线 光轴 阶梯轴 转动心轴 传动轴 固定心轴 三 轴的材料及选择 碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。 合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求 减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常 采用合金钢。 在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差 不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。 轴
2、的概述3 轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种 热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。 轴的常用材料及其部分机械性能（见下页） 高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸 振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。 2、强度问题 防止轴发生疲劳断裂 3、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形 4、振动稳定性问题 防止轴发生共振 四、轴设计时所要解决的问题 1、结构问题 确定轴的形状和尺寸 6-2 轴的结构设计 轴颈 与轴承相配的 部分； 轴头 与轮毂相配的 部分； 轴身 连接轴颈与轴 头部分； 轴头 轴颈 轴头 轴身 轴身
3、轴的结构应满足的要求： 加工工艺性要好 便于轴上零件装拆 轴上零件要有准确的定位 轴上零件要有可靠的固定 尽量减少应力集中 一、加工工艺要求 光轴 等强度轴 阶梯轴 (无法加工完全的等强度轴) 车削 倒角 加工方法不同，轴的结构也可能不同 磨削 二、装拆要求 砂轮越程槽 装拆应方便； 不同的装拆方案，得到不同结构； 轴的直径应圆整成标准值。 查机械设计课程设计“一般标准”。 退刀槽 轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的键槽、 圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验 轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退 刀槽 当轴上有多处键槽时，应使各
4、键槽位于轴的同一母线上 为使轴便于装配，轴端应有倒角 对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆 轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面， 轴肩高度不能妨碍零件的拆卸 定位 使轴上零件处于正确的工作位置； 轴肩或轴环 三、轴上零件的轴向定位和固定 固定 使轴上零件牢固地保持这一位置。 目的 防止轴上零件工作时发生轴向蹿动。 常用的轴向定位和固定方法： 定位轴肩：h0.070.1d 非定位轴肩：h12 mm，作用是便于轴上零件的装拆 为保证定位准确，R 或 C r 轴环宽度一般取：b 1.4 h 滚动轴承的定位轴肩或轴环高度 查标准 套 筒 轴端挡圈 弹性挡圈
5、 圆 螺 母 锥 面 对轴上零件起固定作用。 常用于近距离的两个零件间的固定。 需切制螺纹，削弱了轴的强度。应力集中严重，应 在轴端 需切环槽，削弱了轴的强度。 承受不大的轴向力。 用于固定轴端零件，能承受较大的轴向力。 常与轴端挡圈配合使用。 注意： 采用这些方法固定 轴上零件时，为保 证固定可靠， 应使：与轮毂相配 的轴段长度比轮毂 宽度短23 mm， 即：lB - (23) 紧定螺钉 结构简单，受力较小，不适用于高速场合。 兼作周向固定。 平 键 四、轴上零件的周向固定 目的 防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。 常用的周向固定方法： 花 键紧定螺钉 五、提高轴的强度 减小应力集中
6、 适当加大截面变化处的过渡圆角半径。 或采用： 凹切圆角过渡肩环减载槽 改善轴的受力状况 改变传动轮 的布置 改变轴上零件的结构 ，使受载减小。 扭矩直接传 递到卷筒 扭矩通过轴 传到卷筒 五、轴结构设计示例 确定各零件位置初估最小轴径 dmin 确定各段直径零件的轴向定位与固定 零件的周向固定 6-3 轴的强度计算 应力分析： F T 弯曲应力b 对称循环变应力； 扭剪应力T 循环特征根据实际情况而定。 计算方法： 按扭转强度估算； 按弯扭合成强度计算； 一、按扭转强度计算 扭剪应力: 轴的抗扭 剖面系数 扭转强度公式一般用来初算轴的直径， 扭转强度设计式: 令其为系数 C 系数 C 与轴的
7、材料和承载情况有关，查表6-3。 弯矩相对转矩较小或只受转矩时，C 取小值。 若该轴段有一个键槽，d 值增大5% , 弯矩较大时，C 取大值。 计算出的 d 作为受扭段的最小直径 dmin 。 注意： 有两个键槽，增大10% 。 此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。 二、按弯扭合成强度计算 需已知：轴的支反力及作用点、外载荷的大小及位置。 轴危险截面上的当量弯曲应力： 直径为 d 的实心轴： 则： 由于b 与 T 的循环特征可能不同，需引进 校正系数将 T 折合成对称循环变应力。 则强度条件为： 当量弯矩 校正系数的取值： 对于不变的转矩： 频繁启动、振动或情 况不明： 经常双向运转： 对
8、称循环变 应力下的许 用应力 6-4 轴直径设计步骤和方法 1、根据功率 P 和转速 n ，用扭转强 度公式初算受扭段的最小直径dmin 。 2、根据初算轴径，进行轴的结构设计。 3、按弯扭合成强度校核轴的危险截面。N 将 dmin 圆整成标准直径 受扭段 最小直径 dmin 画出空间受力图，求出 支反力； 分别作出水平面受力图和 垂直面受力图； 分别作出水平面弯矩图MH 和垂直面弯矩图MV ； 求合成弯矩： 轴结构 水平面 受力简图 水平弯矩图 转矩图 垂直面 受力简图 垂直弯矩图 合成弯矩图 危险截面：Mca 最大的截面； 求危险截面的当量弯矩： 靠近Mcamax ，直径较小的截面。 按弯
9、扭合成强度条件校核： 危险截面 直径 若强度不足，应适当 增大轴径。 例题10-1：普通用途的单级斜齿圆柱齿轮减速器输入轴。P 15KW，n700r/min，单向运转，载荷有冲击，齿轮宽度B 80mm，齿数z=27,法面模数 螺旋角 带轮宽度L90mm,压轴力 轴的材料选45钢： 表10-3，得到C118107： 有一个键槽,增加5：得34.4mm标准尺寸35mm 94.5 69.569.5 A B a-a 方向 向下 方向 向下 方向 向下 方向 水平 弯矩合成： 当量弯矩： 其中： （脉动循环） 按弯扭合成强度验算危险剖面： 轴承支点A处的强度符合要求： 键联接 作用对轴上旋转零件作周向固
10、定，并传递转矩 一、键联接的类型 键联接 平键 半圆键 楔键 花键 普通平键静联接 导向平键（短距离） 滑键（长距离 ） 动联接 平头 圆头 单圆头 平键键槽的加工：指状铣刀、盘状铣刀加工。 二、键联接的选择 设计时先选择类型、尺寸，再进行校核计算 类型选择静联接 普通平键、半圆键、花键 动联接 导向平键、滑键 尺寸选择根据轴径 d 查标准，确定 b、h 根据轮毂宽度，确定键长 L 三、平键联接的校核 平键联接的失效形式：1、工作面压溃静联接 2、工作面磨损动联接 平键联接的校核计算： 每个工作面的受力： 挤压应力： l 键的工作长度；对于A型键 l = L - b 对于B型键 l = L 对于C型键 l = L - b/2 强度条件： 防止压溃 防止磨损 用于静联接 用于动联接 强度条件： 防止压溃 防止磨损 花键联接的校核计算： 选择平键 联接类型 按静或动联 接校核强度 取决于强度较弱的那种材料 增大键长 设计步骤 根据轴径、毂宽查 标准确定键的尺寸 设计时注意： 许用应力 强度不够时 不同轴段的键槽应开在同一母线上，以便加工 同一截面采用双键联接（按1.5个键计算）
