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1、第14章 轴,14.1轴的类型、功用和常用材料 14.2轴的设计步骤,机电工程系 模具教研室,目的要求:了解转轴、心轴和传动轴及其他类型的轴的基本功能; 掌握阶梯轴的结构，轴上零件的固定。轴向固定和周向固定的方法，轴的工艺性，提高轴疲劳强度。 教学重点:转轴、阶梯轴；零件在轴上的轴向固定和轴向固定的方法。 教学难点:转轴和传动轴的区分；轴肩高度的选择和确定。,一、轴的用途与分类,1、功用：1）支承回转零件；2）传递运动和动力,2、分类：,按承载情况分：,转轴扭矩和弯矩,心轴只受弯矩,传动轴主要受扭矩,14-1 轴的类型、功用和常用材料,例：齿轮、带轮、链轮、凸轮,按轴线情况分：,直轴,光轴,阶
2、梯轴,曲轴,挠性钢丝轴,外形,机电工程系 模具教研室,机电工程系 模具教研室,转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。工作时既承受弯矩又承受转矩。,例：减速器中的轴,传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受 的弯矩很小的轴。例：汽车中连接变速箱与后桥之 间的轴。,机电工程系 模具教研室,机电工程系 模具教研室,心轴：用来支承转动零件， 只承受弯矩而不传递转矩。,机电工程系 模具教研室,直轴,光 轴,阶 梯 轴,中心线为一直线的轴称为直轴,在轴的全长上直径都相等的直轴称为光轴,各段直径不等的直轴称为阶梯轴,机电工程系 模具教研室,曲轴,中心线为折线的轴称为曲轴。 它主要用在需要将回转运动与往
3、复直线运动相互转换的机械中。,机电工程系 模具教研室,软 轴,把旋转运动灵活地传到任何位置的钢丝软轴称为挠性软轴,它由多组钢丝分层卷绕而成, 其特点是具有良好的挠性。 它常用于医疗器械和小型机具等移动设备上。,机电工程系 模具教研室,二. 轴的材料,轴的常用材料是碳钢和合金钢。,轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；3.轴的材料来源和经济性等。,碳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，多用中碳钢，尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q2
4、35A等普通碳素钢。 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，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。,机电工程系 模具教研室,值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件
5、质量难于控制。轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。,机电工程系 模具教研室,14.2 轴的设计步骤,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、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。,5）绘制轴的工作图。,机电工程系 模具教研室,机电工程系 模具教研室,机电工程系 模具教研室,轴结构设计的基本要求：, 轴和轴上零件要有准确的工作位置。, 轴上零件应有可靠的相对固定。, 轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性等
6、。, 形状和尺寸应有利于避免应力集中。, 轴各部分的直径和长度尺寸要合理。,机电工程系 模具教研室,14.2.1 轴上零件的定位和固定,1. 轴上零件的轴向定位和固定,轴与轴上零件要有准确的工作位置,周向定位固定,不能有周向摆动,轴向定位固定,不能有轴向窜动,定位,轴与轴上零件要有准确的工作位置,固定,零件在轴上的位置牢固可靠,零件在轴上的轴向定位要准确、可靠。因此，必须使零件具有确定的安装位置，以保证其承受轴向力作用时不会产生轴向位移。零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所承受轴向力的大小。,机电工程系 模具教研室,多用于固定装在轴端的零件, 一般采用细牙螺纹。 为防止圆螺母松脱, 可采用
7、加止动垫圈或用双圆螺母,（1）圆螺母,机电工程系 模具教研室,（2） 套 筒,在轴的中部, 当两个零件间距离较小时, 常采用套筒作相对固定。使用套筒可简化轴的结构, 避免在轴上制出螺纹、 环形槽等, 能有效地提高轴的疲劳强度, 但增加了一些重量, 故套筒不应太长。 且因套筒与轴的配合较松, 所以也不宜用于高速轴。,机电工程系 模具教研室,（3） 轴肩和轴环,阶梯轴上常采用轴肩或轴环定位。 轴肩或轴环是阶梯轴上截面变化的部分, 由定位面和过渡圆角组成。 轴肩结构简单, 能承受较大的轴向力, 应用较多。,r轴R孔或r轴C孔,轴肩高度滚动轴承内圈高度,轴肩或轴环的高度h必须大于 R孔或 C孔,机电工
8、程系 模具教研室,错误,正确,机电工程系 模具教研室,挡圈通常与轴肩联合使用定位, 常用的有螺钉锁紧挡圈、 弹性挡圈和轴端挡圈三种。,（4）挡 圈,螺钉锁紧挡圈用紧定螺钉固定在轴上, 若在轴上零件两侧各用一个锁紧挡圈时, 可任意调整轴上零件的位置, 装拆方便。但紧定螺钉不能承受大的轴向力, 且钉端会引起轴应力集中。,机电工程系 模具教研室,弹性挡圈这种固定方法简单, 但承受轴向力小, 且轴上需设沟槽, 也会因应力集中而削弱轴的强度。,机电工程系 模具教研室,轴端挡圈(又称压板)常用于轴端零件的固定, 如图中的联轴器就是利用轴端挡圈和螺母将零件压紧在轴肩上的。这种固定方法工作可靠, 应用颇广。,
9、机电工程系 模具教研室,2、轴上零件的周向定位与固定,1) 平键,3）花键,平键对中性好，用于较高精度，高速及受冲击或交变载荷作用的场合。,2）半圆键,多用于锥型轴轴端，对轴的削弱大，适用于轻载。,承载工作能力强，定心精度高，导向性好，制造成本高。,机电工程系 模具教研室,4）紧定螺钉,14）过盈配合,5）销,只能有较小的轴向力，对结构简单也可做轴向固定。,用于受力不大的场合，可作安全销使用。,对中性好，适用于不常拆卸的部件。,机电工程系 模具教研室,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
10、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,14.2.2 轴结构的工艺性,1）轴肩圆角r和倒角高度C,2）轴端倒角,3）砂轮越程槽,4）螺纹退刀槽,5）多个键槽,机电工程系 模具教研室,14.2.3 减小应力集中，提高轴的疲劳强度,（1）合理布置轴上零件，减小轴的载荷。,机电工程系 模具教研室,（2）改善轴上零件的结构，减小轴上的载荷。,机电工程系 模具教研室,（3）改进轴
11、的结构，减小应力集中,（4）改进轴的表面硬度，提高轴的疲劳强度,轴系结构改错,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,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线上,机电工程系 模具教研室,请完成如图所示的轴系设计。,请选择齿轮的装配方向,机电工程系 模具教研室,1、各轴段直径确定,轴上螺纹及花键部分直径应符合相应标准,与标准零件相配合轴径应取标准植 (如轴承),2、各轴段长度,转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙 轴头长度比相应零件轮毂宽度小2-3mm,各轴段与其上相配合零件宽度相对应,与一般零件配合部分直径应与配合零件孔一致， 并取标准尺寸,按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径，经验值,14.2.4 轴的直径和长度确定,
