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1、第4章 轴和常见精密轴系,4.1 概述,轴是轴系的核心零件，做回转运动的零件必须装在轴上后才能实现回转运动。轴的分类（1）按载荷和应力的不同，分为三种：心 轴随同回转零件一起或不一起转动。只承受弯矩而不传递转矩。又分为转动心轴和固定心轴。转动心轴受变应力，固定心轴受静应力。转 轴既承受弯矩又承受转矩。传动轴主要承受转矩。,4.1 概述,（2）按轴的中心线的不同，分为三种：直轴轴的各截面中心在同一直线上。光轴、阶梯轴； 实心轴、空心轴曲轴轴的各截面中心不在同一直线上。 曲轴通常是专用零件 。 软轴轴线可变，把回转运动灵活地传到 任何位置。,4.1 概述,非旋转心轴型,4.1 概述,4.1 概述,
2、传动轴支承,4.1 概述,4.1 概述,4.1 概述,精密轴系是很多精密机械和精密仪器的关键部件，其质量直接影响仪器的使用和精度。多数精密轴系由轴和轴套组成 通常仪器对轴系的要求：a.较高的回转精度；b.运动应灵活、轻便平滑，无卡滞和跳动现象；c.具有足够的刚度；d.良好的结构工艺性；e.较长的使用寿命。常见的精密轴系有标准圆柱形轴系、圆锥形轴系、半运动式柱形轴系和平面轴系。,4.1 概述,4.2 轴,设计轴时的考虑因素：回转精度、强度、刚度、热变形、振动稳定性和结构工艺性。 设计内容：选材、确定轴的结构、计算轴的强度和刚度，计算轴的振动稳定性（高速运转的轴），绘制出轴的零件工作图。轴的设计要
3、与轴承、轴系零件统一考虑。,4.2.1 轴的材料及其选择（表4-1） 1、选材原则：根据轴的工作能力（强度、刚度、振动稳定性、耐磨性等）、热处理方式、制造工艺性经济合理。 2、常用材料碳素钢对应力集中敏感性小，价格低廉，常用。45、35、50（调质or正火），Q235、Q275合金钢较高的力学性能和热处理性能，用于受力较大且尺寸较小、重量轻和耐磨性高的轴。20Cr、40Cr、含Mo合金钢。,4.2 轴,轴的结构,轴头：轴和旋转零件的配合部分 轴颈：轴和轴承配合的部分 轴身：连接轴颈与轴头部分,轴肩(轴环)：轴的直径变化所形成的阶梯处,4.2.2 轴的结构设计,1）轴和装在轴上的零件要有准确的轴
4、向工作位置，并便于装拆和调整； 2）轴应有良好的加工工艺性。,轴的结构设计满足的条件：,轴的结构设计内容： 1）确定并绘出轴的全部结构和尺寸；2）制定出满足使用要求的技术条件。,1.轴的外形结构（图4.3）在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽可能简单,4.2 轴,2.零件在轴上的固定方法,轴肩、轴环简单可靠，不需附加零件，承受较大轴向力；但使直径增大，阶梯处产生应力集中。,4.2 轴,（1）零件在轴上的轴向固定,a=(0.070.1)；b=1.4a,定位面内圆角半径r应小于零件上倒角C或外圆角半径R。,4.2 轴,（1）零件在轴上的轴向固定,套筒简单可靠，简化轴的结构且不消弱轴的强度；常用
5、于轴上两个近距零件间的相对固定；不宜用于高速转轴；套筒内径与轴的配合较松。,螺母固定可靠，承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整；常用于两零件的间距较大处，亦可用于轴端；为减小对轴的强度的消弱，常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈或使用双螺母。,4.2 轴,轴端挡圈工作可靠，承受较大轴向力；只用于轴端，且采用止动垫片等防松措施。,锥面装拆方便，且可兼作周向定位；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。,4.2 轴,弹性挡圈结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，且轴上切槽引起应力集中；常用于轴承的固定。,紧定螺钉、锁紧挡圈结构简单，但受力较小，不适于高速场合。,（2）零件在轴上的周向固定键联接、销
6、联接、紧定螺钉、过盈联接等。见“键联接”、 “齿轮结构设计”部分,4.2 轴,3.良好的加工工艺性 （1）轴的直径变化尽可能少，并尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差（节省材料，减少切削量）。 （2）轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽，以保证完整加工。 （3）轴上有多个键槽时，应开在同直线上，以免加工键槽时多次装夹。 （4）尽可能使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。 （5）轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴径应按滚动轴承内径尺寸选取：轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。,4.2 轴,螺纹退刀槽；砂轮越
7、程槽,车削,磨削,磨削的轴段要有砂轮越程槽；车螺纹的轴段，应有退刀槽。,4.装配工艺性 （1）为便于轴上零件的装配，使其能顺利通过相邻轴段而到达轴上的确定位置，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。轴上的各阶梯，除用作轴上零件轴向固定的可按规定确定轴肩高度外，其余仅为便于安装而设置的轴肩，其轴肩高度常可取0.53mm。 （2）轴端应倒角，以去掉毛刺并便于装配。 （3）固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。 （4）采用套筒、螺母、轴端挡圈作轴向固定时，应把装零件的轴段长度做得比轮毂短23mm，确保套筒、螺母、或轴端挡圈靠紧零件端面。,4.2 轴,轴系结构实例,4.2 轴,结构示例
8、,结构示例：结构改错,四处错误,正确答案,两处错误,1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一直线上,结构示例：结构改错,结构示例：结构改错,结构示例：结构改错,结构示例：结构改错,一、按许用切应力计算轴径,用于：只承受转矩传动轴的精确计算,既承受弯矩又承受扭矩的轴的近似计算,强度条件：,4.2.3 轴的强度计算,设计公式： （转轴初估轴径）,二、按弯曲和扭转合成强度计算轴径（转轴）,1. 条件：已知支点、扭距，弯矩,1）作轴的计算简图（即力学模型）,2）作弯矩图MH、MV、M,3）作出转矩图T,4）利用公式 绘出当量弯矩图，校核轴的强度（对危险截面）,2. 步骤：,设计公式：,轴上有一
9、个键槽时，应将计算出的轴径加大4%，两个加大10%。,轴的设计参照例题4-1,4.2 轴,1.扭转刚度计算,2.弯曲刚度计算根据近似挠曲线微分方程：,工程查表法,4.2.4 轴的刚度计算,4.3 常见精密轴系,精密机械中，当要求零部件精确的绕某一轴线转动时，常常通过滑动、滚动、流体摩擦支承，以及他们的组合来实现，这种以支承主体所形成的部件称为精密轴系。对精密轴系的要求： （1）旋转精度：轴系的置中精度和方向精度。置中精度常用运动件某一截面中心的偏移量表示；轴系的方向精度常用运动件中心线的偏转角表示。（2）刚度：刚度大小直接影响轴系的旋转精度，因此要求轴系有足够的精度，通常其刚度用实验方法测定。
10、（3）转动的灵活性：转动灵活、平稳，没有阻滞现象。,4.3 常见精密轴系,1.标准圆柱形轴系（1）结构、特点和应用,形状简单，加工方便，易于获得较高的制造精度，轴与轴套接触面积大，摩擦力矩大，配合面间的间隙无法调整。为减少接触面积和精加工面，通常将轴套2的中部车去一段。（如图a）,（2）误差分析,1）轴与轴套的尺寸误差 2）圆柱度误差 3）温度变化的影响,2. 圆锥形轴系,4.3 常见精密轴系,（1）结构、特点和应用,圆锥形轴系由圆锥形轴和具有相同锥角的衬套组成，其特点是：1）间隙小，置中精度和定向精度高；2）可利用修切端面A或轴颈的轴向移动来调整间隙；3）对温度变化敏感性强；4）锥形轴和轴套
11、加工复杂，须配对研磨，无互换性，成本高；5）摩擦力矩大。,2. 圆锥形轴系,4.3 常见精密轴系,(2) 精度分析,为了减少锥形轴与轴套间的摩擦，可采取以下措施：a.将轴和轴套中部车去一部分，以减少摩擦面积和精加工面，而又不降低仪器回转部分旋转的稳定性。b.利用轴下端中心的钢球或止推螺钉承受大部分轴向负荷，见图（b）、（c）。以减少对轴套的压力,影响因素有：锥形轴和轴套之间的配合间隙，轴系零件的几何形状误差(主要是圆度误差)以及温度变化等。,3.半运动式柱形轴系,（1） 结构、特点和应用结构：轴系在轴套3的上方加工90度的圆锥面，锥面上密集放一圈钢球1，利用钢球1和轴套3的锥形表面接触，有自动
12、定心作用，同时和主轴4的下端共同起定向作用，钢球和轴套的锥面承受仪器上部的负荷。特点：a. 自动定心，置中精度高。b. 摩擦力矩小，主轴起动灵活，磨损小，寿命长。不发生卡滞现象。c.装配时研磨工作量小，利于批量生产。d.对零件加工精度高。,4.3 常见精密轴系,经纬仪中应用,3.半运动式柱形轴系,4.3 常见精密轴系,经纬仪中应用,（2）精度分析,a. 配合间隙的影响,b.钢球直径差的影响,c.同轴度误差影响,d.垂直度误差的影响,4.平面轴系,（1）结构和特点,4.3 常见精密轴系,结构：仪器照准部1通过一圈钢球2压在基座3上，该圈钢球所在圆周直径很大，利用钢球的接触平面控制轴晃动，起定向作用，以轴系下部的小圆柱面定中心。 特点: 利用平面接触起定向作用，高度低，体积小。精度不稳定：转动过于灵活，需使用粘度较大的油脂，以使其转动较平稳，噪音小。,（2）精度分析,a.钢球的圆度误差和直径差,b.平面度误差,c.垂直度误差,
