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1、第十五章 轴,第一节 轴的功用和分类,第二节 轴的设计,第一节 轴的功用和分类,功用：支承旋转的零件及传递运动和动力。,按承受载荷分,分类：,一、轴的功用和分类,-既承受弯矩又传递扭矩。,按承受载荷分,功用：支承旋转的零件及传递运动和动力。,分类：,-既承受弯矩又传递扭矩,-只受扭矩不承受弯矩（或弯矩很小）,一、轴的功用和分类,传动轴： 主要用于传递转矩而不承受弯矩,或所受弯矩很小的轴,例如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴,转轴-既承受弯矩又传递扭矩,按承受载荷分:,传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩而不承受扭矩,固定心轴,火车轮轴,心轴： 用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。,例：自
2、行车的前轮轴,转轴-传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,传动轴-只传递扭矩,按轴线形状分有,一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴,心轴-只承受弯矩而不承受扭矩,一、轴的功用和分类,转轴-既承受弯矩又传递扭矩,按承受载荷分有：,分类：,按轴线形状分有：,传动轴-只传递扭矩,直轴,光轴,阶梯轴,曲轴,心轴-只承受弯矩而不承受扭矩,一、轴的功用和分类,按轴线形状分有：,直轴,曲轴,挠性钢丝轴,按承受载荷分有：,分类：,一、轴的功用和分类,试分析图示巻扬机中各轴所受的载荷，并由此判断各轴的类型。,举例：,P,轴的设计过程：,选择材料,第二节 轴的设计,一、轴的材料和热处理,-最常用
3、45钢。,-多用于有特殊要求的轴。常用40Cr。,轴的常用材料及其主要力学性能见 表151 。,第二节 轴的设计,必须指出：,钢的种类和热处理对其弹性模量E的影响甚小，因此，如欲采用合金钢或通过热处理来提高轴的刚度并无实效。,提高轴的刚度的方法 增大轴的截面面积。,第二节 轴的设计,1. 按扭转强度条件计算,轴的扭转强度条件为：,轴的直径：,式中： T 及 A0 - 查表15-3,-（15-1）,-（15-2）,二、初步计算轴的直径,轴的直径：,注意：该直径只能作为承受扭矩作用的轴段的 最小直径 dmin！,轴径圆整为标准直径。,（一般是作为轴的外伸端轴头的直径）,轴的结构设计,三、轴的结构设
4、计,轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性。,轴没有标准的结构形式。设计时必须针对轴的具体情况作具体分析。,定出轴的合理外形和全部的结构尺寸。,2. 轴上零件应便于装拆和调整；,1. 轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位),3. 轴应具有良好的制造工艺性。（即轴应便于加工）,轴的结构应满足的基本要求：,图15-8 轴上零件装配与轴的结构示例,三、轴的结构设计,结构设计时，已知的条件有：,轴的装配简图；,轴的转速 n (rpm)；,轴传递的功率 P (KW );,传动零件的主要参数和尺寸,设计时可根据装配简图来确定轴上主要零件之间的相互位置关系。,（一） 轴上零件的定位和固定,轴上零件的定位,三
5、、轴的结构设计,1. 轴上零件的轴向定位和固定,轴肩,定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。,轴环宽度：b 1.4 h,三、轴的结构设计,结构不合理！,为了便于拆卸，滚动轴承的定位轴肩高度不能超过轴承内圈端面的高度。,特别注意：,轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸。,三、轴的结构设计,轴和零件上的倒角和圆角尺寸的常用范围见 表15-2,套筒定位结构简单，定位可靠。一般用于轴上两个零件之间的定位,三、轴的结构设计,当两个零件间距离较大时，可采用圆螺母定位。,可承受大的轴向力，但螺纹处有较大的应力集中，会降低轴的疲劳强度，故一般用于固定轴端的零件。,特点：,一般情况下，整个轴的轴向定位也常
6、利用轴承端盖来实现。,轴向力较小时，可采弹性挡圈、紧定螺钉及锁紧挡圈来实现。,轴端的零件常采用轴端挡圈或圆锥面定位。,轴端挡圈,2. 轴上零件的周向固定,目的-限制轴上零件与轴发生相对转动。,周向定位大多采用键、花键、销、紧定螺钉以及过盈配合等形式来实现。,三、轴的结构设计,（二） 轴上零件的装配和拆卸,装配方案：轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。,三、轴的结构设计,轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。,图示减速器输出轴就有两种装配方案。,二级圆锥圆柱齿轮减速器,方案二多了一个用于轴向定位的长套筒，使机器的零件增多，重量增大。故不如方案一合理 。,（三）确定轴的各轴段长度,说明：
7、,轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；,三、轴的结构设计,三、轴的结构设计,为使零件的装配方便，减少配合表面的擦伤：,1) 相配合轴段的压入端应制成锥度（图1示）,2) 配合段前后采用不同的尺寸公差（图2示）,在配合轴段前应采用较小的直径；,为使与轴作过盈配合的零件易于装配：,（四）轴的加工工艺结构,-指轴的结构形式应便于加工和装配轴上的零件，且生产率高，成本低。,在满足使用要求的前提下，轴的结构形式应尽量简化。,一般说，轴的结构越简单，工艺性越好。,三、轴的结构设计,为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。,装零件的轴端应有倒角 ，,需要磨削的轴端有砂轮越程槽 。
8、,车螺纹的轴端应有退刀槽 ，, 为了加工方便，同一轴上不同轴段的键槽应布置在 轴的同一母线上。,键槽应布置在轴的同一母线上, 为减少刀具种类和提高劳动力生产力：,轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。,（四）轴的加工工艺结构,（五）改善轴的受力情况,Tmax= T1+T2,Tmax = T1,当扭矩由一个传动件输入而由几个传动件输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。,合理,不合理,1. 合理布置轴上零件以减少轴的载荷,为减少轴所受的弯矩：,传动件应尽量靠近轴承，,尽量不采用悬臂的支承形式，,尽量缩短支承跨距及悬臂长度。,2. 改进
9、轴上零件的结构以减小轴的载荷,A图中大齿轮和卷筒联成一体，转矩经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。,轴径大,轴径小,三、轴的结构设计,3. 改进轴的结构以减小应力集中的影响,合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。,措施： 1) 用圆角过渡；,2) 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;,3）为增大轴肩处的圆角半径，可采用内凹圆角或 过渡肩环。,三、轴的结构设计,轮毂上开卸载槽 应力集中系数可减少1525%,4）在轮毂上或轴上开卸载槽或加大配合部分的直径 可以减小过盈配合处的局部应力；,5 ) 用盘铣刀加工的键槽比键
10、槽铣刀产生的应力集中小；,6 ) 尽可能避免在轴上受载较大的区段切制螺纹。,4.改善轴的表面质量以提高轴的疲劳强度,1）表面愈粗糙 疲劳强度愈低；减小表面粗糙度；,轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响,通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。,三、轴的结构设计,四、轴的强度校核,通常是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。,（一）轴的合成弯矩和扭矩,传动轴-按扭转强度条件计算,转 轴-按弯扭合成强度条件计算,心 轴-按弯曲强度条件计算,减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。,在完成单
11、级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。,1. 按弯扭合成强度条件计算,步骤如下：,1) 作出轴的计算简图, 轴的支承简化,通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。,可按教材中图1523来确定。,1) 作出轴的计算简图, 轴的支承简化, 轴的载荷简化,分布载荷简化为集中力，其作用点取在载荷分布段的中点。,作用在轴上的扭矩，从传动件轮毂宽度的中点算起。,1. 按弯扭合成强度条件计算,1) 作出轴的计算简图, 轴的支承简化, 轴的载荷简化,作计算简图时：,水平面受力及弯矩图,铅垂面受力及弯矩图,总弯矩 M 图,扭矩图,2) 作出弯矩
12、图和扭矩图,1) 作出轴的计算简图,（二）组合变形概念和轴的当量弯矩,按第三强度理论，计算应力,M,-对称循环变应力，,T,-常不是对称循环变应力。,引入折合系数,0.3 -转矩不变；,0.6 -转矩脉动变化；,1 -轴频繁正反转。,折合系数：=,弯曲应力：,扭切应力：,代入式（15-4），,W-轴的抗弯截面系数，见表15-4,则轴的弯扭合成强度条件为,(15-5),（三）当量弯矩的修正和强度校核公式,综上所述，可得轴的强度校核公式为：,考虑到弯矩作用下产生的弯曲正应力（为对称循环）与扭矩作用下产生的扭转切应力的应力性质不同，所以在计算当量弯矩时，应修正为：,定位轴肩 h=(0.070.1)d
13、，,d1-2=d+2h=55+2(0.07 55)=55+7.7=62.7mm,则：取d1-2=62mm，或 63mm,例题1,轴环宽度b1.4h=8.4,取b=12mm,进行轴的结构设计时，要将轴的结构设计要求和轴承装置设计要求结合起来，避免片面化。, 轴的外伸端必须考虑密封问题, 轴承的润滑问题（油或脂）, 调整垫片调整轴承的游隙, 箱体的加工面与非加工面要分开。,注意：,试指出图示斜齿圆柱齿轮轴系中的错误结构，并画出正确的结构图。,例题2：, 两轴承应当正装；, 端盖与轴间应有间隙并加密封圈；, 精加工面过长，应设一非定位轴肩，以便轴承的安装；, 轴段过长，套筒抵不住齿轮；, 右端轴承应
14、有定位轴肩；, 处应加调整垫片；, 套筒过高，不便拆缷轴承,此轴系有以下四方面的错误结构:,1. 转动件与静止件接触, 轴与端盖,2. 轴上零件未定位、固定, 套筒顶不住齿轮, 联轴器未定位, 联轴器周向及轴向皆未固定。, 套筒与轴承外圈, 卡圈无用。,例题3：分析齿轮轴系上的错误结构。轴承采用脂润滑。,3. 工艺不合理, 精加面过长，且装拆轴承不便。, 联轴器孔未打通。, 箱体端面加工面与非加工面没有分开。, 台肩过高，无法拆卸轴承。, 键过长，套筒无法装入。, 无垫片，无法调整轴承游隙。, 无密封。,4. 润滑与密封的问题, 齿轮油润滑，轴承脂润滑而无挡油环。,试指出图中结构不合理的地方，
15、并予以改正。,轴的结构改错问题通常从以下几个方面考虑: 轴与轴上零件是否用键作周向固定,若轴上有多个零件时，其键槽是否在同一母线。 轮毂长度是否略大于安装轴段的长度。 轴上零件的两端轴上定位如何？ 轴承的类型选择和组合是否合理？特别是采用角接触球轴承或圆锥滚子轴承时，应检查是否为成对使用，其内外圈传力点处是否设置有传力件。 轴承的内、外圈厚度是否高出与之相接触的定位轴肩或定位套筒的高度。 轴伸透盖处有无密封及间隙。 轴承的游隙如何调节？ 整个轴系相对于箱体轴向位置是否可调?,轴的结构设计原则: 1、轴的结构应力求简单合理，有利于轴上零件的装拆、固定 和调整。 2、轴上零件应定位准确、固定可靠。 3、轴的结构有利于提高轴的强度和刚度。 4、具有良好的润滑和密封条件。 5、具有较好的结构工艺性和经济性 （1.用辅助零件代替轴上不必要的台阶。2.为了便于装配，减少应力集中，应取相同的倒角、圆角尺寸。3.取相同的越程槽、退刀槽。4.取相同的键槽尺寸且布置在轴的同一母线上。5.各段轴的尺寸尽量取标准值（减少刀具数目，便于测量）。6.规定合理的加工精度和表面粗糙度。）,
