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1、机械设计第第6 6章章 轴设计轴设计 轴：shaft6-16-1概概 述述 6-1轴概述一轴的功用轴的功用传递运动和动力传递运动和动力支承回转零件支承回转零件二轴的类型轴的类型按轴线分：按轴线分：挠性钢丝轴挠性钢丝轴直轴直轴曲轴曲轴光轴光轴阶梯轴阶梯轴可以弯曲且不影响传递扭矩。比如汽车可以弯曲且不影响传递扭矩。比如汽车、摩托车和轮船里程表、转速表，计数、摩托车和轮船里程表、转速表，计数器，割草机及各种机械转动仪表中的、器，割草机及各种机械转动仪表中的、通下水的、还有振捣用的等等通下水的、还有振捣用的等等机械设计转转 轴轴 心心 轴轴 传动轴传动轴 按受载性质分：按受载性质分：只受弯矩只受弯矩M
2、M只受扭矩只受扭矩T T 既受弯矩既受弯矩MM，又受扭矩，又受扭矩T T转动心轴转动心轴 固定心轴固定心轴 6-1轴概述减速器中的转轴，弯曲应力、扭剪应力的循环特征减速器中的转轴，弯曲应力、扭剪应力的循环特征r r为多少？为多少？机械设计6-1轴概述三轴设计的主要内容轴设计的主要内容设计任务设计任务 选材、结构设计、校核工作能力选材、结构设计、校核工作能力 结构设计结构设计根据轴上零件的定位、固定、安装以及根据轴上零件的定位、固定、安装以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的形状和尺寸定轴的形状和尺寸校核工作能力校核工作能力 强度强度 防止轴发生疲劳断裂防
3、止轴发生疲劳断裂刚度 防止轴发生过大的弹性变形防止轴发生过大的弹性变形振动稳定性振动稳定性 防止高速时轴发生共振防止高速时轴发生共振机械设计机械设计6-1轴概述四轴的材料轴的材料碳素钢、碳素钢、合金钢合金钢和铸铁铸铁在其它条件相同时，把在其它条件相同时，把轴材料由碳素钢改为合金钢轴材料由碳素钢改为合金钢能提高轴能提高轴的刚度吗？的刚度吗？不能。不能。因为这两种材料的弹性模量因为这两种材料的弹性模量E E相差无几相差无几碳素钢碳素钢 具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是是4545钢应用最广钢应用最广合金钢合金钢 具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于具有
4、较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴有特殊要求的轴铸铁：用来制造形状复杂的轴，具有成本低廉、吸振性铸铁：用来制造形状复杂的轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低等优点。较好、对应力集中的敏感较低等优点。机械设计6-26-2轴的结构设计轴的结构设计 6-2轴的结构设计加工工艺性要好加工工艺性要好便于轴上零件装拆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准确的定位轴上零件要有可靠的固定轴上零件要有可靠的固定尽量减少应力集中尽量减少应力集中需考虑的问题：需考虑的问题： 轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身 与轴承相配的部分与轴承相配的部分 与轮毂相配的与轮毂相配的部分部分 连接轴
5、颈与轴头连接轴颈与轴头部分部分 轴颈轴颈 轴身轴身 轴头轴头 轴的常用术语：轴的常用术语： 轮毂：齿轮中心的圆柱部分轮毂：齿轮中心的圆柱部分, ,常带有一孔常带有一孔, ,其作用其作用是安装在轴上使其在轴上转动或与轴一起转动是安装在轴上使其在轴上转动或与轴一起转动 机械设计6-2轴的结构设计一轴上零件的轴向定位和固定轴上零件的轴向定位和固定轴肩或轴环轴肩或轴环 r r简单可靠，能受较大轴向力简单可靠，能受较大轴向力 定位轴肩：定位轴肩： 非定位轴肩：非定位轴肩： 滚动轴承的定位轴肩或轴环高度滚动轴承的定位轴肩或轴环高度查轴承标准查轴承标准为保证定位准确，为保证定位准确，R R 或或 C C r
6、 r h h=(0.070.1)=(0.070.1)d d ，一般为，一般为2.55mm2.55mm便于轴上零件装拆便于轴上零件装拆 h h112 mm2 mm，甚至更小，甚至更小 轴环宽度：轴环宽度：b b 1.4 1.4 h h 孔倒角孔倒角C CC Ch h 阶梯轴上截面变化之处阶梯轴上截面变化之处 机械设计6-2轴的结构设计套筒套筒 间距较大、间距较大、转速较高时转速较高时不宜采用不宜采用用于两个用于两个近距离近距离零件间零件间需切制螺纹，削弱了轴的强度需切制螺纹，削弱了轴的强度用于两零件距离较远时，或轴端用于两零件距离较远时，或轴端圆螺母和止动垫圈圆螺母和止动垫圈对顶螺母（两个细牙螺
7、母）对顶螺母（两个细牙螺母）螺母螺母 需切环槽，削弱了轴的强度需切环槽，削弱了轴的强度弹性挡圈弹性挡圈 只能受较小轴向力、常用于滚动轴只能受较小轴向力、常用于滚动轴承的固定承的固定机械设计6-2轴的结构设计能承受较大的轴向力能承受较大的轴向力轴端挡圈轴端挡圈 圆锥面圆锥面 用来固定轴端零件用来固定轴端零件常与轴端挡圈配合使用常与轴端挡圈配合使用与轮毂相配的轴与轮毂相配的轴段长度应比轮毂段长度应比轮毂宽度短宽度短2 23 mm!3 mm!固定固定可靠可靠紧定螺钉紧定螺钉 B BL LB = L B = L (2(23)3)机械设计6-2轴的结构设计目的：防止零件与轴发生相对转动，并传递转矩目的：
8、防止零件与轴发生相对转动，并传递转矩二轴上零件的周向固定轴上零件的周向固定平键连接平键连接 花键连接花键连接 紧定螺钉紧定螺钉 过盈配合过盈配合 销销 连连 接接 如：滚动轴承内圈如：滚动轴承内圈与轴之间的配合与轴之间的配合成型连接成型连接 机械设计6-2轴的结构设计例：试分析下图中轴上零件的定位和固定情况。例：试分析下图中轴上零件的定位和固定情况。机械设计6-2轴的结构设计结构设计之前，要先拟定好轴上零件的装配方案结构设计之前，要先拟定好轴上零件的装配方案 确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系 机械设计 轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相
9、同。轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。 图示图示圆锥圆柱齿轮圆锥圆柱齿轮减速器输出轴就有两种装配方案减速器输出轴就有两种装配方案 机械设计 方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理 机械设计6-2轴的结构设计轴应便于加工、测量，工作量少、生产效率高轴应便于加工、测量，工作量少、生产效率高 三轴的加工和装配工艺性轴的加工和装配工艺性通常情况下轴应设计成阶梯直
10、轴通常情况下轴应设计成阶梯直轴轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽等轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽等尺寸一致尺寸一致不同轴段的各键槽应布置在同一直线上不同轴段的各键槽应布置在同一直线上轴端要倒角轴端要倒角(45(45 ) )，过盈配合要有导向锥面，过盈配合要有导向锥面磨削或车螺纹应留有越程槽或退刀槽磨削或车螺纹应留有越程槽或退刀槽越程槽 轴上零件应装拆方便轴上零件应装拆方便 轴的配合直径应尽量按标准值选取轴的配合直径应尽量按标准值选取机械设计6-2轴的结构设计轴结构设计时，各轴段直径确定的基本原则：轴结构设计时，各轴段直径确定的基本原则： 按一定的方法确定出轴的最细处直径按一定的方法确定出轴的最
11、细处直径d dminmin 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径 安装标准件的轴径，应满足标准件装配尺寸要求安装标准件的轴径，应满足标准件装配尺寸要求 机械设计6-2轴的结构设计1) 1) 装配轴承装配轴承 与滚动轴承配合段轴径一般为与滚动轴承配合段轴径一般为5 5的倍数；的倍数；( 20495 mm)( 20495 mm) 与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套：与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套： 32 32、3535、3838、4040、4545、4848、5050、5555、6060、6565、70 . 70 . 2) 2) 装配联轴器装
12、配联轴器 配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：配合段直径应符合联轴器的尺寸系列： 联轴器的孔径与长度系列联轴器的孔径与长度系列 孔径孔径d d 30 32 35 3830 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 40 42 45 48 50 55 65 60 63 6560 63 65长系列长系列 82 112 142 82 112 142 短系列短系列 60 84 107 60 84 107 长度长度L L 常用的与轴相配的标准件有常用的与轴相配的标准件有滚动轴承滚动轴承、联轴器联轴器等。等。 配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定机械
13、设计6-2轴的结构设计有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径：有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径： 标准直径应按标准直径应按优先数优先数选取：选取： R5 1.00 1.60 2.50 4.00 6.30 10.00 R10 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00 1.00 1.12 1.25 1.40 1.60 1.80 2.00 2.24 2.50 2.80 3.15 3.55 4.00 4.50 5.00 5.60 6.30 7.10 8.00 9.00 10.00 1.00 1.06 1.12 1.18 1.25
14、1.32 1.40 1.50 1.60 1.70 1.801.90 2.00 2.12 2.24 2.36 2.50 2.65 2.80 3.00 3.15 3.353.55 3.75 4.00 4.25 4.50 4.75 5.00 5.30 5.60 6.00 6.306.70 7.10 7.50 8.00 8.50 9.00 9.50 10.00R40 R20 此表参见机械设计课此表参见机械设计课程设计程设计P73P73页表页表9-7 9-7 优先数优先数-表中任意一个数值表中任意一个数值 机械设计6-2轴的结构设计什么是优先数系和优先数优先数是由公比分别为， 且项值中含有10的整数幂的
15、理论等比数列导出的一组近似等比的数列。 各数列分别用符号R5，R10，R20，R40和R80表示。称为R5数系、R10数系、R20数系、R40数系和R80数系。即： R5数系：以1.60为公比形成的数系； R10数系：以1.25为公比形成的数系； R20数系：以1.12为公比形成的数系； R40数系：以1.06为公比形成的数系； 以上称为基本系列。 R80数系：以1.03为公比形成的数系； 它称为补充系列。仅在参数分级很细，基本系列不能适应实际情况时，才可靠考虑采用。 优先数系中有任一个项值均称为优先数。 根据GB 321的规定，优先数和优先数系适用于各种量值的分级，特别是在确定产品的参数或参
16、数系列时，必须按该标准的规定最大限度地采用，这就是“优先”的含义。机械设计四 提高轴的强度、刚度提高轴的强度、刚度1 1、改变轴上零件结构、改变轴上零件结构 QQ方案方案b b 图示为起重机卷筒两种布置方案图示为起重机卷筒两种布置方案 TQQ方案方案 a a轴径大轴径大 轴径小轴径小 a a图中大齿轮和卷筒联成一体，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图中大齿轮和卷筒联成一体，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。b b图中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图图中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a a结构轴的结构轴的直径要小。直径要小。机械设计6-2轴的结构设计改变轴上零件的结构，可使轴受载减小改变轴上零件的结构，可使轴受载减小例：例：机械设计6-2轴的结构设计2 2、合理布置轴上零件、合理布置轴上零件 输出输出 输出输出 输入输入 输出输出 输出输出 输入输入 T Tmaxmax= T= T1 1+T+T2 2T Tmaxmax = T = T1 1T T2 2T T1 1T T1 1+T+T2 2T T1 1T T1 1+T+T2 2T T2 2合理合理 不合理不合理 当轴上有两处动
