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第十章第十章 轴的设计轴的设计本章主要内容本章主要内容第一节第一节 轴的功用及类型轴的功用及类型第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计第二节第二节 轴的材料及选择轴的材料及选择本章基本要求本章基本要求 1、了解轴的功用、分类、特点和应用、了解轴的功用、分类、特点和应用2、了解轴的材料及其选择、了解轴的材料及其选择 3 、掌握轴的结构设计、掌握轴的结构设计本章重点难点本章重点难点本章重点本章重点 本章难点本章难点轴的结构设计轴的结构设计 轴的结构设计轴的结构设计第一节第一节 轴的功用及类型轴的功用及类型一、轴的功用一、轴的功用（1）支承回转零件（齿轮、皮带轮）；）支承回转零件（齿轮、皮带轮）；（2）传递运动和动力。）传递运动和动力。（3）受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。）受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器的性能和质量的性能和质量第一节第一节 轴的功用及类型轴的功用及类型二、轴的分类二、轴的分类1）转动心轴：工作时轴随转动）转动心轴：工作时轴随转动件一起转动。件一起转动。2）固定心轴：工作时轴不转动。）固定心轴：工作时轴不转动。（一）按承载情况不同分为：（一）按承载情况不同分为： （1 1）心轴只受弯矩的轴心轴只受弯矩的轴；（2 2）转轴既受弯矩又受转矩的轴；转轴既受弯矩又受转矩的轴；（3 3）传动轴只受转矩或弯矩很小的轴。）传动轴只受转矩或弯矩很小的轴。1、心轴、心轴第一节第一节 轴的功用及类型轴的功用及类型二、轴的分类（续）二、轴的分类（续）传动轴传动轴2、传动轴、传动轴接发动机接发动机接后桥接后桥第一节第一节 轴的功用及类型轴的功用及类型二、轴的分类（续）二、轴的分类（续）转轴转轴3、转轴、转轴转轴是机器中最常见的轴，简称为轴。转轴是机器中最常见的轴，简称为轴。问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0 0 轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：传动轴传动轴转轴转轴转动心轴转动心轴转轴转轴转轴转轴转动心轴转动心轴如何判断轴是否传递转矩：如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路线从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴沿该轴轴线轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩如何判断轴是否承受弯矩：该轴上该轴上除联轴器外除联轴器外是否还有是否还有其它传动零件其它传动零件，若有则，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。第一节第一节 轴的应用及类型轴的应用及类型二、轴的分类（续）二、轴的分类（续） a:a:直轴直轴b:b:曲轴曲轴c:c:挠性轴挠性轴光轴光轴阶梯轴阶梯轴（二）按轴线的形状分类（二）按轴线的形状分类轴轴1、直轴、直轴轴线为直线的轴（又可分为实心、空心）轴线为直线的轴（又可分为实心、空心）1）光轴）光轴各轴段直径相同的直轴称为光轴。光轴形状简单，加工容易、各轴段直径相同的直轴称为光轴。光轴形状简单，加工容易、应力集中源少，主要用做传动轴。应力集中源少，主要用做传动轴。a)第一节第一节 轴的应用及类型轴的应用及类型二、轴的分类（续）二、轴的分类（续） 2）阶梯轴）阶梯轴各轴段直径不同的直轴称为阶梯轴。这种设计使得各轴段的强度相近，各轴段直径不同的直轴称为阶梯轴。这种设计使得各轴段的强度相近，且便于轴上零件的装拆和固定，故在机器中应用最广泛。且便于轴上零件的装拆和固定，故在机器中应用最广泛。第一节第一节 轴的应用及类型轴的应用及类型二、轴的分类（续）二、轴的分类（续） 2、曲轴、曲轴轴线为曲线的轴轴线为曲线的轴3、挠性轴、挠性轴轴线可按使用要求变化的轴轴线可按使用要求变化的轴常用于往复式机器和行星轮系中。常用于往复式机器和行星轮系中。常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。第二节第二节 轴的材料及其选择轴的材料及其选择对轴材料的要求：对轴材料的要求：具有足够的强度，对应力集中的敏感性低，有较好具有足够的强度，对应力集中的敏感性低，有较好的耐磨性、工艺性和经济性。的耐磨性、工艺性和经济性。轴的材料常用碳钢和合金钢轴的材料常用碳钢和合金钢 1 1、碳钢价格低、碳钢价格低 ，对应力集中不敏感，中碳优质钢可通过热处理，对应力集中不敏感，中碳优质钢可通过热处理，得到良好的综合力学性能。常用的碳素钢有得到良好的综合力学性能。常用的碳素钢有3535、4040、4545钢，碳素钢中钢，碳素钢中应用最广泛的是应用最广泛的是4545号钢，常用调质或正火处理。号钢，常用调质或正火处理。 2、合金钢强度高、耐磨性好，具有良好的力学性能和热处理性、合金钢强度高、耐磨性好，具有良好的力学性能和热处理性能，可满足特殊工作要求。多用于高速、重载及要求耐磨性好的场合。能，可满足特殊工作要求。多用于高速、重载及要求耐磨性好的场合。但价格较贵，对应力集中敏感。但价格较贵，对应力集中敏感。 20Cr、40Cr、20CrMnTi3、形状复杂的轴：、形状复杂的轴：高强度铸铁及球墨铸铁。球墨铸铁吸振性好，高强度铸铁及球墨铸铁。球墨铸铁吸振性好，对应力集中不敏感。对应力集中不敏感。常用于凸轮轴、曲轴。常用于凸轮轴、曲轴。一、轴的材料及选择一、轴的材料及选择第二节第二节 轴的材料及其选择轴的材料及其选择轴的材料、热处理方法及材料的主要力学性能轴的材料、热处理方法及材料的主要力学性能 见表见表11111 1（P184P184）。）。 在选择轴的材料和热处理方法时，应以强度和耐磨性为根据。在选择轴的材料和热处理方法时，应以强度和耐磨性为根据。注意：钢材注意：钢材种类种类热处理热处理对钢材弹性模量对钢材弹性模量E E影响很小，影响很小，用用热处理热处理合金钢合金钢不能提高轴的刚度。不能提高轴的刚度。轴的毛坯：轴的毛坯：圆钢棒料圆钢棒料 尺寸小的轴尺寸小的轴锻造毛坯锻造毛坯 尺寸较大或为提高强度的轴尺寸较大或为提高强度的轴焊接毛坯焊接毛坯 大件锻造困难大件锻造困难铸造毛坯铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等形状复杂的轴、空心轴等二、轴设计的主要问题与设计特点二、轴设计的主要问题与设计特点失效形式：失效形式：1.1.疲劳破坏疲劳破坏 疲劳强度校核。疲劳强度校核。2.2.变形过大变形过大 刚度验算（如机床主轴）。刚度验算（如机床主轴）。3.3.振动折断振动折断 高速轴，自振频率与轴转速接近。高速轴，自振频率与轴转速接近。4.4.塑性变形塑性变形 短期尖峰载荷短期尖峰载荷 验算屈服强度。验算屈服强度。设计的主要问题：设计的主要问题：1.1.合理的结构设计合理的结构设计 保证轴上零件有可靠的工作位置，装保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；调整；第二节第二节 轴的材料及其选择轴的材料及其选择第二节第二节 轴的材料及其选择轴的材料及其选择a a、有足够的、有足够的强度强度 疲劳强度、静强度；疲劳强度、静强度；b b、有足够的、有足够的刚度刚度 防止产生大的变形；防止产生大的变形；c c、有足够的、有足够的稳定性稳定性 防止共振防止共振 稳定性计算。稳定性计算。2.2.工作能力计算工作能力计算轴的设计步骤轴的设计步骤轴的结构形状和尺寸轴的结构形状和尺寸 选用合适的材料选用合适的材料结构设计结构设计强度和刚度计算强度和刚度计算转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计一、轴的结构设计的任务与原则一、轴的结构设计的任务与原则 合理确定轴的外形和全部结构尺寸。合理确定轴的外形和全部结构尺寸。 （轴没有标准的结构形式，须针对不同情况具体分析。轴没有标准的结构形式，须针对不同情况具体分析。）设计要求：设计要求：1.1.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2.2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整；轴上零件应便于安装、拆卸和调整；3.3.轴应具有良好的加工工艺性；轴应具有良好的加工工艺性；4.4.应有利于提高轴的强度和刚度。应有利于提高轴的强度和刚度。F等强度阶梯轴设计任务：设计任务：组成组成轴颈轴颈：装轴承处：装轴承处 尺寸尺寸= = 轴承内径；轴承内径；轴头轴头：装轮毂处：装轮毂处 直径与轮毂内径相当；直径与轮毂内径相当；轴身轴身：联接：联接轴颈轴颈和和轴头轴头部分。部分。二、轴上零件的布置二、轴上零件的布置端轴颈端轴颈轴头轴头中轴颈中轴颈轴头轴头第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计滚动轴承滚动轴承齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承键槽键槽半联轴器半联轴器轴颈轴颈轴身轴身轴头轴头轴颈轴颈轴身轴身轴头轴头轴承盖轴承盖轴承盖轴承盖典型轴系结构典型轴系结构第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案（一）轴上零件的装配方案: 一般应考虑一般应考虑拟定拟定几种不同方案，进行分析比较后再选择。几种不同方案，进行分析比较后再选择。第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题（一）轴上零件的装配方案（续）（一）轴上零件的装配方案（续）: 1 轴端挡圈轴端挡圈 2 带轮带轮 3 轴承端盖轴承端盖 4 轴承轴承 5 套筒套筒 6 键键 7 齿轮齿轮 轴的结构设计轴的结构设计第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题（二）轴上零件的定位（二）轴上零件的定位（1）轴肩和轴环）轴肩和轴环目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。目的：防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。过渡圆角过渡圆角r r定位高度定位高度h h由由组成组成1. 零件的轴向定位零件的轴向定位:第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题特点：特点：定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴定位可靠，能承受较大的轴向载荷，用于各类零件的轴 向定位和固定。向定位和固定。注意事项：注意事项：1 1）轴的过渡圆角半径）轴的过渡圆角半径r r 应小于轴上零件的倒角应小于轴上零件的倒角C C 或圆角半径或圆角半径R R；表；表11-511-52 2）轴环宽度）轴环宽度b b b b 1.4h 10 mm1.4h 10 mm第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题3 3）轴肩轴）轴肩轴 环高度环高度h h定位轴肩：定位轴肩：高度高度hC(hC(或或R) ,R) ,通常取通常取h=（0.070.1）d 或或h=R（C）+(0.52)mm滚动轴承：滚动轴承：轴肩高度轴肩高度 轴头长度轴头长度l，取，取l = B -= B -（2 23 3）mmmm第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题（3）轴端挡圈）轴端挡圈常与轴肩或锥面联合使用，固定零件常与轴肩或锥面联合使用，固定零件 稳定可靠，稳定可靠， 能承受较大的轴向力。能承受较大的轴向力。注意：注意：轮毂宽度轮毂宽度BB轴头长度轴头长度l ，取l = B- （23）mm第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计三、结构设计中应考虑的主要问题三、结构设计中应考虑的主要问题（4）圆锥面）圆锥面装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性装拆方便，可兼作周向固定。宜用于高速、重载及零件对中性 要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。要求高的场合。只用于轴端，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。第三节第三节 轴的结构设计轴的结构设计