1、 11.1 概述1.轴的作用轴的作用轴的主要功用是轴的主要功用是支承旋转零件支承旋转零件（例如齿轮、蜗（例如齿轮、蜗轮等）、传递运轮等）、传递运动和动力。动和动力。圆锥齿轮二级减圆锥齿轮二级减速器速器.flv.flv 一级减速器一级减速器.flv.flv2.轴的类型轴的类型（1 1）按照承受载荷的不同，轴可分为：）按照承受载荷的不同，轴可分为：转转 轴轴同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。心轴心轴只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。传动轴传动轴只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。只承受弯矩作用只承受弯矩
2、作用的轴称为心轴，的轴称为心轴，如图所示的火车如图所示的火车轮轴。轮轴。火车轮轴火车轮轴心轴工作时仅心轴工作时仅承受弯承受弯矩而不传递转矩，矩而不传递转矩，如如自行车轴。自行车轴。传动轴传动轴 则只传递转矩而不承受弯矩，如汽车中联则只传递转矩而不承受弯矩，如汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。接变速箱与后桥之间的轴。转轴转轴 工作时既承受弯矩又承受转矩，如减速器工作时既承受弯矩又承受转矩，如减速器中的轴。中的轴。2.2.按结构形状分按结构形状分 根据轴线的形状的不同，轴又可分为直轴、曲轴和直轴、曲轴和挠性钢丝轴。挠性钢丝轴。曲轴和挠性钢丝轴属于专用零件。直轴按外形不同又可分为 光轴和阶梯轴。光轴：
3、形状简单，应 力集中少，易加工，但轴上零件 不 易装配和定位，常用于心轴和传动轴。阶梯轴：各轴段截面的直径不同，这种设计使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件的装拆和固定，因此阶梯轴在机器中的应用最为广泛。直轴一般都制成实心轴，但为了减少重量或为了满足有些机器结构上的需要，也可以采用空心轴。曲轴曲轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴 1.1.轴的设计要求轴的设计要求 （1 1）结构设计要）结构设计要求轴应具有合理求轴应具有合理的结构形状和尺的结构形状和尺寸。寸。（2 2）工作能力要）工作能力要求轴应具有足够求轴应具有足够的疲劳强度，对的疲劳强度，对于某些特殊用途于某些特殊用途的轴，还应有刚的轴，还应有刚度、振
4、动稳定性度、振动稳定性等方面的要求等方面的要求 11.1.3 11.1.3 轴设计的要求和步骤轴设计的要求和步骤 转轴设计程序框图转轴设计程序框图 2.2.轴的设计步骤轴的设计步骤 下图为转轴设计程序框图，其他下图为转轴设计程序框图，其他类型轴的设计步骤与此类似，其中类型轴的设计步骤与此类似，其中结构设计与验算工作能力往往是交结构设计与验算工作能力往往是交叉进行的，也是最重要的两步。叉进行的，也是最重要的两步。长期承受交变应力作用下的长期承受交变应力作用下的疲劳破坏疲劳破坏是轴的主要失效形式。是轴的主要失效形式。因此，轴的材料要求具有较好的强度、韧性，与轴上零件有因此，轴的材料要求具有较好的强
5、度、韧性，与轴上零件有 相相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。（1 1）碳素钢碳素钢 工程中广泛采用工程中广泛采用3535、4545、5050等优质碳素钢等优质碳素钢 对于轻载和不重要的轴也可采用对于轻载和不重要的轴也可采用Q235Q235、Q275Q275等普通碳素钢。等普通碳素钢。（2 2）合金钢合金钢 常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴，常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴，有较高的力学性能，但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设有较高的力学性能，但价格较贵，对应力集中敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力集中。计时必须尽量减少应力集中。
6、（3 3）球墨铸铁球墨铸铁 耐磨、价格低，但可靠性较差，一般用于形状复杂耐磨、价格低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴的轴11.2 11.2 轴的材料轴的材料11.3 轴的结构设计轴的结构设计11.3.111.3.1轴上各段的名称轴上各段的名称 轴通常由轴通常由 轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何及不装任何零件的轴段零件的轴段轴身轴身等部分组成等部分组成。bDhrRdDhCrd11.3 轴的结构设计 零件在轴上的轴向定位要准确而可靠，以使其安装位置确定，能承受轴向力而不产生轴向位移。轴肩由定位面和内圆角组成轴的结构和形状取决于轴的结构和形状取决于：o 轴的毛坯
7、种类轴的毛坯种类o 轴上作用力的大小及分布情况轴上作用力的大小及分布情况o 轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的方法方法o 轴承的类型、尺寸和位置轴承的类型、尺寸和位置o 轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求11.3 轴的结构设计轴的强度、刚度 轴的强度与工作应力的大小和性质有关。因此在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面：使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。11.3 轴的结构设计尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。rba)减载槽b)中间环r30c)凹切圆角11.3
8、轴的结构设计改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。输入T1+T2T1T2T1T2输入改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。11.3 轴的结构设计图13.12 卷筒的轮毂结构MmaxMmax11.3 轴的结构设计11.3 轴的结构设计11.3.2轴的结构设计中需重点解决的问题轴的结构设计中需重点解决的问题周向固定周向固定 为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴上零件为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴上零件的周向固定必须可靠。常用的周向固定方法有的周向固定必须可靠。常用的周向固定方法有键、花键、销键、花键、销和和过盈配过盈配合合等联接。等联接。1.零件在轴上的固
9、定零件在轴上的固定bDhrRdDhCrd11.3 轴的结构设计轴向固定 零件在轴上的轴向定位要准确而可靠，以使其安装位置确定，能承受轴向力而不产生轴向位移。轴肩由定位面和内圆角组成11.3 轴的结构设计11.3 轴的结构设计用轴肩或轴环固定零件时，常需采用其他附件来防止零件用轴肩或轴环固定零件时，常需采用其他附件来防止零件向另一方向移动。向另一方向移动。11.3 轴的结构设计当轴向力不大而轴上零件间的距离较大时，可采用弹性挡圈固定。11.3 轴的结构设计当轴向力很小，转速很低或仅为防止零件偶然沿轴向滑动当轴向力很小，转速很低或仅为防止零件偶然沿轴向滑动时，可采用紧定螺钉固定。时，可采用紧定螺钉
10、固定。11.3 轴的结构设计2.轴的加工和装配工艺性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 轴承的拆卸 11.4 轴的工作能力计算11.4.1 轴的扭转强度计算这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在作轴的结构
11、设计时，通常用这种方法初步估算轴径。实心轴的直径为：实心轴的直径为：33 2.01055.9 2.063nPCnPTdT 2.01055.936NdPWTT轴的扭转强度条件为轴的扭转强度条件为为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有一个键槽有两个键槽有两个键槽轴径轴径d100mm轴径增大轴径增大3%轴径增大轴径增大7%轴径轴径d100mm轴径增大轴径增大5%7%轴径增大轴径增大10%15%11.4 轴的强度计算11.4.2 轴的弯扭合成强度计算危险截面需要强度校核危险截面需要强度校核建立力学模型建立力学模型具体计算步骤具体计算步骤 完
12、成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷（转矩和弯矩）的大小、方向、作用点、载荷种类及支点反力等就已确定可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中点上。11.4 轴的强度计算计算步骤（1）画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面 分力，并求出水平面和垂直面的支点反力。（2）分别作出水平免的弯矩图和垂直免上的弯矩图（3）计算出合成弯矩 绘出合成弯矩图22VhMMM（4）作出转矩（T）图（5）计算当量弯矩 ，绘出当量弯矩图22aTMMe
13、（6）校核危险截面的强度。1.0)(1322beedTMWM13.3 轴的强度计算（1 1）安装时，要严格按照轴上零件的先后顺序进行，注意保）安装时，要严格按照轴上零件的先后顺序进行，注意保证安装精度。证安装精度。（2 2）安装结束后，要严格检查轴在机器中的位置以及轴上）安装结束后，要严格检查轴在机器中的位置以及轴上零件的位置，并将其调整到最佳工作位置，同时轴承的游隙零件的位置，并将其调整到最佳工作位置，同时轴承的游隙也要按工作要求进行调整。也要按工作要求进行调整。（3 3）在工作中，尽量使轴避免承受过量载荷和冲击载荷，）在工作中，尽量使轴避免承受过量载荷和冲击载荷，并保证润滑，从而保证轴的疲
14、劳强度并保证润滑，从而保证轴的疲劳强度.11.5 轴的使用与维护 轴若使用不当，没有良好的维护，就会影响其正常工作，甚至产生意外损坏，降低轴的使用寿命。因此，轴的正确使用和良好的维护，对轴的正常工作及保证轴的疲劳寿命有着很重要的意义11.5.1 轴的使用（1）认真检查轴和轴上零件的完好程度，若发现问题应及时维修或更换。轴的维修部位主要是轴颈及轴端 对精度要求较高的轴，在磨损量较小时，可采用电镀法在其配合表面镀上一层硬质合金层，并磨削至规定尺寸精度 对尺寸较大的轴颈和轴端，还可采用热喷涂（或喷焊）进行修复。（2）认真检查轴以及轴上主要传动零件工作位置的准确性、轴承的游隙变化并及时调整 （3）轴上
15、的传动零件（如齿轮、链轮等）和轴承必须保证良好的润滑。11.5.2 11.5.2 轴的维护轴的维护13.3 轴的强度计算13.3.3 轴的强度计算轴的计算51.轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度条件为 挠 度 yy 偏转角 2轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转刚度以扭转角来度量。轴的扭转刚度条件为 y和分别为轴的许用挠度及许用偏转角。轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。13.4 轴的材料及选择碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。合金钢比碳钢有更高的力学性能和
16、更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。轴的概述3轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。轴的常用材料及其部分机械性能（见下页）高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。13.4 轴的材料及选择13.5 轴的设计类比法设计计算法根据轴的工作条件，选择与其相似的轴
17、进行类比及结构设计，画出轴的零件图。根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。按扭转强度估算出轴的最小直径。设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。包括根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式；确定各轴段的直径；确定各轴段的长度根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角等尺寸按弯扭合成进行轴的强度校核。修改轴的结构后再进行校核计算。绘制轴的零件图13.6 轴毂联接常用的轴毂联接有键联接、花键联接等。13.6.1 键联接 轴毂联接主要是用来实现轴和轮毂之间的周向固定并用来传递运动和扭矩键联接1 平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面
18、的挤压来传递扭矩，故定心性较好。普通平键应用极为广泛。轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。1平键联接普通平键导向平键和滑键根据用途，平键又可分为13.6 轴毂联接普通平键普通平键按端部形状的不同可分为圆头（A型）、方头（B型）、半圆头（C型）三种，具体结构如下图：点击查看三维图A型C型B型13.6 轴毂联接导向平键和滑键导向平键和滑键用于动联接。当轮毂需要在轴上沿轴向移动时可采用这种键联接。当被联接零件滑移距离较大时，宜采用滑键。导向平键滑 键点击查看三维图13.6 轴毂联接平键的尺寸13.6 轴毂联接平键的失效 平键联接工作时的主要失效形式为组成联接的键、轴和轮毂
19、中强度较弱材料表面的压溃，极个别情况下也会出现键被剪断的现象。通常只须按工作面上的挤压强度进行计算。键被剪断 平键联接的受力情况如图所示。假设载荷沿键的长度方向是均布的，平键联接的挤压强度条件为13.6 轴毂联接 导向平键联接的主要失效形式为组成键联接的轴或轮毂工作面部分的磨损，须按工作面上的压强进行强度计算，强度条件为4jyjydhlT4pdhlTp13.6 轴毂联接2半圆键联接 键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端与轮毂的联接。3.楔键联接13.6 轴毂联接楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100 的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。普通楔键勾头楔键观看楔键的安装4切向键由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120135角的两个键。13.6 轴毂联接13.6 轴毂联接观看花键的安装5花键联接由轴和轮毂孔沿四周方向均部的多个键齿构成的联接称谓花键联接。花键的标记为：N（键数）d（小径）D（大径）B（键槽宽）指状铣刀铣键槽圆盘铣刀铣键槽导向平键联接滑键联接楔键联接切向键联接花键联接
