1、 12-1 概述 12-2 轴的结构和材料 12-3 轴的计算基本要求基本要求:了解转轴、心轴和传动轴的载荷的特点了解转轴、心轴和传动轴的载荷的特点掌握轴的结构设计的方法，熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法，明掌握轴的结构设计的方法，熟悉轴上零件的轴向和周向定位方法，明确轴的结构设计中应注意的问题确轴的结构设计中应注意的问题掌握轴的三种强度计算方法掌握轴的三种强度计算方法了解轴的刚度计算方法了解轴的刚度计算方法本章特点：本章特点：轴的设计过程是结构设计与强度轴的设计过程是结构设计与强度(或刚度或刚度)校核计算交替进行，逐步完校核计算交替进行，逐步完善的善的机械设计基础 轴机械设计基础 轴二、轴的
2、分类二、轴的分类1 按载荷性质分类按载荷性质分类2 按形状分类按形状分类v轴：轴：支承回转零件的零件支承回转零件的零件一、轴的功用一、轴的功用v1.支承旋转零件并传递运动和动力支承旋转零件并传递运动和动力 v2.保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置1 按载荷性质分类按载荷性质分类v心轴：心轴：只承受弯矩，不承受转矩只承受弯矩，不承受转矩v传动轴：传动轴：主要承受转矩主要承受转矩v转轴：转轴：既承受弯矩，又承受转矩既承受弯矩，又承受转矩机械设计基础 轴2 按形状分类按形状分类v直轴、曲轴、软轴直轴、曲轴、软轴机械设计基础 轴三、轴设计解决的问题三、轴设计解决的
3、问题v1、结构问题、结构问题 确定轴的形状和尺寸确定轴的形状和尺寸v2、强度问题、强度问题 防止轴发生疲劳断裂防止轴发生疲劳断裂v3、刚度问题、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形防止轴发生过大的弹性变形v4、振动稳定性问题、振动稳定性问题 防止轴发生共振防止轴发生共振机械设计基础 轴1.拟定轴上零件装配方案拟定轴上零件装配方案2.估算轴的最小直径估算轴的最小直径min3.确定各段直径及长度确定各段直径及长度4.确定轴的结构要素确定轴的结构要素轴的结构设计轴的结构设计轴的强度计算轴的强度计算其它计算其它计算1.刚度计算刚度计算2.振动稳定性计算振动稳定性计算(临界转速临界转速)1.许用切应力法许
4、用切应力法(扭转强度扭转强度)2.许用弯曲应力法许用弯曲应力法(弯扭合成强度弯扭合成强度)3.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算机械设计基础 轴一、轴的结构二、轴的材料一、轴的结构一、轴的结构机械设计基础 轴v轴肩轴肩(轴环轴环)：轴的直径轴的直径变化所形成的阶梯处变化所形成的阶梯处轴颈轴颈 轴头轴头 轴身轴身 v轴头：轴头：轴和旋转零件的配合部分轴和旋转零件的配合部分v轴颈：轴颈：轴和轴承配合的部分轴和轴承配合的部分v轴身轴身：连接轴颈与轴头部分连接轴颈与轴头部分轴的结构设计的要求轴的结构设计的要求机械设计基础 轴3.定位和固定要求：定位和固定要
5、求：v轴与轴上零件要有准确的工作位置，并牢固地保持这一位轴与轴上零件要有准确的工作位置，并牢固地保持这一位置置4.尽量减少应力集中尽量减少应力集中,改善轴的受力状态改善轴的受力状态1.制造工艺性要求：制造工艺性要求：v轴应有良好的制造工艺，便于加工轴应有良好的制造工艺，便于加工2.装拆要求：装拆要求：v轴上零件要易于装拆、调整轴上零件要易于装拆、调整1 制造工艺性要求制造工艺性要求v轴应有良好的制造工艺，便于加工轴应有良好的制造工艺，便于加工机械设计基础 轴v加工方法不同，轴的结构也可能不同加工方法不同，轴的结构也可能不同v键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽键槽应位于同一母线上；螺纹
6、退刀槽；砂轮越程槽光轴光轴 等强度轴等强度轴 阶梯轴阶梯轴 车削车削 倒角倒角 磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 2 装拆要求装拆要求机械设计基础 轴v阶梯状轴阶梯状轴轴端应有轴端应有45倒角倒角v非定位轴肩非定位轴肩(便于装配便于装配)、定位轴肩、定位轴肩(零件零件定位定位)设计轴肩时应注意设计轴肩时应注意:v轴承定位轴肩轴承定位轴肩(套筒套筒)不能过高不能过高(以便拆卸以便拆卸)v轴长应略短于轮毂宽度轴长应略短于轮毂宽度(保证零件固定保证零件固定)v轴肩圆角轮毂孔圆角轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角倒角)v轴上零件要易于装拆、调整轴上零件要易于装拆、调整v不同的装拆方案，得到不同结构不同的装拆方案，
7、得到不同结构v轴的直径应圆整成标准值轴的直径应圆整成标准值3 定位和固定要求定位和固定要求机械设计基础 轴v周向固定周向固定v轴向定位和固定轴向定位和固定v轴与轴上零件要有准确的工作位置轴与轴上零件要有准确的工作位置v定位：定位：零件有准确的工作位置零件有准确的工作位置v固定：固定：零件在轴上的位置牢固可靠零件在轴上的位置牢固可靠周向定位和固定周向定位和固定机械设计基础 轴常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：v键、花键、紧定螺钉、过盈配合等键、花键、紧定螺钉、过盈配合等v防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩轴向定位和固定轴向定位和固定机械设计基础
8、 轴常用的轴向定位和固定方法：常用的轴向定位和固定方法：v轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等v轴头长度轴头长度 轮毂的轴向长度轮毂的轴向长度v防止轴上零件工作时发生轴向蹿动防止轴上零件工作时发生轴向蹿动4 尽量减少应力集中尽量减少应力集中,改善轴的受力状态改善轴的受力状态机械设计基础 轴v改善零件位置及结构改善零件位置及结构,以改善轴的受力状态以改善轴的受力状态尽量减少应力集中：尽量减少应力集中：v轴肩处要有过渡圆角轴肩处要有过渡圆角v相邻轴径的变化不宜太大相邻轴径的变化不宜太大结构示例结构示例1机械设计基础 轴结构示例结构示例2：结构改错：结构改错机械设计基础 轴v 轴
9、承没定位轴承没定位v 轴向定位不确定轴向定位不确定v 轴承用错或装错轴承用错或装错v 无调整垫片无调整垫片v 端盖端面无凹坑加工量大端盖端面无凹坑加工量大v 无定位轴肩无定位轴肩v 端盖无密封端盖无密封v 键槽太长键槽太长v无非定位轴肩无非定位轴肩v套筒太高套筒太高二、轴的材料二、轴的材料机械设计基础 轴2.球墨铸铁球墨铸铁:v QT500-5、QT600-2v轴的材料，见表轴的材料，见表12-11.钢：钢：v碳素钢碳素钢：优质碳素钢：优质碳素钢:35、50、45 轴钢轴钢v 普通碳素钢普通碳素钢Q235、Q255、Q275v合金钢：合金钢：20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn、
10、35CrMo机械设计基础 轴一、轴的强度计算二、轴的刚度计算v轴的工作能力主要取决与强度和刚度，高轴的工作能力主要取决与强度和刚度，高速轴还要校核振动稳定性速轴还要校核振动稳定性一、轴的强度计算一、轴的强度计算机械设计基础 轴v轴的计算流程：轴的计算流程：机器的结构机器的结构轴的长度轴的长度轴上零件的位置轴上零件的位置载荷计算简图载荷计算简图力学分析力学分析简简 化化强度计算强度计算轴径轴径轴的结构设计轴的结构设计FT计算方法：计算方法：v按扭转强度计算按扭转强度计算v按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算 令其为系数令其为系数 C1 按扭转强度计算按扭转强度计算机械设计基础 轴v扭剪应力扭剪应
11、力:适用状况：适用状况：v(1)轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩）轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩）v(2)弯矩未知，按扭距作初步计算弯矩未知，按扭距作初步计算TTWT ndPdT3632.01055.916/T v设计公式设计公式:mmnPCnPTdTT333 2.01055.9 2.06 v系数系数 C 与轴的材料和承载情况有关，查表与轴的材料和承载情况有关，查表12-2注意注意:v若该轴段有一个键槽，若该轴段有一个键槽，d 值增大值增大3%;有两个键槽，增大有两个键槽，增大7%2 按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算机械设计基础 轴步骤：步骤：v绘制受力计算简图绘制受力计算简
12、图v计算所有力引起的弯矩计算所有力引起的弯矩v合成弯矩合成弯矩Mv计算扭矩计算扭矩v合成当量弯矩合成当量弯矩Mv强度条件：强度条件：适用状况：适用状况：v轴承位置以及作用在轴上的载荷性质、大小、方向和作用轴承位置以及作用在轴上的载荷性质、大小、方向和作用点已知点已知准确计算准确计算v弯、扭联合作用时，采用第三强度理论弯、扭联合作用时，采用第三强度理论22)(txrxaxMMMM 22)(TMM 1bWM 为扭为扭-弯应力性质折合系数弯应力性质折合系数3.011 bb 6.001 bb 0.111 bb 静应力静应力循环应力循环应力脉动应力脉动应力,不明确不明确弯扭合成弯扭合成设计公式设计公式机械设计基础 轴v对只承受弯矩的心轴：对只承受弯矩的心轴：v对转动心轴：对转动心轴：v对不转动心轴：对不转动心轴：v设计公式：设计公式：31.01b Md31.0bMd 1bb or 10bbb 危险截面的确定：危险截面的确定：综合轴上弯扭矩和轴直径选择一两个截面综合轴上弯扭矩和轴直径选择一两个截面二、轴的刚度计算二、轴的刚度计算机械设计基础 轴二、二、扭转刚度计算扭转刚度计算v扭角条件：扭角条件：一、弯曲刚度计算一、弯曲刚度计算v挠度条件：挠度条件：v倾角条件：倾角条件：yy
