機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)軸

§15-1軸的概述§15-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§15-3軸的計(jì)算第十五章軸§15-4軸的設(shè)計(jì)實(shí)例2概述一、軸的功用二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承旋轉(zhuǎn)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力帶式運(yùn)輸機(jī)減速器電動(dòng)機(jī)同時(shí)承受彎矩和扭矩3一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸只承受彎矩前輪輪轂固定心軸前叉自行車前輪軸4一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸只承受彎矩火車輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸5一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸傳動(dòng)軸發(fā)動(dòng)機(jī)后橋只承受扭矩6一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸傳動(dòng)軸按軸線形態(tài)分直軸7一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸傳動(dòng)軸按軸線形態(tài)分直軸曲軸8一、軸的功用概述二、軸的分類按承載狀況分轉(zhuǎn)軸支承傳動(dòng)零件傳遞運(yùn)動(dòng)和力心軸固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸傳動(dòng)軸按軸線形態(tài)分直軸曲軸鋼絲軟軸（撓性軸）9轉(zhuǎn)軸：同時(shí)承受彎矩和扭矩心軸：只受彎矩，不受扭矩固定心軸轉(zhuǎn)動(dòng)心軸傳動(dòng)軸：主要受扭矩，不受彎矩或彎矩很小概述載荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)軸彎曲扭轉(zhuǎn)單向彎曲：對稱扭轉(zhuǎn)：脈動(dòng)雙向彎曲：對稱扭轉(zhuǎn)：對稱心軸彎曲固定靜應(yīng)力或脈動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)對稱傳動(dòng)軸扭轉(zhuǎn)單向脈動(dòng)雙向?qū)ΨQ各種軸的受力10內(nèi)容工作實(shí)力的設(shè)計(jì)強(qiáng)度-----保證平安運(yùn)用剛度-----保證工作精度振動(dòng)穩(wěn)定性-----保證高速軸正常工作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)邊計(jì)算、邊畫圖、邊修改---“三邊”設(shè)計(jì)方法概述三、軸設(shè)計(jì)的內(nèi)容、特點(diǎn)11選擇材料初算軸徑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剛度計(jì)算確定軸的結(jié)構(gòu)尺寸、繪圖NY四、軸的設(shè)計(jì)步驟概述12一般用途的軸：優(yōu)質(zhì)中碳鋼--30、40、45、50次要的軸：Q235、Q255、Q275重要的軸：合金鋼耐磨性要求高：12CrNi、20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，軸頸滲碳淬火高速重載：40Cr、40CrNi、35CrMo等合金鋼，表面淬火、調(diào)質(zhì)形態(tài)困難的軸：QT600、ZG45留意：200°以下的碳鋼、合金鋼E值相差不大概述五、軸的材料13軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求內(nèi)容：確定軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸要求：軸和軸上零件要有精確的定位軸上零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整軸應(yīng)具有良好的制造工藝性結(jié)構(gòu)上要有利于提高軸的強(qiáng)度、剛度，盡量削減應(yīng)力集中有利于節(jié)約材料、減輕重量14軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)典型軸系結(jié)構(gòu)齒輪軸承蓋軸端擋圈套筒滾動(dòng)軸承聯(lián)軸器15軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬定軸上零件裝配方案軸上零件的定位各段軸直徑和長度的確定提高軸的強(qiáng)度和剛度的措施軸的結(jié)構(gòu)工藝性二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)16軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（一）擬定軸上零件裝配方案17軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)18軸肩或軸環(huán)套筒彈性擋圈圓螺母加止動(dòng)墊圈、雙圓螺母緊定螺釘、鎖緊擋圈、銷釘軸端擋圈圓錐面（二）軸上零件的定位----軸向定位軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)19軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）軸肩、軸環(huán)軸肩軸環(huán)20結(jié)構(gòu)簡潔，定位牢靠，可承受較大軸向力特點(diǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)21軸肩的尺寸要求:r<C

或

r<RDdrRDdCr或h≈(0.07~0.1)dCDdrDdrRb（與滾動(dòng)軸承相協(xié)作處的h和b值，見軸承標(biāo)準(zhǔn)）一般，定位軸肩：h(3~5）mm非定位軸肩：h(0.5~1)mm軸環(huán)寬度：b1.4hhh軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2）套筒23特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡潔,定位牢靠,用于零件間距較小場合,軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)不易選用軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡潔,只能承受很小的軸向力軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3）彈性擋圈25固定牢靠,裝拆便利,可承受較大軸向力,但螺紋對軸減弱較大.4）圓螺母加止動(dòng)墊片軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)265）雙圓螺母軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)27適用于軸向力很小,轉(zhuǎn)速很低或?yàn)榉乐沽慵既谎剌S向滑動(dòng)的場合,亦可用于周向固定6）緊定螺釘鎖緊擋圈軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)28軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)29適用于固定軸端零件特點(diǎn)7）軸端擋圈軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)30軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)31能消退軸與輪轂間的徑向間隙,裝拆較便利,對中性好,可兼作周向固定,但加工較困難8）圓錐面軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32鍵花鍵銷過盈聯(lián)接成型聯(lián)接（二）軸上零件的定位---周向定位軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)33特點(diǎn)裝拆便利，互換性好，但對軸強(qiáng)度有減弱軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1）鍵34特點(diǎn)精度要求較高，定心性好，拆裝便利，但制造需用專用設(shè)備和工具。2）花鍵軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)35圓柱銷圓錐銷只能傳遞較小扭矩,互換性好,拆裝便利,但對軸強(qiáng)度減弱較大.3）銷軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)36軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)37有協(xié)作要求的軸段留意協(xié)作零件的要求，盡量接受標(biāo)準(zhǔn)直徑；與標(biāo)準(zhǔn)件協(xié)作的軸段接受相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，例如：滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器、密封裝置，應(yīng)滿足裝配尺寸要求。非標(biāo)準(zhǔn)軸段：定位軸肩h(3~5)mm非定位軸肩h(0.5~1)mm（三）各軸段直徑的確定軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)38便于裝拆軸上零件安裝時(shí)，所經(jīng)過軸上各段直徑應(yīng)小于安裝零件輪轂直徑，以便于裝拆。滾動(dòng)軸承定位軸肩高度必需低于內(nèi)圈端面高度，以便于拆卸，具體尺寸由標(biāo)準(zhǔn)查出。39便于裝拆40主要依據(jù)：軸上零件的軸向尺寸相鄰零件之間的距離軸上零件的裝拆和軸向固定一般:輪轂長度L=(1.5~2)d轂比軸長2~3mm（四）各軸段長度的確定軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Ld2~3mm41軸肩直徑較小的一邊需磨削或車削螺紋時(shí)，須留出砂輪越程槽、退刀槽；（五）軸的結(jié)構(gòu)工藝性軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸端應(yīng)制出45o的倒角；砂輪越程槽退刀槽4542

一根軸上的圓角盡可能統(tǒng)一，退刀槽、越程槽、倒角盡量取同樣尺寸；不同軸段的鍵槽寛度盡可能一樣，并布置在同一母線上；軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸段的階梯數(shù)量要盡可能少。43Tmax=T1Tmax=T2T3T2T1T2T1T3合理不合理軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（六）提高軸的強(qiáng)度和剛度的措施1.合理布置傳動(dòng)零件位置，以減小軸上載荷輸入T1輸出T2輸出T3輸入T1輸出T3輸出T244軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.改進(jìn)軸上零件結(jié)構(gòu)，以減小軸上載荷QQ合理不合理45軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理不合理463.改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)以減小應(yīng)力集中軸結(jié)構(gòu)要盡量避開突然變更，增大過渡圓角半徑，可接受

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)r內(nèi)凹圓角隔離環(huán)47軸與輪轂為過盈協(xié)作時(shí)，協(xié)作邊緣會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，為了減小應(yīng)力集中，可在軸或轂上開卸荷槽，或加大協(xié)作部分直徑。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)48盤銑刀比端銑刀加工的鍵槽在過渡處產(chǎn)生的應(yīng)力集中?。粷u開線花鍵比矩形花鍵在齒根處的應(yīng)力集中小，設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)考慮。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)端銑刀盤銑刀4.改進(jìn)軸的表面質(zhì)量以提高軸的乏累強(qiáng)度表面強(qiáng)化處理，方法有：表面高頻淬火等熱處理；表面滲碳、氰化、氮化等化學(xué)熱處理；輾壓、噴丸等強(qiáng)化處理；合理減小軸的表面及圓角處的加工粗糙度值。49

軸的計(jì)算按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算傳動(dòng)軸初估轉(zhuǎn)軸直徑----結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)----校核次要的轉(zhuǎn)軸估算，再降低許用應(yīng)力按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算平安系數(shù)法校核計(jì)算一、軸的強(qiáng)度校核計(jì)算二、軸的剛度校核計(jì)算50---設(shè)計(jì)公式1.按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算

軸的計(jì)算一、軸的強(qiáng)度校核計(jì)算軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為：為了計(jì)及鍵槽對軸的減弱，可按以下方式修正軸徑有一個(gè)鍵槽有兩個(gè)鍵槽軸徑d＞100mm軸徑增大3%軸徑增大7%軸徑d≤100mm軸徑增大5%～7%軸徑增大10%～15%查表15-351作出軸的計(jì)算簡圖（即力學(xué)模型），求支承反力2.按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算

軸的計(jì)算軸的載荷簡化將軸上的分布載荷簡化為集中力，作用在輪轂寬度的中點(diǎn)；軸轂接受過盈協(xié)作時(shí)，由于軸的彈性變形，載荷分布要向軸的兩端集中；作用在軸上的扭矩從傳動(dòng)件輪轂寬度中點(diǎn)算起；忽視軸上零件的自重及軸承中的摩擦力。52

軸的計(jì)算FFFlaa=(0.2~0.3)l將軸上的分布載荷簡化為集中力，作用在輪轂寬度的中點(diǎn)；軸轂接受過盈協(xié)作時(shí)，由于軸的彈性變形，載荷分布要向軸的兩端集中；53軸的支承簡化

軸的計(jì)算lee與軸承的寬徑比有關(guān)54軸的計(jì)算FtFaFtFrFH2FH1MHFrFaMV1BACDFV2MHFV1’FV1MV2M1M2MVTTFV1’FV1FH1FV2FH2M=水平面受力圖水平面彎矩圖垂直面受力圖垂直面彎矩圖合成彎矩圖扭矩圖TT作出軸的計(jì)算簡圖畫出垂直面受力圖及彎矩圖MV畫出水平面受力圖及彎矩圖MH畫出合成彎矩圖M畫出扭矩圖T56校核軸的強(qiáng)度

軸的計(jì)算扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力靜應(yīng)力脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力對稱循環(huán)變應(yīng)力彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力≈0.3

≈0.６

=1a為考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力循環(huán)特性不同時(shí)的折合系數(shù)。式中[σ-1]為對稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)軸的許用彎曲應(yīng)力（可查表15-1）；571變形量的描述：撓度y、轉(zhuǎn)角

、扭角

設(shè)計(jì)要求：

y

≤[y]≤[]

≤[]

2lTTl二、軸的剛度校核計(jì)算

軸的計(jì)算yFF’F”58y過大,則:齒輪軸：偏載，破壞齒輪嚙合機(jī)床主軸：加工誤差增大電機(jī)軸：變更轉(zhuǎn)子、定子間間隙，性能降低過大，則：滾動(dòng)軸承：內(nèi)外圈偏斜，壽命降低滑動(dòng)軸承：邊緣接觸過大，則：凸輪軸：變更內(nèi)燃機(jī)配氣時(shí)間過大變形對零件的影響

軸的計(jì)算59一、軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題專題

軸系結(jié)構(gòu)分析例題各段協(xié)作直徑直應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)尺寸(GB2822—81)，而與滾動(dòng)軸承、聯(lián)軸器、油封等標(biāo)準(zhǔn)件協(xié)作的軸徑(如圖中軸的①②③⑦段)，應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)件的內(nèi)徑系列。60

軸系結(jié)構(gòu)分析例題留意兩種不同臺(tái)階的設(shè)計(jì)：一種臺(tái)階是定位用的(如圖中軸的①~②段、④~⑤段、⑥~⑦段)，這種臺(tái)階過低，定位作用差；過高，徑向尺寸和應(yīng)力集中增大，一般高度A＝(2~3)C或R(C、R分別為零件倒角和圓角半徑尺寸)。另一種臺(tái)階是為了裝配簡潔通過(如圖中軸的②~③、③~④)．這種臺(tái)階高度很小，一般在直徑方向上只差l~3mm即可。61

軸系結(jié)構(gòu)分析例題與軸上零件(如齒輪)相協(xié)作的軸段長度L，要比軸上零件的寬度尺寸B短2~3mm(見圖）軸的過渡圓角半徑r要比相協(xié)作的零件的倒角c或圓角半徑R小，這樣零件端面才能緊貼軸的臺(tái)肩，起到定位作用。為制造便利，同一根軸上的圓角半徑、倒角尺寸、中心孔尺寸等應(yīng)盡量一樣，幾個(gè)平鍵槽的對稱線均應(yīng)處于同始終線上。62

軸系結(jié)構(gòu)分析例題二、軸設(shè)計(jì)中常見錯(cuò)誤

1．軸上零件的定位和固定方面3124須要軸向定位的零件沒有軸向定位措施．軸頭沒有比與之協(xié)作的輪轂短鍵的尺寸或位置不合理，超出了輪轂長度，使其他零件無法安裝到位軸頭處沒有鍵聯(lián)接（周向定位）63

軸系結(jié)構(gòu)分析例題2．軸上零件裝拆便利方面3．加工工藝性方面一根軸上有兩處鍵聯(lián)接，而鍵槽不在軸的同一母線上1(I)軸肩高度或套簡厚度過大，超過軸承內(nèi)圈高度使軸承拆卸困難2(2)軸承處沒有工藝軸肩，使軸承裝拆路線過長，裝拆困難．3(3)軸頭處鍵的位置沒有靠近輪轂裝入端，使得輪轂裝入困難64

軸系結(jié)構(gòu)分析例題結(jié)構(gòu)分析題：指出下圖中軸系的結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤，并改正1234567(7)軸上有兩