轴的设计
机械设计-轴
第十三章 轴 轴设计的基本要求： 1、轴与轴上零件要有准确的相对位置,轴向、 周向定位可靠；
17
2、轴的加工、装配有良好的工艺性； 3、受力合理,轴结构有利于提高轴的强度和刚 度、减少应力集中；
第十三章 轴
18
一、轴上零件的轴向定位和固定
零件轴向定位的方式常取决于轴向力的大小
h h h
1.轴肩和轴环 要求： r＜C＜h r＜R＜h h=(0.07～0.1)d b=1.4h
第十三章 轴
34
四、阶梯轴的结构设计实例分析
F
等强度 1、拟定轴上零件装配方案 轴颈：装轴承处
阶梯轴
尺寸= 轴承内径； 直径与轮毂内径相当；
组成 轴头：装轮毂处
轴身：联接轴颈和轴头部分。
第十三章 轴
35
第十三章 轴
36
装配方案的比较：
第十三章 轴
37
例题：指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘 出改进后的结构图。 1.轴两端均未倒角；
3
Fa Ft tg 1960 tg12o 417N
d 118 3 4 / 130 36.78mm
考虑到联轴器的影响以及联轴器孔径系 列标准，取d=38mm
第十三章 轴 3. 齿轮上作用力的计算
50
T 9.55 106 4 / 130 294 103 Nmm
Ft 2T / d 2 29410 / 300 1960N
2.齿轮右侧未作轴向固定； 3.齿轮处键槽太短； 5.左轴承无法拆卸； 6.齿轮与右轴承装卸不便； 7.轴端挡圈未直接压在轴 端轮毂上。
4.键槽应开在同一条直线上；
第十三章 轴 轴系结构改错
38
四处错误
轴的设计、计算、校核
轴得设计、计算、校核以转轴为例,轴得强度计算得步骤为:一、轴得强度计算1、按扭转强度条件初步估算轴得直径机器得运动简图确定后,各轴传递得P与n为已知,在轴得结构具体化之前,只能计算出轴所传递得扭矩,而所受得弯矩就是未知得。
这时只能按扭矩初步估算轴得直径,作为轴受转矩作用段最细处得直径dmin,一般就是轴端直径。
根据扭转强度条件确定得最小直径为:(mm)式中:P为轴所传递得功率(KW)n为轴得转速(r/min)Ao为计算系数,查表3若计算得轴段有键槽,则会削弱轴得强度,此时应将计算所得得直径适当增大,若有一个键槽,将d min增大5％,若同一剖面有两个键槽,则增大10％。
以dmin为基础,考虑轴上零件得装拆、定位、轴得加工、整体布局、作出轴得结构设计。
在轴得结构具体化之后进行以下计算。
2、按弯扭合成强度计算轴得直径l)绘出轴得结构图2)绘出轴得空间受力图3)绘出轴得水平面得弯矩图4)绘出轴得垂直面得弯矩图5)绘出轴得合成弯矩图6)绘出轴得扭矩图7)绘出轴得计算弯矩图8)按第三强度理论计算当量弯矩:式中:α为将扭矩折合为当量弯矩得折合系数,按扭切应力得循环特性取值:a)扭切应力理论上为静应力时,取α=0、3。
b)考虑到运转不均匀、振动、启动、停车等影响因素,假定为脉动循环应力,取α=0、59。
c)对于经常正、反转得轴,把扭剪应力视为对称循环应力,取α=1(因为在弯矩作用下,转轴产生得弯曲应力属于对称循环应力)。
9)校核危险断面得当量弯曲应力(计算应力):式中:W为抗扭截面摸量(mm3),查表4。
为对称循环变应力时轴得许用弯曲应力,查表1。
如计算应力超出许用值,应增大轴危险断面得直径。
如计算应力比许用值小很多,一般不改小轴得直径。
因为轴得直径还受结构因素得影响。
一般得转轴,强度计算到此为止。
对于重要得转轴还应按疲劳强度进行精确校核。
此外,对于瞬时过载很大或应力循环不对称性较为严重得轴,还应按峰尖载荷校核其静强度,以免产生过量得塑性变形。
机械设计中轴知识点总结
机械设计中轴知识点总结一、轴的基本概念1. 轴的定义轴是一种用来传递动力或转动的机械零件，通常是长条状的。
它一般沿着自己的中心线旋转，用于传递扭矩或者旋转运动。
2. 轴的作用轴能够传递动力和扭矩，使得旋转运动得以实现。
在机械设计中，轴承着重要的作用，它能连接两个或多个旋转部件，并实现传递动力的功能。
3. 轴的分类按材料分：常见的轴材料有铸铁、不锈钢、合金钢、铜和铝等。
按形状分：轴的形状多种多样，圆轴、方轴、六角轴等。
按功能分：传动轴、支承轴、定位轴等。
二、轴的设计与制造1. 轴的设计轴的设计需要考虑到所承受的力、转矩、转速等因素。
通过对使用条件的分析，可以确定轴材料、直径、长度等参数，然后进行轴的结构设计。
2. 轴的制造轴的制造通常采用车削、镗削、铣削、切削等工艺。
根据设计要求选择合适的材料和加工工艺，保证轴的精度和表面质量。
三、轴的安装与配合1. 轴的安装轴的安装通常需要使用轴承或套筒来实现。
在安装时应注意轴与轴承或套筒的配合，保证旋转灵活、无卡滞现象。
2. 轴的配合轴的配合包括干涉配合、过盈配合和间隙配合等。
不同的轴配合方式适用于不同的使用条件，需要根据具体情况进行选择。
四、轴的校核与维护轴的校核通常包括强度校核、刚度校核和动态平衡校核等。
通过对轴的受力分析，计算轴的应力、变形等参数，保证轴的工作可靠。
2. 轴的维护轴的维护包括润滑、防锈、定期检查等。
通过定期的维护，可以延长轴的使用寿命，减少因轴损坏带来的损失。
五、轴的材料选择1. 钢由于钢具有良好的机械性能，耐磨性和刚性，是制造轴的常用材料之一。
2. 不锈钢不锈钢轴具有较好的抗腐蚀性能，适用于一些特殊用途的轴。
3. 铜铜其具有优异的导热性和导电性，在一些特殊应用场合中也会用作轴的材料。
4. 铝合金铝合金轴具有较低的密度，适用于要求轴轻质、高速转动的场合。
六、轴的设计注意事项1. 受力分析在轴的设计过程中，需要对轴的受力进行合理分析，确定受力的作用方向和大小。
轴的结构设计,轴的强度计算,轴的刚度计算
详见 P311 图16.3
16.2 轴的结构设计
轴肩处
r C或R 定位轴肩h 3 ~ 5mm，但 C或R 采用套筒、轴端挡圈、 圆螺母处： l轴 B轮
➢ 轴肩由定位面和内圆角组成
b
D h
d D
h C d
k、k 弯矩和转矩作用的有效 应力集中系数 (见附录表1、2， 配合零件的综合影响系 数见附录表3)
16.3 轴的强度计算
a、 a
a
a弯bb 曲和((扭bb 转WMWM应)力) 幅，
MPa；
b b
m、 m 弯曲和扭转平均应力， MPa；
m 0
m
2
表面状态系数（附录表 4及5）；
bmax b
16.2 轴的结构设计
2.轴上零件的周向固定 常用的周向固定方法有键、花键、成形、弹性环、销和过
盈配合等联接。
配合处＋键可传递较大T 配合处设置大倒角 装方便（对中性 ）
16.3 轴的强度计算
设计思路： (1)类比定结构 必要校核计算 (2)强度计算为依据 逐步结构细化（设计， 节约材料） 轴的强度计算主要由三种方法（据轴受载及对安全要求） （1）按许用切应力计算 （2）许用弯曲应力计算； （3）安全系数校核计算。 16.3.1 按许用切应力计算 1.应用（仅与T有关） (1)传动轴计算（主要T） (2)需初步结构化的转轴（只知T）
现在，又开发了一种可更换式主轴 系统， 具有一 机两用 的功效 ，用户 根据不 同的加 工对象 选择使 用，即 电主轴 和镗杆 可相互 更换使 用。这 种结构 兼顾了 两种结 构的不 足，还 大大降 低了成 本。是 当今卧 式镗铣 床的一 大创举 。电主 轴的优 点在于 高速切 削和快 速进给 ，大大 提高了 机床的 精度和 效率。
轴设计的主要内容和轴的设计步骤
轴设计的主要内容和轴的设计步骤轴设计是机械设计中十分重要的一部分，它直接关系到机械系统的性能和寿命。
轴的设计需要考虑多方面因素，包括载荷、转速、材料强度和刚度等。
在进行轴设计时，一般可以遵循以下步骤：步骤一：确定轴的基本参数在开始设计之前，需要明确轴的功能和使用要求，并确定关键参数，包括轴的类型、长度、直径等。
此外，还要考虑系统的使用条件，如载荷、转速、工作环境等。
步骤二：选择材料材料的选择是轴设计非常重要的一部分。
要选择合适的材料，需要考虑载荷、转速、工作温度等因素。
通常，常用的轴材料有碳钢、合金钢、不锈钢和铝合金等。
步骤三：计算载荷根据轴所承受的载荷，可以进行静力学和强度学的计算。
静力学计算主要包括转矩、弯矩和扭矩等，而强度学计算则包括轴的强度和刚度等。
步骤四：计算尺寸在计算尺寸时，需要根据载荷和材料的强度来确定轴的直径。
直径的选择要满足强度和刚度要求，并考虑到材料的废料和经济性。
步骤五：计算转速转速是轴设计中的重要参数之一。
要保证系统的正常运行，需要根据转速和轴材料的强度来选择合适的直径和材料。
步骤六：进行验算设计完成后，还需进行验算，包括强度验算、刚度验算等。
强度验算主要是对轴的强度进行验证，以确保它能够承受所需的载荷。
而刚度验算主要是对轴的刚度进行验证，以满足系统运动的要求。
步骤七：进行优化根据验算结果，进行必要的优化。
可以通过增加轴的直径、改变材料或者增加支撑点等来改善轴的性能。
步骤八：绘制图纸设计完成后，需要绘制详细的轴图纸。
图纸上应包含轴的主要尺寸、材料、工艺要求等。
步骤九：选择工艺在轴设计完成后，还需要选择合适的工艺进行制造。
常用的轴制造工艺包括铸造、锻造、机械加工等。
轴设计的主要内容包括确定轴的基本参数、选择合适的材料、计算载荷、计算尺寸、计算转速、进行验算、进行优化、绘制图纸以及选择合适的制造工艺。
通过这些步骤，可以设计出满足系统要求的轴，确保机械系统的正常运行。
机械设计第15章轴
轴的尺寸和公差对于安装和使用的准确性 至关重要。
轴与轴套之间的配合对于减小磨损和提高 工作效率非常重要。
轴的强度计算
1
受弯强度
根据轴的几何形状和材料弯曲的强度
扭转强度
2
工程计算。
根据扭矩和轴直径计算轴的扭转强度。
3
受压强度
计算轴在受到压缩力时的强度。
轴的选材原则
1 强度
根据所需强度和负荷条件选择材料。
机械设计第15章轴
轴是机械设计中重要的组件之一，它承受着传递功率和运动的重要任务。本 章将介绍轴的定义、作用以及相关的设计要素和计算方法。
轴的定义和作用Leabharlann 1 定义2 作用轴是一种旋转零件，通常为圆柱形，在机 械中用于传递力和运动。
轴将两个或多个旋转零件连接在一起，传 递动力和承载负载。
轴的分类
按用途分类
3 耐蚀性
在有腐蚀性环境中选择耐蚀性材料。
2 硬度
根据工作环境选择合适的材料硬度以提高 耐磨性。
4 成本
综合考虑材料成本及可用性选择合适的材 料。
轴的制造工艺
1 车削
2 热处理
利用车床和刀具将轴的外形和尺寸加工至 工程要求。
通过热处理工艺改变材料的组织和性能。
3 表面处理
4 装配和检验
对轴进行镀铬、镀锌等表面处理以提高其 耐腐蚀性和装饰性。
传动轴、支撑轴、定位轴等。
按制造材料分类
钢制轴、铜制轴、铝制轴、复合材料轴等。
按工作环境分类
常温轴、高温轴、低温轴、湿环境轴等。
按形状分类
圆轴、方轴、花键轴等。
轴的设计要素
1 刚度
2 强度
轴的刚度对于传递正常工作负荷至关重要。
轴 的 设 计
圆螺母
可承受较大轴向力 螺纹处应力集中较大 两零件的间距较大时，可用圆螺母定位 防松措施
2～3
弹性挡圈、紧钉螺钉、锁紧挡圈
可承受不 大轴向力
锁 紧 挡 圈
弹 性 挡 圈
紧 钉 螺 钉
圆 锥 面 定 位
机械设计基础
②确定各轴段的直径。如下图所示，轴段①（外伸端） 直径最小，d１＝35mm；
考虑到要对安装在轴段①上的联器进行定位， 轴段②上应有轴肩，同时为能很顺利地在轴段②上 安装轴承，轴段②必须满足轴承内径的标准，故取 轴段②的直径d２=40mm；
用相同的方法确定轴段③、④的直径d３＝ 45mm、d４＝55mm；为了便于拆卸左轴承，可 查出6208型滚动轴承的安装高度为35mm，取d５ ＝47mm。
③确定各轴段的长度。齿轮轮毂宽度为60mm， 为保证齿轮固定可靠，轴段③的长度应略短于齿轮轮 毂宽度，取为58mm；为保证齿轮端面与箱体内壁不 相碰，齿轮端面与箱体内壁应留有一定的间距，取该 间距为15mm；为保证轴承安装在箱体轴承座孔中（ 轴承宽度为18mm），并考虑到轴承的润滑，取轴承 端面距箱体内壁的距离5mm，所以轴段④的长度取为 20mm，轴承支点距离d＝118mm；
根据箱体结构及联轴器距轴承盖要有一定距离的 要求，取d′＝75mm；查阅有关的联轴器手册取d″为 70mm；在轴段①③上分别加工出键槽，使两键槽处 于同一圆柱母线上，键槽的长度比相应的轮毂宽度小 约5～10mm，键槽的宽度按轴段直径查手册得到。
④选定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽 等的尺寸。按设计结果画出结构草图，如上图 所示。
解： （１）选择轴的材料，确定许用应力。由已知条件 知减速器传递中小功率，对材料无特殊要求，故选 用４５钢并经调质处理。由表10.4查得强度极限σs ＝６５０MPa，由表10.2得许用弯曲应力［σ－１］ ＝６０MPa。
轴的设计
1.轴的用途及分类轴是组成机器的主要零件之一。
一切作回转运动的传动零件（例如齿轮，涡轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。
因此轴的主要功用是支承回转零件及传递运动的动力。
按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心咒和传动轴三类。
工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。
这类轴在各种机器中最为常见。
只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。
心轴又分为转动心轴和固定心轴。
只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。
轴还可按照轴线形状的不同，分为曲轴和直轴。
曲轴通过连杆可以将旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换。
直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。
光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配及定位；阶梯轴则正好与光轴相反。
因此光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则常用于转轴。
直轴一般都制成实心的。
在那些由于机器结构的要求而需在轴中装设其他零件或者减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。
在空心轴内径与外径的比值通常为0.5~0.6，以保证轴的刚度及扭转稳定性。
此外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴，它是由多组钢丝分层卷绕而成的，具有良好的挠性，可以把回转运动灵活的传到不开敞的空间位置。
2.轴设计的主要内容轴的设计也和其他零件的设计相似，包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。
轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。
轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。
因此，轴的结构设计是轴设计中的重要内容。
轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。
多数情况下，轴的工作能力取决于轴的强度。
这时只需要对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。
而对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力很大的细长轴，还应进行刚度甲酸，以防止工作时产生过大的弹性变形。
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11.2 轴的初步估算
在作轴的结构设计时，通常用轴的扭转强度来初步估算轴 的直径。满足扭转强度条件为：
P 9550 10 T n [ ] T T WT 0.2d 3
3
T
扭转剪应力，T 轴传递的扭矩， WT 为轴的抗扭截面系数，
WT
d3
16
0.2d 3
[ T ]为许用扭转剪应力
11.1 概述
轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
11.1.1 轴的分类 按照承受载荷的不同，轴可分为： 转 轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。 传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。
心 轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。 按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。
价格比碳素钢贵 注意 刚度与碳素钢相同 (两者弹性模量 E 相近)
我国Cr、Ni 资源少，尽量用代用钢种 (如40MnB机械性能接近40Cr)
11.1.3 轴的材料
(3) 球墨铸铁 以铁代钢
特点 吸振性、耐磨性好 对应力集中敏感性较小 可以做成复杂形状 价廉
冲击韧性低、质量不易控制 毛坯
圆钢棒料 焊接毛坯 铸造毛坯 尺寸小的轴 大件锻造困难 形状复杂的轴、空心轴等
Q235，20 11-20 158～134
[ T ]MPa
A
如果在该处有键槽，则应考虑削弱轴的强度。 d>100mm，若有一个键槽，d值应增大3％；若有两个键槽， d值应增大7％ 。 d<=100mm，若有一个键槽，d值应增大5-7％；若有两个键 槽，d值应增大10-15％.
11.2 轴的初步估算
阶梯轴
实心轴
空心轴
按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。 曲轴
曲轴
钢丝软轴
轴上各段的名称
轴通常由轴头、轴颈、 轴肩、轴环、轴端及不装任 何零件的轴段等部分组成。 转轴的结构： 可分为三部分 轴头：装传动零件的轴段（带 轮、链轮、齿轮、蜗轮）；
轴颈：装轴承的轴段；
轴身：连接轴头和轴颈的轴段。
提高轴强度的结构措施
轴的结构设计：
根据装配、加工、受力等具体要求，合理定出 轴的形状和各部分结构尺寸。
轴的工作能力计算
设计轴时主要应满足轴的强度和结构的要求； 对刚度要求较高的轴，主要应满足刚度的要求； 对一些高速机械的轴，要考虑满足振动稳定性的要求；
11.1.3 轴的材料 由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多 为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的 应力集中敏感性和良好的加工特性。 (1) 碳素钢
轴上零件要有准确的工作位置（定位）；
轴上零件要易于装拆（制造、装拆要求）； 各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）； 轴应便于加工。
如何衡量结构设计好坏？
•
值得指出的是：同一工作要求的轴，其 结构设计的结果具有多样性，不同的轴上 零件的装配方案以及轴的不同加工工艺等， 都将得出不同的轴的结构型式，不存在什 么“标准答案”。 • 衡量结构设计好坏的主要依据是： • 1）轴和装在轴上的零件是否有准确的工作位 置。 • 2）轴上的零件是否便于装拆和调整。 • 3）轴是否具有良好的制造工艺性。
轴系零部件设计
轴系零部件：轴、轴承、连轴器、离合器和制动器等
都是机械系统中传递回转运动的零部件，轴和轴承、连轴
器、离合器、制动器等都有紧密的联系，其性能也互有影
响，故统称为轴系零部件。
第11章
轴的设计
§11.1 概述
§11.2 轴的初步估算
§11.3 轴的结构设计 §11.4 轴的强度计验算 §11.5 轴的设计实例分析
直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。
轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如 航空发动机的主轴。 除了刚性轴外，还有钢丝软轴（挠性轴），可以把回 转运动灵活地传到不开敞地空间位置。
转轴
传动轴
固定心轴
自行车 前轮轴
前叉
前轮轮毂 固定心轴
转动心轴
车厢重力
转动心轴
支撑反力 火车轮轴
直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。 直轴 光轴
轴的设计步骤
选材 初定轴的最小直径 轴的结构设计 轴的强度计算 轴的刚度计算 轴的承载能力计算 轴的稳定性计算 轴上零件的定位和固定 加工和装配的工艺性
提高轴强度的结构措施
轴的结构设计主要解决的问题是：
1、轴上零件的装配方案 2、轴上零件的周向定位和轴向定位
2、按经验公式估算
对一般减速器装置中的轴，可用经验公式来估算轴的最小 直径。
对于高速级输入轴的最小直径可按与其相连的电动机轴径D 估算。
d (0.8 ~ 1.2) D
相应各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距a估算。
d (0.3 ~ 0.4)a
11.3 轴的结构设计
当用初步估算求得轴的最小轴径后，即可进行轴的结构设 计。轴的结构设计的目的，主要是确定轴的合理外形和全部结 构尺寸。 其主要要求是：
优质碳素钢：35、45、50等 45钢使用最广泛
普通碳素钢：Q235A等 特点 强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好 应力集中敏感性小 热处理后提高耐磨性、疲劳强度
11.1.3 轴的材料 (2) 合金钢 用于高速、重载、较重要的轴 常用40Cr、40MnB、20CrMnTi等 特点 强度和淬火性比碳素钢好 对应力集中敏感性较大
满足扭转强度条件轴径计算式为：
9.55 106 d3 0.2[ T ]
3
P P 3 A n n
11.2 轴的初步估算
9.55 106 d3 0.2[ T ]
轴的材料
3
P P 3 A n n
Q275，35 20-30 134～117
A是由轴的材料和承
载情况确定的常数。 45 30-40 117～106 40Cr, 35SiMn, 42SiMn,38SiMn 40-52 106～97
轴端 轴头
轴颈 轴身
轴头
轴的结构和形状取决于：
轴的毛坯种类 轴上作用力的大小及分布情况 轴上零件的位置、配合性质以 及联结固定的方法 轴承的类型、尺寸和位置 轴的加工方法、装配方法以及 其他特殊要求 轴端 轴头 轴颈 轴身 轴头
11.1.2 轴的设计准则
轴的设计步骤
选材 初定轴的最小直径 轴的结构设计 轴的强度计算 轴的刚度计算 轴的承载能力计算 轴的稳定性计算 轴上零件的定位和固定 加工和装配的工艺性