第十二章 轴系结构设计
轴系结构设计
小白进阶篇—电机选型案例集目的：掌握轴系零件设计规范并计算校核轴的强度课程内容：1.轴的分类按所受载荷特点分三种：心轴：只承受弯矩;传动轴：只承受转矩;转轴：同时承受弯矩和转矩;按轴的结构形状分：直轴，曲轴，光轴，阶梯轴，挠性轴。
2.轴的材料碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广；一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。
合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵；多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。
如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。
球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。
例如：内燃机中的曲轴。
对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。
3.轴的结构设计合理的轴系结构必须满足下列基本要求：1）轴和轴承在预期寿命内不失效；2）轴上零件在轴上准确定位与固定，以及轴系在箱体上的可靠固定；3）轴系结构有良好的工艺性；4）好的经济性。
轴肩与轴环定位优点：方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；缺点：会使轴径增大，阶梯处形成应力集中，阶梯过多将不利于加工。
用途：这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。
注意要点：为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般轴肩定位高度取为（0.07～0.1）d ，轴环宽度b =1.4h 。
套筒定位简化轴的结构，减小应力集中，结构简单、定位可靠。
多用于轴上零件间距离较小的场合。
螺母定位固定可靠，可以承受较大的轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。
机械设计基础-----第12章 轴
转动心轴：轴转动 固定心轴：轴固定
问：火车轮轴属于什么类型？
问：自行车前轮轴属于什么类型？
传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0
如：汽车下的传动轴。
转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M）
如：减速器中的轴。
问：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？ 0 轴： 传动轴 Ⅰ轴： 转轴 Ⅱ轴： 转动心轴
表12-2 常用材料的[τT]值和C值
轴的材料 Q235-A, 20 Q275, 35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr, 35SiMn 38SiMnMo, 3Cr13
[τT](N/mm2 )
15~25
20~35
25~45
35~55
C
160~135
135~118
118~107
107~98
注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩、载荷较 平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴 只作单向旋转, [τT]取较大值， C取较小值; 否则[τT]取较小值， C取较大值。
第12章 轴
§12-1 §12-2 §12-3 §12-4 概 述
带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运 动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。 与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本 低廉等优点。
轴的结构设计 轴的计算 轴的设计实例
§12-1、概述
一、主要功用
1、支承轴上回转零件（如齿轮）
2、传递运动和动力 二、分类 1、按承载分 心轴：只承受弯曲（M），不传递转矩（T=0）
▲ 碾压、喷丸等强化处理。
通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预 压应力，从而提高轴的疲劳能力。
五、轴的结构工艺性 为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向 中间增大的阶梯状。在满足使用要求的前提下，轴的结 构越简单，工艺性越好。零件的安装次序 1. 装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有 砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。
机械设计基础 第十二章轴
3.
球墨铸铁、合金铸铁 (高强度铸铁)
价廉、吸振性好、耐磨性好，对应力集中的敏感性较低，铸造 成形，但性脆，可靠性低，品质难控制。 常用于制造外形复杂的轴，如曲轴、凸轮轴。
轴的常用材料及其主要力学特性见
轴的结构设计
12
设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。
设计要求： 1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定) 4.改善应力状况，减小应力集中。
第十二章
轴的设计
1
第一节 第二节 第三节
概述 轴的设计举例 轴的强度、刚度计算
2
本章重点：
① 轴的类型，轴的常用材料； ② 轴的结构； ③ 轴上零件的轴向定位和固定方法； 轴上零件的周向定位和固定方法；
④ 按扭转强度计算轴的直径。
轴的功用：主要用于支承传动零件 (齿轮、带轮等) 并
传递运动和动力。
越程槽和退刀槽
17
（3）为去掉毛刺，利于装配，轴端应制出45°倒角。
45°倒角 45°倒角
( 4)当采用过盈配合联结时，配合轴段的零件装入端，常加工 成半锥角为30°的导向锥面。若还附加键联结，则键槽的长度 应延长到锥面处，便于轮毂上键槽与键对中。
18
（5）如果需从轴的一端装入两个过盈配合的零件，则轴上两配 合轴段的直径不应相等，否则第一个零件压入后，会把第二个零件 配合的表面拉毛，影响配合。
一般情况下，直轴 做成实心轴，需要 减重时做成空心轴
6
轴的功用和类型
分类： 按承受载荷分有： 类 型 按轴的形状分有：
7
转轴---传递扭矩又承受弯矩
传动轴---只传递扭矩 心轴---只承受弯矩 直轴 曲轴 光轴 阶梯轴
轴系部件结构设计
轴系部件结构设计本文介绍了轴系部件结构设计的重要性，以及本文的目的和结构安排。
轴系部件结构设计是机械工程领域中重要的设计任务之一。
轴系部件是指连接和传递动力的轴、轴承、联轴器等部件。
它们的结构设计直接影响到机械设备的性能、寿命和可靠性。
良好的轴系部件结构设计能够保证机械设备的正常运转。
首先，合理设计的轴可以实现传递动力和承载负荷的功能；其次，优化设计的轴承能够减少能量损失和机械设备的故障率；还有，恰当选择的联轴器可以实现动力传递的可靠性和高效性。
本文的目的在于深入探讨轴系部件结构设计的关键要素和原则，并提供相关的设计指导。
首先，我们将介绍轴系部件结构设计的基本原则和考虑因素；然后，我们将详细讨论轴的设计要点和注意事项；接着，我们将重点介绍轴承的选择和安装方法；最后，我们将讨论联轴器的选型和安装步骤。
通过阅读本文，读者将了解到轴系部件结构设计的重要性，并可以获得实用的设计指导，以提升机械设备的性能和可靠性。
参考文献请注意，本文引言部分未引用任何内容，其信息为创造性生成）本部分将介绍轴系部件的不同分类和各自的功能。
轴系部件包括轴承、齿轮、连接件等，它们在机械系统中起着重要的作用。
1.轴承轴承是轴系部件中的重要组成部分，它用于支撑轴的旋转运动并减少摩擦。
根据结构和用途的不同，轴承可以分为滚动轴承和滑动轴承。
滚动轴承采用滚动体（如球、柱体、圆锥体）和轴承座的结构，适用于高速转动、小摩擦、高精度要求的场景。
滑动轴承则采用润滑剂在轴和轴承之间形成薄膜，减少摩擦力，适用于低速大负荷的场景。
2.齿轮齿轮是一种通过齿的啮合传递力和运动的机构，常用于机械传动系统中。
齿轮根据齿的形状和用途可以分为直齿轮、斜齿轮、蜗杆齿轮等。
直齿轮是最常见的齿轮形式，它的齿面与轴线平行，适用于传递旋转运动和转矩的工况。
斜齿轮的齿面与轴线倾斜，可以传递更大的力和转矩。
蜗杆齿轮用于角度传动，具有较高的传动比和安全性。
3.连接件连接件用于连接轴系部件和其他机械部件，保证它们协同工作。
轴系零件结构设计实验
轴系零件结构设计实验
轴系零件结构设计是机械工程学中的重要实验之一，其目的是通过对不同的零件结构
进行设计、制造和测试，以从理论上和实践上理解和掌握轴系的基本原理和性能。
本实验分为以下几个步骤：
1、材料准备：为了保证实验结果的准确性和可靠性，需要选用高质量的材料，如高
强度钢、铜、铝等。
2、设计：根据轴系的要求，进行结构设计。
在设计中，需要考虑轴的应力、变形、
强度、硬度和耐热性等因素，同时还需要考虑生产工艺和运作环境等因素。
3、制造：根据设计方案，进行加工、装配和调试。
在制造过程中，需要保证加工精
度和表面质量，避免出现裂纹、划痕等不良情况。
4、测试：采用拉伸、弯曲、扭转、抗疲劳等实验方法进行测试，以验证轴系零件结
构设计的性能。
通过数据实验，得出性能和强度曲线等，可以对轴系进行进一步分析和改进。
通过轴系零件结构设计实验的学习，可以让学生深入理解轴系的工作原理和结构特点，提高工程设计和制造的能力，培养工程实践操作技能，为日后从事相关工作培养专业素养
和能力。
实验12-轴系的结构设计
实验12 轴系得结构设计一、概述：二、轴系结构就是机械得重要组成部分, 也就是机械设计课程得核心教学内容。
由于轴系结构设计设计得问题多、实践性强、灵活性大, 因此既就是教师讲授得难点, 也就是学生学习中最不易掌握得内容。
本实验通过学生自己动手, 经过设计、装配、调整、拆卸等全过程, 不仅可以增强学生对轴系零部件结构得感性认识, 还能帮助学生深入理解轴得结构设计、轴承组合结构设计得基本要领, 达到提高设计能力与工程实践能力得目得。
三、实验目得:1.熟悉常用轴系零部件得结构；2.掌握轴得结构设计基本要求；3.掌握轴承组合结构设计得基本方法。
三、实验设备1. 模块化轴段（可组装成不同结构形状得阶梯洲）；2. 轴上零件: 齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴乘座、端盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性垫圈、孔用弹性垫圈、螺钉、螺母等；3、工具: 活搬手、游标卡尺、胀钳。
四、实验准备1. 从轴系结构设计实验方案表中选择设计实验方案号；2. 根据实验方案规定得设计条件确定需要哪些轴上零件；3. 绘出轴系结构设计装配草图（参考教材图15-21—15-25得形式）, 并注意以下几点:①设计应满足轴得结构设计、轴承组合设计得基本要求, 如轴上零件得固定、装拆、轴承间隙得调整、密封、轴得结构工艺性等；（暂不考虑润滑问题）②标出每段轴得直径与长度, 其余零件得尺寸可不标注。
各项准备工作应在进实验室前完成。
五、实验步骤1. 以自己设计得装配草图为依据, 根据阶梯轴得直径与长度尺寸, 逐段选择完全对应或基本对应得模块化轴段, 并用双头螺柱将各轴段组装成一个完整得阶梯轴。
该轴应与装配草图中得设计尺寸尽可能一致；① 2. 根据轴系结构设计装配草图, 选择相应得零件实物, 按装配工艺要求顺序装在轴上, 完成轴系结构设计；②3、自行检查轴系结构方案得合理性, 对不合理之处进行修改, 直到装配出合理得结构。
检查时应考虑以下问题：③轴上各键槽就是否在同一条母线上；④轴上各零件就是否处于指定位置；⑤轴上各零件得固定（周向、轴向）就是否可靠、合理（如防松、轴承拆卸等）；⑥轴系能否实现回转运动, 运动就是否灵活；⑦轴系沿轴线方向得位置就是否固定, 及轴向力能否传到机座上；⑧轴承游隙如何调整；轴系得轴向位置就是否需要调整？需要时, 如何调整；例图: 学生常犯错误注意:渡圆角及润滑问题。
轴系结构设计
装配图完成后，就可量出原先那个“待定”的尺寸。顺
便把各轴段的尺寸公差也定下来了。下一步是绘制轴的工作 图
A3
安装轴承 与挡油环
小齿轮
安装轴承 与挡油环
轴伸
安装V带轮
键槽，为V 带轮作周向 固定
联轴器的选择——
1. 类型的选择 2. 型号的选择
选择时要注意下列几个要求：
（1）计算转矩不超过所选型号的规定值：Tc = KT； （2）工作转速不大于所选型号的规定值； （3）两轴的直径在所选型号的孔径范围内。
关于轴系的结构设计
请在放映状态下观看(F5)
5、轴段精加工面过 长，且整个轴没有轴 向固定，这可是一个 大问题。解决办法是 套筒改为轴肩； 7、轴承透盖的 孔与轴擦碰；
4、外套筒挡边太高，不便轴承拆卸。 3、轴套应做成挡油环； 9 8 2、键与键槽顶面不 相碰，应画两条线； 4 7 2
6
找 错
8、透盖与外套筒之 间应有调整垫，以 便调整轴承的轴向 游隙； 9、外套筒与箱体之间应有调整垫， 以便调整锥齿轮的啮合间隙；
外
圈
这是一种可分离型轴承，可离分为外 圈和内组件（由内圈、滚子和保持架 组成），内组件不可以再分离。同一 型号的外圈和内组件是可以互换的。
内组件
圆锥滚子轴承内圈的大端挡边称为大挡边。大挡边为锥面，滚子的大端面为球 面。在载荷作用下，内圈大挡边和滚子大端面接触应力很大，是所有工作表面中最 易疲劳、磨损失效之处。一直以来，内圈大挡边和滚子大端面均为等径球面，工作 时二者为面接触，无法形成油楔，故润滑状态不佳。1990年代后，将其中之一—— 内圈挡边改为锥面，使二者的接触变为线接触，可形成楔形腔，改善了润滑条件。
3、各轴段长度的确定方法
第12章 轴系结构设计
(12.3)
(4)计算扭矩呱，并画出扭矩图如图12-2(e)所示。 (5)根据第四强度理论按下式计算当量弯矩，并画出当量弯矩图，
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§12.1 轴的结构设计
如图12-2中(f)所示。
(12.4) (6)校核强度，针对某些危险截面(即当量弯矩大而直径小的截面)，
其强度条件为当量弯曲应力不大于许用弯曲应力6-1b，即强度校核公
有一个键槽时，轴径加大5%左右;有两个键槽时，轴径加大10%左 右，然后再按表12-3圆整为标准直径。
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§12.1 轴的结构设计
2.按弯扭组合进行强度校核 在估算出轴的最小直径，并进行轴系结构设计后，即可确定轴上 所受载荷大小、方向、作用点及支承跨距等，再按弯扭组合进行校核。 按弯扭组合进行强度校核的具体步骤如下。 (1)作出轴的计算简图(即力学模型)。 轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载
12.1.2轴的设计、计算
通常对于一般轴的设计方法有类比法和设计计算法两种。
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§12.1 轴的结构设计
类比法是根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计， 画出轴的零件图。这种方法简单、省时，但具有一定的盲目性。设计计 算法是以满足强度(刚度)要求为依据进行轴的结构设计，这种设计方法 可靠、稳妥。本节主要介绍轴的设计计算法。 用设计计算法设计轴的步骤如图12-1所示。 需要指出的是，一般情况下设计轴时不必进行轴的刚度、振动、稳 定性校核，如需进行刚度校核，也只做弯曲刚度校核，对于重要的轴、 高速转动的轴应采用疲劳强度校核计算方法进行轴的强度校核。 1.估算轴的最小直径 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支承点位置，无法
式为: (12.5)
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2T p [ p ] zd m hl
dm=（d+D）/2
2T p [ p] zd m hl
Dd h 2c 2
C--花键的倒角 ψ---载荷分配不均系数 Z---花键的齿数
§12-2 轴系结构设计 一、轴系结构设计基本原则
1.强度足够
2.拆装方便
强度 拆装 标准化
3.标准化、系列化、通用化（键、轴
平键双键1800布置
斜键1200布置
五）键选择步骤
1.根据工作要求定类型
2.根据轴径d定尺寸：b和h（查手册）
3.根据轮毂宽B定键长L
4.强度校核
四、半圆键连接强度计算
•只进行挤压强度计算，k值查标准，l≈L
五、斜键连接强度计算
六、花键连接 • （一）、分类
矩形花键
300渐开线花键
450渐开线花键
1:100
工作面
1:100
普通斜键
钩头斜键
（四）、切向键
切向键联接.swf
两个斜度为1：100的楔键连接，上、下两面为工作 面（打入）布置在圆周的切向，传递载荷能力强。 工作原理：靠工作面与轴及轮毂相挤压来传递扭矩
b t
C × 45° t
三、平键连接的强度计算
一）失效形式 平键
普通平键---压溃、(剪切)
承、联轴器、倒角、中心孔……等等）
4.直径系列化-- 轴头尺寸以2、5、8、0
结尾，轴身（非配合轴段）取整数， 5.轴颈处符合轴承要求。
6.定位和固定可靠
7.良好的工艺 8.利于提高强度和刚度。
二、轴上零件的轴向定位可固定
1.轴肩或轴环 2.套筒 3.圆螺母定位 4.弹性挡圈
轴上零件定位方法.swf
1）键的强度只与T有关（键只传递扭距）
2）键的尺寸b×h由轴径d确定，而轴的直径 与T和M有关…。
例： 有一9级精度的铸铁齿轮，轮毂宽度
B=90mm，轴孔直径d=55mm，传递扭距
T=600N.m，载荷平稳，试选择此键连接。
解： 9级精度，∴选平键，试选A型平键 查手册，d=55mm的轴径，b=16mm；h=10mm （k≈0.5h）；L=90-（5～10）=80～85；查手册 取L=80mm；l=L-b=80-16=64mm 查表12-1得： [σ p]= 75MPa
2T 2 600103 p 68.18MPa [ p ] 75MPa dkl 55 5 64
∴键16×80 GB1096-1979 如果载荷有冲击则[σ p]= 55MPa，该如何解决？
算 例
四）双键连接：
2T p [ p ] 1.5dkl 2T p [ p] 1.5dkl
第十二章 轴系结构设计 各部分名称
轴 颈
轴 头
轴 颈
轴 身
轴 头
§12-1轴毂连接
一、功用：传递扭距；固定和定位。
平键 斜键 键 圆轴 无预应力 半圆键 切向键 销 紧定螺钉 成型轴 有预应力---过盈联接 材料性联接---粘、焊 方轴 型轴 A型平键 B型平键 C型平键
轴 毂 连 接
型面连接
型面连接是用非圆截面的柱面体或锥面体的轴与 相同轮廓的毂孔配合以传递运动和转矩的可拆连接， 它是无键连接的一种型式。 由于型面连接要用到非 圆形孔，以前因其加工困难，
5.紧定螺钉
6.轴端挡圈
7.锥形轴头
1.轴肩或轴环
轴肩处
r C或R
定位轴肩：h≥（0.07～0.1）d＋（1~3）mm＞C或R 非定位轴肩：h视情况而定，无严格规定。
b h
h C
d
轴肩由定位面和内圆角组成
L=70mm
∴键8×70 GB1096-1979
平键连接的强度计算准则：
几点假设： 1）集中载荷F; 2）载荷F作用于挤压面 的中点; 3）挤压面积≈lk l-键的工作长度 k-键与轮毂的接触高度 （键受挤压高度） k≈0.5h
强度条件
1）静连接（普通平键连接）
2T p [ p ] MPa dkl 4T p [ p ] MPa dhl
键连接
A型平键
1、普通平键连接
B型平键 C型平键
2、导向平键—动连接。键和轴固联，轮毂（盘类）零 件在轴上作一定量的移动。 3、滑键---动连接。毂和键固联并沿轴作大距离的 移动。
导向键
滑键
二）半圆键
多用于轴端锥面 的辅助连接。传递较小的载荷。
（三）斜键
•＞1：100的斜度。工作面为上下面。
限制了型面连接的应用。
在家用机械、办公机械等中，采用了大量的压铸、注塑 零件。要注塑出各种各样的非圆形孔是毫无困难的，故、键连接的类型和工作原理 （一）平键连接 功用：传递转矩；周向定位--限制轴上零 件的周向运动，一般不限制轴向运动。
零件图，只要会选择。
• 键选择的内容：
1）选键的类型
2）定键的尺寸
3）强度校核
工作原理及特点---- （工作面为侧面,对中性好）
例：有一轮毂宽B=80mm，轴径d=30mm，齿
轮为8级精度，试选择此键连接。 解：∵8级精度，∴试选A型平键 查手册，d=30mm的轴径，b=8mm；h=7mm L=80-（5～10）=75～70；查手册取标准系列
导键和滑键---
磨损
压溃
斜键---压溃 、磨损
(二）平键连接的尺寸选择
•尺寸选择原则： 轴毂等强度。按照轴 径d选择键的结构尺寸。 •尺寸： b×h×L L=（1.5～1.8）d（不可过长或过短）
L=B毂-（5～10）
标记：键b×L GB1096--1979
•(三）平键连接的强度计算
•键连接----为标准件连接方式。设计时，键不需画
花键的标记 •INT ---内花键 • EXT---外花键 •例渐开线花键：
INT/EXT Z×m× 齿根形式 × 配合精度
INT 24 Z×2.5M× 30P × 5H GB/T3478.1-1995
EXT 24 z×2.5m× 30P × 5h GB/T3478.1-1995
花键连接的强度计算
A型键---l=L-b l B型键---l=L C型键---l=L-b/2
2）动连接（导键、滑键）
2T p [ P ] MPa dkl
[p]、 [σp]--- 许用压强和许用挤压应力。选择 键、轴、毂三者中的弱者。见表12--1
分析：
2T p [ p ] dkl
和
2T p [P] dkl