轴的设计

3 — 缺少键联接，齿轮未周向固定。
1
2
3
正确答案
错误原因：
1.螺母无法安装； 2.应有螺纹退刀槽； 3.轴肩高度应低于轴承内圈高度。
1
2
3
正确答案
1. 轮毂上的键槽应贯穿，键连接应局部剖视； 2.套筒无法安装； 3. 轴颈处不应有键槽。
1
2
1.左侧键太长； 2.键连接画法错 误，且多个键 应位于同一母 线上。
3
P 9550 10 扭转强度条件： T n [ ] T T WT WT
τT、[τT]——轴的扭剪应力和许用扭剪应力，MPa； T——转矩，N· mm；
P——轴所传递的功率，kW； WT——轴的抗扭截面系数，mm3，对于实心圆轴 ， WT=πd3/16≈0.2d3； d——轴的直径，mm；
传动轴：只受转矩，不受弯矩M=0，T≠0
如：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0） 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？
转动心轴
问：自行车的前轮轴属于什么类型？
转动心轴
滑轮轴
自行车的中轴是转轴
固定心轴
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
曲轴：发动机专用零件
钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。
接头 动力源
驱动装置
钢丝软轴（外层为护套） 接头
钢丝软轴的绕制
三、轴的材料
对轴材料要求：轴的强度和刚度足够；材料的热处理性能和加 工工艺性好；材料来源广，价格适中。 1、碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)，45应用最广。 价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。
d (1.05 ~ 1.10)d
双键槽 单键槽
3）轴的最小直径dmin应根据
d min d (满足轴强度要求）
满足该段轴上零件的孔 径要求
4）对于传动轴，精确计算；
5）对转轴，初估轴径dmin——结构设计，逐步阶梯化di
（∵ 支点、力作用点未知）；
6）对于转轴：算出dmin→结构设计→弯矩图→弯扭 合成强度计算；
第十七章
§17-1 概述
轴的设计
§17-2 轴径的初步估算 §17-3 §17-4 轴的结构设计 轴的强度和刚度计算
§17-1
一、轴的主要功用
概述
1、支承轴上回转零件（如齿轮）
2、传递运动和动力
3、受弯矩，抵抗变形，保证轴上零件正常工作。
二、轴的分类
1、按承载情况分 转轴：既传递转矩（T）、又承受弯矩（M） 如：减速器中的轴。
Ⅲ轴： 转轴 Ⅳ轴： 转轴 Ⅴ轴： 转动心轴
如何判断轴是否传递转矩： 从原动机向工作机画传动路线，若传动路 线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。 如何判断轴是否承受弯矩： 该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件， 若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。
2、按轴线形状分 光轴
直轴
阶梯轴
又可分为实心、空心（加工困难）
2~3
2~3
四、轴上零件的周向固定
一）零件周向固定的目的 使零件能同轴一起转动，传递转矩。 二）常用周向固定 周向固定大多采用键、花键、过盈配合或销等联接形式来 实现。
键槽应设计成同一加工直线。
键联接——制造简单，装拆方便。 用于传递转矩较大，对中性要求一 般的场合，应用最为广泛。
花键联接——承载能力高，定心好， 导向性好，但制造较困难，成本较 高。用于传递转矩大，对中性要求 高或导向性好的场合。 过盈配合联接——结构简单，定心 好，承载能力高，工作可靠，但装 配困难，对配合尺寸的精度要求较 高。
轴 齿轮 套筒 滚动轴承
2 1 错误分析图
3 正确结构图
错误原因： 1 — 缺少键联接，齿轮未周向固定； 2 — 轴头配合长度等于齿轮轮毂宽度，齿轮固定不可靠； 3 — 轴端无倒角，轴承不便安装。
连轴齿轮
齿轮
1
2
3
2 正确结构图
错误分析图
错误原因： 1 — 连轴齿轮两端无倒角轮廓线；
2 — 齿轮左右两端均未轴向固定；
1）表面愈粗糙疲劳强度愈低； 提高表面粗糙度。
2）表面强化处理的方法有： ▲ ▲ 表面高频淬火； 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；
▲
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。
轴系结构设计中常见错误实例分析
指出图示结构设计的错误，并绘出正确的结构图。
正确答案
下图为双级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构图，齿轮用
油润滑，轴承采用脂润滑。试分析轴系结构的错误，在有错误 处标明序号，说明原因并提出改正方法。
1．联轴器顶住端盖，产生摩擦磨损，应设计一定位轴肩；
2．轴承盖与轴应有间隙，并设有密封件； 3．应加调整垫片，箱体加工面与非加工面应分开； 4．轴承端面距箱体内壁应有一定距离，30000类轴承“反
2、工作能力计算
a、有足够的强度— 疲劳强度、静强度；
b、有足够的刚度— 防止产生大的变形；
c、有足够的稳定性— 防止共振— 稳定性计算。 转轴的设计特点：不能首先通过精确计算确定轴的截面尺寸。
轴的设计步骤
选用合适的材料
强度和刚度计算
结构设计
轴的结构形状和尺寸
§17-2
一、按扭转强度估算轴径
轴径的初步估算
锥面
止动垫片
螺钉 轴端挡圈
5．圆螺母与止动垫圈----固定可靠，可承受较大的轴向力， 但需切制螺纹和退刀槽，会削弱轴的强度。常用于轴上两零件 B 间距较大处，也可用于轴端。 圆螺母
l
止动垫圈
注意：零件宽度B > 轴长度l ，取l = B-（2~3）mm
为防松，需加止动垫圈或使用双螺母。
止动垫圈
6．弹性挡圈-----结构简单，但在轴上需切槽，会引起应力 集中，一般用于轴向力不大的零件的轴向固定。
留螺纹退刀槽。
0.8
砂轮越程槽
螺纹退刀槽
3.相近直径轴段的过渡圆角、键槽、越程槽、退刀槽尺寸
尽量统一。
二）轴上零件装配工艺性要求 1.轴的配合直径应圆整为标准值。 2.轴端应有cX45º的倒角。 3.与零件过盈配合的轴端应加工出导向锥面。
° °
a）倒角
b）导向锥面
4.装配段不宜过长。
六、提高轴强度和刚度的措施 1.减小应力集中 合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。 a）截面尺寸变化处的应力集中 轴的应力集中 发生的位置 b）过盈配合处的应力集中 c）小孔处的应力集中
二、按经验公式估算轴径
对高速轴：
d＝(0.8－1.2)D
其中，D为电机轴径
对低速轴： d＝(0.3－0.4)a
其中，a为同级齿轮中心距
§17-3
轴的结构设计
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.轴和轴上零件应有确定的位置和可靠固定； 2.轴上零件应便于安装、拆卸和调整； 3.轴应具有良好的加工工艺性； 4.应有利于提高轴的强度和刚度。
n——轴的转速，r/min。
对实心圆轴，设计计算式：
d
3
9.55 10 6 0.2[ T ]
3
P C n
3
P n
mm
C——与轴的材料和承载情况有关的系数。 计算说明： 1）求得的d为受扭部分的最小直径，通常为 轴端； 2）该轴段有键槽适当加大直径，单键槽增 大5%，双键槽增大10%，将所计算的直径 圆整为标准值，即：
销联接——用于固定不太重要，受力 不大，但同时需要轴向固定的零件。
五、轴的结构工艺性 ——便于加工、测量、维修及轴上零件的拆装 一）轴的加工工艺性要求
1. 不同轴段的键槽，应布置轴的同一母线上，以减少键槽加工 时的装卡次数；
a. 正确结构
b.不正确结构
2.需磨制轴段时，应留砂轮越程槽；需车制螺纹的轴段，应
齿轮 齿轮
轴承
轴承
卷筒
螺栓
卷筒
齿轮
齿轮
卷筒轴既受弯矩又受扭矩
卷筒轴只受弯矩
4）采用力平衡或局部相互抵消的办法减少轴的载荷。
斜齿轮： 两斜齿轮旋向应相同
行星齿轮减速器：多个行星轮均布
3.改变支点位置，改善轴的强度和刚度。
a)悬臂支承方案
b)简支支承方案
c)悬臂支承方案(正安装）
4.改善轴的表面质量 表面粗糙度和表面强化处理会对轴的疲劳强度产生影响。
2、合金钢：40Cr、40MnB、20CrMnTi等，强度高、寿命 长，对应力集中敏感，价格较贵。用于重载、 小尺寸的轴。
注意：钢材 ∴用
种类 热处理 热处理 合金钢
对钢材弹性模量E影响很小，
不能提高轴的刚度。
问：当轴的刚度不足时，如何提高轴的刚度？ 3、合金铸铁、QT：铸造成形，吸振，可靠性低，品 质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。 轴的毛坯： 圆钢棒料 尺寸小的轴
F
等强度
阶梯轴
一、轴上零件的布置
轴颈：装轴承处 组成 轴头：装轮毂处 尺寸= 轴承内径； 直径与轮毂内径相当；
轴身：联接轴颈和轴头部分。
典型轴系结构
轴承盖 滚动轴承 齿轮 滚轴头
轴颈
轴身
轴头
装配方案的比较：
二、各轴段直径和长度的确定 1、d：由载荷→dmin→由结构设计要求确定各段的d。 2、L：由轴上零件相对位置及零件宽度决定，同时考虑： 1）轴段长比轮毂宽小2~3mm——可靠定位。 2）传动件、箱体、轴承、联轴器等零件间距离(查手册)。
三、轴上零件的轴向固定 一）零件轴向固定的目的 防止零件沿轴向窜动，确保零件轴向准确位置。 二）常用轴向固定 定位高度h 组成 1.轴肩（或轴环） 由 过渡圆角r r r