轴的结构设计及计算

3.2.5.1 轴的结构设计
轴的结构设计的要求
轴应便于加工，具有良好的工艺性；
轴上零件位置合理并易于拆装和调整；
轴上零件的轴向、周向定位准确，固定可靠；
尽量减少应力集中，有利于提高轴的强度和刚度。
3.2.5.1 轴的结构设计
(1)便于轴上零件的装 轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装 位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力 情况和加工工艺等。为了便于轴上零件的装拆， 将轴制成阶梯轴，中间直径最大，向两端逐渐直 径减小。近似为等强度轴。
手册》）。
3.2.5.1 轴的结构设计
轴径向尺寸的确定
齿轮用轴环⑤和套筒作轴向固定，用平键作圆周方向的固
定。为使套筒能顶住齿轮，应使轴段④的长度 l4小于齿轮轮毂
宽度b。装在轴段③上的滚动轴承， 用套筒和轴承盖固定其轴
向位置。装在轴段⑦上的滚动轴承用轴肩和轴承盖固定其轴向 位置。轴承内圈在圆周方向上的固定是靠内圈与轴之间的配合 实现的。
(2) 取定坐标系，将作用在轴上的力分解为水平分力和垂直分力，并求
其支反力。 (3) 分别绘制出水平面和垂直面内的弯矩图。
(4) 计算合成弯矩， 并绘制出合成弯矩图。
(5) 绘制转矩图。
(6) 确定危险剖面， 校核危险剖面的弯扭合成强度。
3.2.5.2 轴的设计计算
【例3-1】试设计如图3-1所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。 已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3.15 kW。轴上齿轮的参
(3-1)
3.2.5.2 轴的设计计算
由上式可得到轴的设计公式
9.55 106 P P 3 d 3 A mm 0.2[ ]T n n
(3-2)
式中：A——计算常数，与轴的材料和［τ］T值有关，可按表 3-3确定。
表3-3 轴常用材料的［τ］T和A值
3.2.5.2 轴的设计计算
由式3-2求出的d值，一般作为轴的最小直径。若轴段上 有键槽，应把算的直径增大，单键增大3%，双键增大7%， 然后圆整到标准值 。（见表3-2-5）
3.2.5.1 轴的结构设计
3.2.5.1 轴的结构设计
(2)保证轴上零件的准确定位 和可靠固定 ①轴向定位的固定 (b)套筒和圆螺母
当轴上零件距离较近时采用套 筒作相对 固定。套筒定位可简化 轴的结构，减少轴径的变化，减少 轴的应力集中。 当套筒太长时，可采用圆螺母 作轴向固定。此时须在轴上加工螺 纹，将会引起较大的应力集中，轴 段横截面面积减小，影响轴的疲劳 寿命。
3.2.5.2 轴的设计计算
轴的强度计算
1. 按扭转强度计算：对于传动轴可只按扭矩计算轴的直径； 对于转轴，常用此法估算最小直径，然后进行轴的结构设计， 并用弯扭合成强度校核。圆轴扭转的强度条件为
T 9.55 106 P / n T [ ]T MPa 3 WT 0.2d
式中：τT——轴的扭转切应力（MPa）； T——轴传递的扭矩（N·mm）； WT——轴的抗扭截面系数（mm3）； P——轴传递的功率（kW）； n——轴的转速（r／min）。
数为：法面模数mn=3 mm，分度圆螺旋角β=12°，齿数z=94，
齿宽b=72 mm。 （1） 选择轴的材料。 减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的 45 钢并作 正火处理。由表3-1查得σB=616 MPa。
3.2.5.2 轴的设计计算
图3-1 带式输送机
3.2.5.2 轴的设计计算
(2) 按转矩估算轴的最小直径。 应用式(3-2)估算。由表3-3取A＝167～118(因轴上受较大弯 矩)， 于是得：
3.2.5.2 轴的设计计算
2. 按弯扭合成强度计算
轴的结构设计初步完成后，通常要对转轴进行弯扭合成强
度校核。 对于钢制轴可按第三强度理论计算，强度条件为 ：
M ( T ) Me e 1 b 3 W 0.1d
2 2
(3-3)
式中：σe——当量应力(N／mm2)； Me——当量弯矩(N·mm)，M e
3.2.5.1 轴的结构设计
(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 ①轴向定位的固定 (d)轴端挡圈圆锥面
轴端压板
3.2.5.1 轴的结构设计
轴上零件的轴向定位和固定方法
3.2.5.1 轴的结构设计
3.2.5.1 轴的结构设计
3.2.5.1 轴的结构设计
(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 ②周向定位与固定
M 2 (T )2 ；
2 2 M——危险截面上的合成弯矩， Me MH MV ( N mm) ， MH、MV分别为水平面上、垂直面上的弯矩；
3.2.5.2 轴的设计计算
W——轴的抗弯截面系数（mm3），对圆截面轴W≈0.1d3，d为危险剖面直
径；
α——折合系数。对于不变的转矩， α≈0.3 ；对于脉动循转矩， α≈0.6 ；对 于对称循环转矩，α＝1。对于频繁正反转的轴， 可视为对称循环交变应力；
零件在轴上作周向固定是为了传递转矩和防止零件与轴产生相对转动。 常用的方式有键联接、花键联接、销联接，成形联接及过盈配合联接。 紧定螺钉也可起周向固定作用。
图3-2-59 零件在轴上周向固定的形式
（3）轴的加工和装配工艺性好
3.2.5.1 轴的结构设计
轴的形状要力求简单，阶梯数应尽可能少。 轴颈、轴头的直径应取标准值。直径的大小由与之相配合的零件的内孔 决定。 为了便于轴上零件的装配，轴端应加工出45°倒角，与零件过盈配合时， 轴的装入端常需加工出导向圆锥面。 轴身尺寸应取以mm为单位的整数，最好取为偶数或5的整数倍。 轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于 加工和检验。 轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上。 轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽。
应力状态下材料的许用弯曲应力，供设计时选用。 当危险截面有键槽时，应 将轴径的计算值增大4％～7％。当计算只承受弯矩的心轴时，可利用式(3-3)， 此时T=0。
表3-4 轴的许用弯曲应力

3.2.5.2 轴的设计计算
弯扭合成强度的计算按下列步骤进行：
(1) 绘出轴的计算简图， 标出作用力的方向及作用点的位置。
3 0°
b
r
r
a)减载槽
b)中间环
c)凹切圆角
3.2.5.1 轴的结构设计
当轴上零件与轴为过盈配合时， 可采用下图结构形式以减少轴 配合边缘处的应力集中。
c
b d1 d1 d d a
r
(a )
(b )
(c)
过盈配合时轴的结构形式 (a) 增大配合处轴径； (b) 轴上开减载槽； (c) 毂端开减载槽
3.2.5.2 轴的设计计算
轴的设计要求：
在一般情况下设计轴时，只需考虑强度和结构两个方面。
但对某些旋转精度要求较高的轴，还需保证有足够的刚度。另 外，对高速旋转的轴， 还需进行振动稳定性方面的计算。
轴的设计一般按照以下步骤进行：
① 合理地选择轴的材料； ② 初估轴的直径， 进行轴的结 构设计； ③ 对轴进行强度、 刚度及振动方面的校核计算； ④ 绘出轴的零件工作图。
3.2课题二：轴
机 械 设 计 基 础
3.2.5 轴的设计
3.2.5.1轴的结构设计
3.2.5.2轴的设计计算
3.2.5.3轴的刚度计算 小结
轴的结构分析
3.2.5.1 轴的结构设计
轴主要由轴颈、 轴头、 轴身三部分组成(如下图)。 轴上被支承的部分为轴颈，如图中③， ⑦ 段； 安装轮毂的部分称做轴头，如图中①，④段； 联接轴颈和轴头的部分称做轴身，如图中②，
P dA n
3
3.15 (107 ~ 118) (36.43 ~ 40.18)mm 79.8
3
考虑键槽对轴强度的影响和联轴器标准，取d＝40 mm。
3.2.5.2 轴的设计计算
(3) 轴的结构设计。
根据轴的结构设计要求，轴的结构草图设计如图3-12所示。
⑥段。
3.2.5.1 轴的结构设计
轴径向尺寸的确定
为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形，它的直径
从轴端逐渐向中间增大。齿轮、 套筒、左端滚动轴承、轴承端
盖和联轴器可按顺序从左端装拆，右端轴承从右端装拆。因而，
为了便于装拆齿轮，轴段④的直径应比轴段③略大一些；为了 便于左端滚动轴承的装拆，轴段③的直径应比轴段②略大一些。 其中轴段①， ②， ③， ⑦的径向尺寸必须符合轴承、 联轴器 和密封圈内径的标准系列和技术要求（相应标准查《机械设计
3.2.5.1 轴的结构设计
(2)保证轴上零件的准确定位和可靠固定 ①轴向定位的固定 (a)轴肩或轴环 为保证轴上零件紧靠定位面，轴肩和轴环的的圆角半径 R必须小于相配零件的倒角C1或圆角R1。轴肩高度h必须 大于R1，一般h=(0.07d+3)~(0.1d+5)mm或 h≈(2~3)C1。轴环的宽度b=1.4h。安装滚动轴承处轴 肩的圆角半径和高度查阅轴承安装标准来确定。非定位轴 肩可取h≈1.5~2mm。
d
3.2.5.1 轴的结构设计
（4）改善轴的结构、受力情况，减少应力集中，改善表面质量 采用定位套筒代替圆螺母和弹性挡圈使零件轴向固定，可避免 在轴上制出螺纹、环形槽等，能有效地提高轴的疲劳强度。 轴的表面质量对轴的疲劳强度影响很大。因轴工作时，最大应 力发生在轴的表面处，另一方面，由于加工等原因，轴表而易产 生微小裂纹，引起应力集中，因此轴的破坏常从表面开始。减小 轴的表面粗糙度，或采用渗碳、高频淬火等方式进行表面强化处 理，均可以显著提轴的疲劳强度。
各轴段的长度根据安装零件与轴配合部分的轴向尺寸确定， 并应考虑保证轴上零件轴向定位的可靠： 与齿轮、联轴器等相配合部分的轴长，一般应比轮毂的长 度短2-3mm； 轴颈的长度取决于滚动轴承的宽度尺寸； 轴上转动零件之间或转动件与箱壳内壁之间应留有适当 间隙，一般取10～15 mm，以防运转时相碰； 装有紧固件(如螺母、挡圈等)的轴段，其长度应保证装拆 或调整紧固件时，有一定扳手空间，通常取15～20 mm。