轴的常用材料、结构设计、强度设计共28页文档
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
第十一章轴1-1 基础知识一、轴的分类、材料及设计准则1．轴的分类轴是组成机器的主要零件之一。
其主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。
按照承受载荷的不同，轴可分为转轴、心轴和传动轴三类。
工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。
只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。
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，分为曲轴和直轴两大类。
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两种。
2．轴的常用材料轴的常用材料主要采用碳素钢和合金钢。
碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，所以应用较为广泛。
合金钢具有较高的机械强度，可淬性也较好，可在传递大功率并要求减轻重量和提高轴颈耐磨性时采用。
常用钢材有：1）优质碳素钢35，40，45，50钢等，其中最常用的是45钢；2）合金结构钢20Cr，40Cr，35CrMO，40MnB，40CrNi等。
对于不重要的或受力较小的轴以及一般的传动轴可使用Q235，Q255，Q275等普通碳素钢制造。
形状复杂的轴，也可以采用铸钢、合金铸铁和球墨铸铁制造。
在一般工作温度下，各种钢的弹性模量E的数值相差不大，因此选用合金钢，采取热处理方法都只能提高轴的疲劳强度或耐磨性，对提高轴的刚度没有实效。
3．轴的失效形式及设计准则轴在弯矩或扭矩作用下产生的应力一般为变应力，因此轴的主要失效形式是疲劳断裂。
设计时一般应进行疲劳强度校核。
对于瞬时过载很大，应力性质较接近于静应力的轴，可能产生塑性变形，还应按最大载荷进行轴的静强度校核。
对于有刚度要求的轴（如机床主轴，跨度大的蜗杆轴等），应进行刚度计算。
对高转速轴（如汽轮机轴）或载荷作周期性变化的轴，为防止共振，还要进行振动稳定性计算。
轴的设计应满足下列几方面的要求：合理的结构、足够的强度、必要的刚度和振动稳定性及良好的工艺性等。
一般而言，轴的设计主要包括两个方面的内容：轴的结构设计和轴的强度计算。
汽车常用轴
任务一 汽车常用轴
一、 轴的分类
1. 根据承受载荷的不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴三种 1）转轴既传递转矩又承受弯矩（M≠0，T≠0）
图7-1-1齿轮轴——转轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
2）传动轴只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小（T≠0，M≈0）。
图7-1-2 汽车驱动轴——传动轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
3）心轴只承受弯矩而不传递转矩（M≠0，T=0）
图7-1-3火车轮轴——转动心轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
3）心轴只承受弯矩而不传递转矩（M≠0，T=0）
图7-1-3火车轮轴——转动心轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
图7-1-4自行车轮轴——固定心轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
2. 按轴线的形状轴还可分为：直轴、曲轴和挠性钢丝轴。
图7-1-5 直轴
图7-1-6 曲轴
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
一、 轴的分类
图7-1-7挠性钢丝软轴及其绕制
轴的设计，主要是根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合适的 材料，进行结构设计，经过强度和刚度计算，定出轴的结构形状和尺寸， 必要时还要考虑振动稳定性。
项目七 汽车常用轴系零部件
任务一 轴
二、 轴的常用材料
轴的材料常采用碳素钢和合金钢。 1. 碳素钢 有35、45、50等优质碳素结构钢，因具有较高的 综合力学性能，应用较多，
2. 合金钢 合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多 用于有特殊要求的轴。
轴
轴11．1 内容提要本章主要内容包括：1．轴的功用、类型、特点及应用，轴的常用材料；2．轴的结构设计及轴的设计步骤；3．轴的三种强度计算方法：按扭转强度计算；按弯矩、转矩合成强度计算；按疲劳强度进行安全系数校核计算；4．轴的按静强度计算安全系数的方法，轴的刚度计算、振动计算方法。
本章重点内容是轴的结构设计和强度计算，其中结构设计是本章的难点。
11．2 要点分析1．轴的结构设计轴的结构设计，目的就是要确定轴的各段直径d和各段长度l。
确定直径d时，应先根据转矩初算出受转矩段的最小直径，再逐渐放大推出各段直径；各段长度l需根据轴上零件的尺寸及安装要求情况来确定。
轴没有固定的标准结构，设计时应保证：轴和轴上零件有准确的周向和轴向定位及可靠固定；轴上零件便于装拆和调整；轴具有良好的结构工艺性；轴的结构有利于提高其强度和刚度，尤其是减少应力集中。
进行轴的结构设计时，要注意几个具体问题：（以单级斜齿圆柱齿轮减速器输出轴力例）（1）各段配合直径d应符合标准尺寸（GB2822－81），而与滚动轴承、联轴器、油封等标准件配合的轴径（如图1⒈1中轴的①、②、③、⑦段），应符合标准件的内径系列。
（2）注意两种不同台阶的设计：一种台阶是定位用的（如图11－l中轴的①～②段、④～⑤段、⑥～⑦段），这种台阶过低，定位作用差；过高，径向尺寸和应力集中增大，一般高度h＝（2～3）C或R（C、R分别为零件倒角和圆角半径尺寸）。
另一种台阶是为了装配容易通过（如图1⒈1中轴的②～③、③～④段），这种台阶高度很小，一般在直径方向上只差1～3mm 即可。
（3）与轴上零件（如肯轮）相配合的轴段长度l，要比轴上零件的宽度尺寸B短2～3mm （见图11-1），这样才能把轴上零件固定住。
（4）轴的过渡圆角半径r要比相配合的零件的倒角C或圆角半径尺小，这样零件端面才能紧贴轴的台肩，起到定位作用。
（5）为制造方便，同一根轴上的圆角半径、倒角尺寸、中心孔尺寸等应尽量一致，几个平键槽的对称线均应处于同一直线上。
轴 - 课件
键槽的布置
轴
1.2 轴的结构设计
1.2.3 轴各段直径和长度的确定
1.确定轴的各段直径
（1）轴的最小直径。阶梯轴的最小直径一般设在外伸端。
（2）轴头直径。应与相配合零部件的轮毂内径一致，并符合轴的标
准系列。
（3）轴颈直径。与滚动轴承配合的轴径必须符合滚动轴承的内径标
准。
（4）设有轴肩或轴环的非配合段轴径，
1.1.2 轴的材料
轴的常用材料为碳素钢和合金钢；也可以采用合金铸铁或球墨铸铁 制造。
1.1.3 轴的设计要求
合理的结构和足够的强度是轴设计中必须满足的基本要求。不同的 机器对轴的设计要求不同，如机床主轴、电机轴要求有足够的刚度；对 一些高速机械的轴，如高速磨床主轴、汽轮机主轴等要考虑振动稳定性 问题。
阶梯轴结构示例
轴
1.2 轴的结构设计
2.保证轴上零件的准确定位和可靠固定 1） （1）轴肩和轴环。 （2）套筒和圆螺母。 （3）弹性挡圈和紧定螺钉 （4）轴端挡圈和圆锥面。
圆螺母定位
弹性挡圈
轴肩和轴环 紧定螺钉
轴
1.2 轴的结构设计
2） 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。
h
，可
不按轴的直径标准。
（5）轴上的螺纹直径应符合螺纹标准。
（6）轴上花键部分必须符合花键标准。
轴
1.2 轴的结构设计
2.确定轴的各段长度 （1）与零件相配合的轴头长度，应比轮毂长度稍短些（约短2～3 mm），以保证零件的轴向定位可靠。 （2）轴颈的长度取决于滚动轴承的宽度尺寸。 （3）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。 （4）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。
机械设计轴的设计.
潘存云教授研制
潘存云教授研制
潘存云教授研制
键槽应设计成 同一加工直线
三、各轴段直径和长度的确定 轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小； 确定轴段直径大小的基本原则： 1. 按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。 2. 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。 3. 安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。 4. 有配合要求的零件要便于装拆。
孔径d 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 82 60 112 84 60 63 65… 142 107
长度 长系列 L 短系列
便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施： 1) 在配合段轴段前应采用较小的直径； 2) 配合段前端制成锥度； 3) 配合段前后采用不同的尺寸公差。 为了便于轴上零件的拆卸，轴肩 高度不能过大。
发动机
传动轴
后桥
潘存云教授研制
11.1
概
述
一、轴的用途及分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩 类 心轴---只承受弯矩 型 按轴的形状分有：
车厢重力
潘存云教授研制
自行车 前轮轴
前叉
潘存云教授研制
200 250
……
…
…
…
…
…
用于不重要或 载荷不大的轴 有较好的塑性 和适当的强度， 可用于一般曲 轴、转轴。
…
轴的常用材料及其主要力学性能
材料牌号 热处理 毛坯直径 mm 硬度 HBS 屈服强 弯曲疲 度极限 劳极限 σ-1 σs MPa 400~420 225 170 375~390 215 590 295 255 570 285 245 640 355 275 735 540 355 685 490 335 900 735 430 785 570 370 735 590 365 685 540 345 930 785 440 835 685 410 785 590 375 抗拉强 度极限 σb 640 835 530 490 600 800 390 635 195 305 395 190 180 215 290 剪切疲 许用弯 劳极限 曲应力 [σ-1] σ-1 105 140 135 155 200 185 260 210 210 195 280 270 220 160 230 115 110 185 250 40 55 60
表15-1 轴的常用材料及其主要力学性能
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表15-3 轴常用几种材料的[τT]及A0值
轴的材料 [τT]/MPa A0 Q235-A、20 15～25 149～126
Q275、35 （1Cr18Ni9Ti）
20～35 135～112
45 25～45 126～103
40Cr、35SiMn 38SiMnMo、3Cr13
35～55 112～97
注：1）表中[τT]值是考虑了弯曲影响而降低了的许用扭转切应力。 2）在下述情况时， [τT]取较大值，A0取较小值；弯曲较小或只受扭矩 作用、载荷平稳、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；反之， [τT]取较小值，A0取较大值。
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计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取 为载荷分布段的中点。
3Cr13
调质
≤100 ≤100
＞100~200
835 530 490
635
395 190 180
230 115 110
75
用于腐蚀条 件下的轴 用于高、低 温及腐蚀条件 下的轴 用于制造复 杂外形的轴
1Cr18Ni 淬火 9Ti QT600-3
≤192
195
45
190~ 600 370 215 185 270 245~ 800 480 290 250 QT800-2 335 注：①表中所列疲劳极限σ-1值是按下列关系式计算的，供设计时参考。 碳钢σ-1≈0.43 σB ；合金钢： σ-1≈0.2（σB+σs ）+100 ； 不锈钢： σ-1≈0.27（σB+σs ） ； τ-1≈0.156（σB+σs ） ； 球墨铸铁： σ-1≈0.36σB ；τ-1≈0.31σB。 ②1Cr18Ni9Ti（GB1221-84）可选用，但不推荐。
轴材料的选择方式和设计
轴材料的选择方式和设计轴是一个用于旋转运动的机械元件，主要用于支撑和传递力矩。
在进行轴的选择和设计时，需要考虑多个因素，包括应力、强度、重量、成本和摩擦等。
下面将详细介绍轴材料的选择方式和设计。
一、轴材料的选择方式：1.强度要求：根据轴所承受的轴向载荷和弯矩，选择具有足够强度的材料。
常用的高强度材料有碳钢、合金钢、不锈钢等。
2.磨损和摩擦：要考虑轴与其他零件之间的摩擦和磨损，尽量选择具有良好的耐磨性和低摩擦系数的材料。
如铜合金、钼合金等。
3.腐蚀环境：根据轴所处的使用环境，选择具有良好的耐腐蚀性能的材料，如不锈钢、耐酸碱钢等。
4.温度和热膨胀：对于工作在高温环境下的轴，需要选择能够耐高温变形的材料，如高温合金、镍基合金等。
5.重量：轴的重量对于整个系统的性能和效率有一定影响，因此在允许范围内，选择轻质材料可以减轻负荷，提高效率。
二、轴的设计原则：1.直径设计：根据轴的承载能力和弯矩，采用适当的公式确定轴的直径。
一般情况下，较小的直径意味着较小的阻力和较低的负载，但要保证足够的强度。
2.强度设计：根据轴的材料和截面形状，计算轴材料承受载荷的最大强度和应力。
确保轴材料在其允许的强度范围内工作。
3.刚度设计：在高速旋转或精密运动的应用中，要求轴具有较高的刚度，以减少弯曲和变形。
可以采用增加直径或改变材料来提高刚度。
4.表面处理：为了减小摩擦和磨损，可以对轴进行表面处理，如打磨、涂覆或加装套管等，以改善表面硬度和光滑度。
三、轴材料的常用选择：1.碳钢：碳钢具有较高的强度和刚性，成本较低，广泛应用于一般工程中。
2.不锈钢：不锈钢具有良好的耐腐蚀性和强度，尤其适用于潮湿、酸碱环境下的工作。
3.铜合金：铜合金具有良好的导热性和耐磨性，常用于高速旋转和高温应用中。
4.铝合金：铝合金具有较低的密度和良好的导热性能，适用于轻负载和高速运动的应用。
5.钛合金：钛合金具有良好的耐腐蚀性和高温性能，但成本较高，适用于高要求的工作环境。