机械设计资料：轴系零部件

1、第一章轴系零部件,机械基础,研究对象：主要是机器内部传动的各种零部件：轴、轴承、联轴器、离合器及各种联接件； 研究内容： 1.轴的类型、结构和强度计算 2.滚动轴承的类型选择、尺寸选择和组合设计 3.联轴器和离合器制动器的类型及选择.各种联接件的种类、结构特点及应用； 重点：轴、轴承,导入： 1、汽车的传动轴为什么做成同一直径？ 2、变速箱上的轴为什么做成阶梯形,第一节 轴 一、轴的功用和分类,1、功用：支承其他回转件，承受转矩与弯矩，并传递运动和动力,1）按所受载荷特点分三种： 心轴： 只承受弯矩;如 传动轴：只承受转矩;如 转轴：同时承受弯矩和转矩;如,2.轴的分类,直轴，曲轴； 光轴，阶

2、梯轴； 空心轴，实心轴； 刚性轴，挠性轴。 重点：阶梯轴,例汽车轴,2）按轴的结构形状分,阶梯轴,曲轴,挠性钢丝轴,转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。 工作时既承受弯矩又承受转矩,例：减速器中的轴,心轴： 用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩,例：车辆轴和滑轮轴，图中为自行车的前轮轴,自行车的前轮轴,传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴,例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴,传动轴,传动轴,二、轴的材料,轴的功用，主要承受弯矩和扭矩。 轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、韧性和耐磨性。 轴的常用材料是：碳素钢和合金钢等。 在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的

3、弹性模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等,1、碳素钢,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0.250.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。 对于不重要或受力较小的轴也可用Q235、 Q275 等碳素结构钢,2、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，

4、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,3、球墨铸铁,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,轴的材料及选择,三、轴的结构设计,轴的结构组成； 轴结构决定因素； 结构设计的几个方面,轴的结构设计,结构要求： 轴和轴上零件要有准确、牢固的 工作位置 轴上零件装拆、调整方便 轴应具有良好的制造工艺性等 尽量避免应力集中 设计原则: 轴的结构越简单越合理

5、装配越简单、方便越合理 轴上零件的定位,固定及位置调整,四、轴的结构组成 1、结构组成,轴头：与传动零件或联轴器、离合器相配部分； 轴颈：与轴承相配部分 轴身：联接轴头和轴颈之间部分,轴的结构图,结构分析,轴的结构设计,轴的结构应满足的要求,1）按装在轴上的零件，要能牢固而可靠的相对固定（轴向或周向固定） （2）便于加工和减少应力集中 （3）轴上零件要便于装拆,2、轴结构影响因素,轴的毛坯种类； 轴上作用力的大小及其分布情况； 轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法； 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,3.设计考虑的几个方面,1、轴上零件的布置； 2、轴径估

6、算、各轴段直径、长度的确定； 3、轴上零件的定位和固定； 4、轴上零件的装拆和调整； 5、提高轴疲劳强度的结构措施； 6、制造工艺要求； 7、材料选择,一般结构设计的已知条件有,机器的装配简图； 轴的转速； 传递的功率； 轴上零件的主要参数和尺寸等。 轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是：必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算,机器的装配简图,一)轴上零件的布置,在进行结构设计时，首先应按传动简图上所给出的各主要零件的相互位置关系拟订轴上零件的装配方案； 轴上零件的装配方案不同，轴的结构形状也不同； 在实际设计过程中，往往拟订几种不同的装配方案进行比较，从中选出一种最佳方案,汽车

7、变速器输出轴的零件分布,二)轴的基本直径的估算及各段直径和长度的确定,轴不是标准零件,需要自己设计计算。 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算； 一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算； 按扭转强度计算：这种计算方法主要应用于传动轴，也可以初步估算轴的最小直径，在此基础上进行轴的结构设计,轴直径估算,几种常用轴材料的许用切应力及A值,1.轴的基本直径的估算,设轴在转矩T的作用下，产生剪应力。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为,估算直径,由上式求出的直径值，需圆整成标准直径，

8、并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽，可将值增大3%5%，如有两个键槽可增大7%10,上式中,许用扭转切应力: MPa T-轴传递的转矩，也是轴承受的扭矩：Nmm Wp-轴的抗扭截面系数: Wp =0.2d3mm3 P-轴传递的功率: kw d-轴的直径: mm n-轴的转速: r/min,上式中,2.确定各段轴的直径和长度,轴上零件的装配方案和定位方法确定之后，轴的基本形状就确定下来了。 轴的最小直径确定后，可按轴上零件的装配方案和定位要求，逐步确定各轴段的直径； 根据轴上零件的轴向尺寸、各零件的相互位置关系以及零件装配所需的装配和调整空间，确定轴的各段长度,需要注意的问题,1）轴上与标准零

9、件相配合的直径应取为标准值，非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数； 2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴承的内径标准； 3）安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应； 4）轴上的螺纹直径应符合标准,5）轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度短23mm，以保证零件轴向定位可靠。 6）若在轴上装要滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离。 7）轴上各零件之间应该留有适当的间隙，以防止运转时相碰,五、轴上零件的定位和固定,为了传递运动和动力，保证机械的工作精度和使用可靠，零件必须可靠地安装在轴上，不允许零件沿轴向发生相对运动。因此，轴上零件都必须有可靠的轴向定位措施； 轴上零件的轴向定位

10、方法取决于零件所承受的轴向载荷大小； 零件的定位分：轴向定位、周向定位,1.轴上零件的轴向定位和固定,轴向定位和固定是指将轴上的零件沿轴线方向进行定位和固定,常用方式： 轴肩、轴环 套筒、圆螺母 弹性挡圈、紧定螺钉； 轴端挡圈、圆锥面,零件的轴向定位,1）轴肩和轴环,要求r轴R孔或r轴C孔,轴环与轴肩尺寸：h=（0.07d3）（0.1d5）mm 轴环宽度： bl.4h,错误,正确,为了使轴上零件的端面能与轴肩紧贴，轴肩的圆角半径R 必须小于零件孔端的圆角半径 R1或倒角C1 ；否则，无法紧贴。轴肩或轴环的高度h必须大于R1 或 C1,错 误,正 确,要求轴肩高度滚动轴承内圈高度,2）套筒,常用

11、于轴上两个零件距离较小的场合,3）轴用圆螺母,特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力，由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降。 应用：常用于轴的中部和端部。当无法采用套筒或套筒太长时，可考虑使用圆螺母作轴向固定。此时要在轴上加工螺纹（一般为细牙螺纹），而且螺纹大径要比套装零件的孔径小,4）轴端挡圈,当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴L毂,正确,正确,错误,5）轴承端盖,轴承端盖与机座间加垫片， 以调整轴的位置,6）弹性挡圈,结构简单紧凑，但只能承受很小的轴向力,8）其它固定形式,7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销 这两种固定的方法，常用于轴向力较小的

12、场合,锥形面或过盈配合联接,2.零件的周向定位,1）键,2）花键,3）紧定螺钉、销,4）过盈配合,四) 提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施,1、改进轴的结构，减少应力集中,2、合理布置轴上零件以减少轴的载荷,3、改进轴上零件的结构，减小轴的载荷,4、选择受力方式以减小轴的载荷，改善轴的强度和刚度,5、改进表面质量提高轴的疲劳强度,六、轴的结构工艺性,由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形,1、关于轴的形状：阶梯轴,2、关于轴的有关尺寸,为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为510MM。 为了便于切削加工，一

13、根轴上的圆角应尽可能取相同的半径； 退刀槽取相同的宽度； 倒角尺寸相同； 若需开键槽的轴段直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽，一根轴上各键槽应开在同一母线上，以减少换刀次数,3.轴的结构工艺性,1）轴肩圆角r 2）轴端倒角 3）砂轮越程槽 4）螺纹退刀槽,5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸,同一根轴上所有圆角半径和倒角的大小应尽可能一致，以减少刀具规格和换刀次数。 为便于加工定位，轴的两端面上应做出中心孔,完毕,1)圆角半径和倒角,为使轴上零件容易装拆，轴端和各轴段端部都应有45的倒角,2)轴端倒角,轴上磨削的轴段应设有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部,3)

14、砂轮越程槽,轴上车螺纹的轴段应设有螺纹退刀槽，以保证螺纹牙均能达到预期的高度,4)螺纹退刀槽,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,5) 键槽,轴系结构改错,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,两处错误,1.左侧键太长，套筒无法装入 2.多个键应位于同一母线上,轴系结构改错,七、轴上的零件装拆和调整,为了能够顺利地装拆轴上零件，轴的结构多半设计成中间粗两端逐渐细的阶梯轴形状。为装拆方便，轴肩一般可取为13mm。安装轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸,例:汽车轴,补充：轴的强度、刚度校核,一、轴的失效形式 疲劳断裂; 过载的弯曲和扭转变形. 在设计轴的过程中，应

15、注意根据轴的受载特点分别对轴进行强度和刚度的校核,二、轴的强度校核计算,一). 轴的强度计算,1.按扭转强度条件计算 用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算 结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin,强度条件,设计公式,轴上有键槽时：轴径：一个键槽：35% 二个键槽：710% 取标准植,二).按弯扭合成强度条件计算,条件：已知支点、扭距，弯矩,步骤：1）作轴的空间受力简图,2）求水平面支反力RH1、RH2作水平面弯矩图,3）求垂直平面内支反力RV1、RV2，作垂直平面内的弯矩图,4）作合成弯矩图,5）作扭矩图,6）作当量弯矩图,为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数,7）校核 危险截面轴的强度,设计公式,三).轴的安全系数校核计算,1.疲劳强度校核,2.静强度校核校核轴对塑性变形的抵抗能力,二.轴的刚度计算,1、弯曲刚度,挠曲线方程,挠 度,偏转角,一)、轴的刚度计算,2、扭转刚度,二).轴的振动稳定性及临界转速,弯曲振动（横向） 扭转振动 轴向临界转速 轴引起共振时的转速 振动（纵向,弯曲临界转速的计算,轴的临界角速度,k= mg /y0,刚性轴,挠性轴,例: 图为一个单级减速器的输出轴。已知标准斜齿圆柱齿轮的圆周力Ft=7000N，径向力Fr=2700N，轴向力F=1200N。分度圆直径d=400mm，轴的材料选用45钢并经调质处理（210HB