机械设计基础(第五版)讲义

第十四章,轴

第14章

轴

§14-1 轴的功用和类型

§14-2 轴的材料§14-3 轴的结构设计

§14-4 轴的强度计算§14-5 轴的刚度计算

§14-6 轴的临界转速的概念

第十四章,轴

14-1 轴的功用和类型一、轴的功用用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮

二、轴的分类按承受载荷分 类 型 按轴的形状分 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 挠性钢丝轴

第十四章,轴

14-1 轴的功用和类型1. 转轴组成：轴颈、轴头、轴身； 特点：传递扭矩又承受弯矩。

带式运 输机

电动机

减速器转轴

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14-1 轴的功用和类型2. 传动轴组成：轴颈、轴头、轴身； 特点：只传递扭矩，不承受弯矩或弯矩很小。

发动机

传动轴 后桥

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14-1 轴的功用和类型3. 心轴分类：固定心轴、转动心轴； 特点：只承受弯矩，不传递扭矩。

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14-1 轴的功用和类型1. 直轴分类：阶梯轴、光轴；

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14-1 轴的功用和类型2. 曲轴

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14-1 轴的功用和类型3. 挠性钢丝轴由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可以把转矩和旋转 运动灵活地传到任何位置，常用于振捣器等设备中。

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14-1 轴的功用和类型三、轴设计中的主要问题1) 合理选择材料 2) 轴的结构设计 3) 轴的工作能力设计(强度和刚度设计)

4) 轴的结构形状和尺寸确定必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算。

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14-2 轴的材料一、轴的失效：多为疲劳损坏 二、轴的材料要求：足够的疲劳强度、

对应力集中的敏感性小、以及良好的加工性能等。碳素钢：35、45、50钢(优质碳素钢： 一般正火); Q235、Q275(普通碳素钢：不重要或者受力较小) 合金钢：40CrNi、38CrMoAlA;20Cr、20CrMnTi;(重载、要求减轻重量时、要求提高耐磨性；淬火、调质)

球墨铸铁：铸铁 QT、合金铸铁、形状复杂轴 钢种和热处理对弹性模量影响很小，对增大轴刚度无效 (增大轴径、减小跨距) 合金钢强度高，但对应力集中敏感，如果结构上和表面上 不注意，轴强度得不到改善

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14-3 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： 轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装) 1.2. 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。 轴端挡圈 带轮 轴承盖 套筒 齿轮 滚动轴承

典型 轴系 结构

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14-3 轴的结构设计一、制造安装要求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。零件的安装次序 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。

倒角

①

②

③

④

⑤⑥ ⑦

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14-3 轴的结

构设计二、轴上零件的定位轴肩----阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。 套筒

轴肩

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14-3 轴的结构设计三、轴上零件的固定 轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶 在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。

双向固定

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14-3 轴的结构设计无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。 装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈固定。双圆螺母

轴肩的尺寸要求: r < C1 或 r < Rh h C C11 D r D

b h h

轴端挡圈 r R Rd

d

h≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm b≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)

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14-3 轴的结构设计轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。

周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现

键槽应设计成同一加工直线

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14-3 轴的结构设计四、改善轴的受力状况，减小应力集中

1. 改善受力状况图示为起重机卷筒两种布置方案。 A图中大齿轮和卷筒联成一体，转 距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷 筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中 轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷 相同时，图a结构轴的直径要小。当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷， 应将输入轮布置在中间。

T 方案 a 方案b 输出 输出 输入 Q

输出

输入

输出

Q

T2

T1T2

T1+T2

T1

T1+T2

合理

Tmax = T1

不合理 Tmax= T1+T2

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14-3 轴的结构设计2. 减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。 应力集中出现在截面突然发生变化的。

措施：1. 用圆角过渡； 2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; 3. 重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。B R d/4

B位置d/4 d

30 r

卸载槽 也可以在轮毂上增加卸载槽

过渡肩环

凹切圆角

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14-4 轴的强度计算一、按扭转强度计算 T WT3轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。

对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为： 9.55 10 6 P 0.2d 3 n 3

[ ]3

MPa

解释各符 号的意义 及单位

设计公式为： d

9.55 10 6 0.2[ ]

P n

C

P n

mm

计算结果为：最小直径！轴的材料 [τ](N/mm ) C 表14-2 常用材料的[τ]值和C值 A3,20 35 45 12~20 20~30 30~40 160~135 135~118 118~107 40Cr, 35SiMn 40~52 107~92

注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,C取较小值；否则取较大值

对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。