第11章轴的设计

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1、第11章 轴的设计轴的设计轴的设计 传动件必须支承起来才能进行工作，用来支承传动件的零件称为轴。轴本身又必须被支承起来，轴上被支承的部分称为轴颈，支承轴颈的支座称为轴承。轴的结构和尺寸是由被支持的零件和支承它的轴承的结构和尺寸决定的，是重要的非标准零件。轴的设计轴的设计11.1 11.1 概概 述述11.2 11.2 轴的材料及选择轴的材料及选择11.3 11.3 轴的结构设计轴的结构设计11.4 11.4 轴的强度计算轴的强度计算11.5 11.5 轴的刚度计算轴的刚度计算11.6 11.6 轴的设计方法及设计步骤轴的设计方法及设计步骤11.1.1 11.1.1 轴的功用轴的功用v轴的功用主

2、要是支承回转零件轴的功用主要是支承回转零件( (如齿轮、带如齿轮、带轮等轮等) )，并能传递运动和转矩。轴是组成机，并能传递运动和转矩。轴是组成机器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接器的重要零件之一，轴的工作情况好坏直接影响到整台机器的性能和质量。影响到整台机器的性能和质量。11.1.2 11.1.2 轴的分类轴的分类(1)(1)直轴。轴线为直线的轴称为直轴，直轴按其外形不同又可直轴。轴线为直线的轴称为直轴，直轴按其外形不同又可分为光轴和阶梯轴。分为光轴和阶梯轴。(2)(2)曲轴。轴线为曲线的轴称为曲轴。常用于往复式机器曲轴。轴线为曲线的轴称为曲轴。常用于往复式机器( (如如曲柄、压力内燃机

3、等曲柄、压力内燃机等) )和行星轮系中。和行星轮系中。(3)(3)挠性轴。轴线可按使用要求变化的轴，挠性轴可将转矩和挠性轴。轴线可按使用要求变化的轴，挠性轴可将转矩和旋转运动绕过障碍旋转运动绕过障碍A A、B B传到所需位置，常用于建筑机械中的传到所需位置，常用于建筑机械中的捣振器、汽车中的转速表等。捣振器、汽车中的转速表等。2根据轴线的形状分类根据轴线的形状分类(1)(1)心轴。只承受弯矩而不承受转矩的轴称为心轴。心轴按其心轴。只承受弯矩而不承受转矩的轴称为心轴。心轴按其是否转动又分为转动心轴和固定心轴。是否转动又分为转动心轴和固定心轴。(2)(2)传动轴。只承受转矩不承受弯矩或承受很小弯矩

4、的轴称为传动轴。只承受转矩不承受弯矩或承受很小弯矩的轴称为传动轴。传动轴。(3)(3)转轴。既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。转轴是机器转轴。既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。转轴是机器中最常见的轴，通常简称为轴。中最常见的轴，通常简称为轴。1根据承载性质分类根据承载性质分类11.1.3 11.1.3 设计轴时要解决的主要问题设计轴时要解决的主要问题v 轴的设计一般要解决两方面的问题。轴的设计一般要解决两方面的问题。v (1) (1) 具有足够的承载能力。轴应具有足够的强度和具有足够的承载能力。轴应具有足够的强度和刚度，以保证轴能正常地工作。刚度，以保证轴能正常地工作。v (2) (2) 具有

5、合理的结构形状。轴的结构使轴上的零件具有合理的结构形状。轴的结构使轴上的零件能可靠地固定和便于装拆，同时要求轴的加工方便能可靠地固定和便于装拆，同时要求轴的加工方便和成本低廉和成本低廉轴的设计轴的设计11.1 11.1 概概 述述11.2 11.2 轴的材料及选择轴的材料及选择11.3 11.3 轴的结构设计轴的结构设计11.4 11.4 轴的强度计算轴的强度计算11.5 11.5 轴的刚度计算轴的刚度计算11.6 11.6 轴的设计方法及设计步骤轴的设计方法及设计步骤11.2 11.2 轴的材料及选择轴的材料及选择v 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。v (1)

6、 (1) 碳素钢比合金钢价格便宜，对应力集中的敏感性低，碳素钢比合金钢价格便宜，对应力集中的敏感性低，中碳优质钢经过热处理后，能获得良好的综合力学性能，中碳优质钢经过热处理后，能获得良好的综合力学性能，故应用广泛。常用的碳素钢有故应用广泛。常用的碳素钢有3535、4040、4545等，其中等，其中4545钢钢最为常用。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。最为常用。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。受载较小或不重要的轴，也可采用受载较小或不重要的轴，也可采用Q235Q235、Q275Q275等碳素结等碳素结构钢制造。构钢制造。v (2) (2) 合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和热处理

7、性能，合金钢比碳素钢具有更高的力学性能和热处理性能，但对应力集中的敏感性强，价格较贵，因此多用于高速、但对应力集中的敏感性强，价格较贵，因此多用于高速、重载及要求耐磨、耐高温或低温等特殊条件的场合。由重载及要求耐磨、耐高温或低温等特殊条件的场合。由于在常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差很小，因此于在常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差很小，因此用合金钢代替碳素钢并不能明显提高轴的刚度。用合金钢代替碳素钢并不能明显提高轴的刚度。v 轴的毛坯一般采用热轧圆钢或锻件。对于形状复杂的轴轴的毛坯一般采用热轧圆钢或锻件。对于形状复杂的轴( (如曲轴、凸轮轴等如曲轴、凸轮轴等) )也可采用铸钢或球墨铸铁，后者

8、具也可采用铸钢或球墨铸铁，后者具有吸振性好，对应力集中敏感性低、价廉等优点。有吸振性好，对应力集中敏感性低、价廉等优点。11.2 11.2 轴的材料及选择轴的材料及选择材料牌号热处理方法毛坯直径/mm硬度/HBS抗拉强度/MPa屈服点/MPa许用弯曲应力/MPa备注不小于Q235-A热 扎 或 锻后空冷1001002504004203753902252151257040用于不重要的轴35正火100149187 5202701707545用于一般轴45正火100170217 6003002009555应用最为广泛调质200217255 6503602151086040Cr调质1002412867

9、5055024512070用于载荷较大，但冲击不太大的重要轴10030070050035SiMn调质100229286 80052027013075用于中、小型轴 ， 可 代 替40Cr42SiMn调质40MnB调质200241286 75050024512070用于小型轴，可代替40Crbs1 b 0b1 b表表11-1 11-1 轴的常用材料及其主要力学性能轴的常用材料及其主要力学性能轴的设计轴的设计11.1 11.1 概概 述述11.2 11.2 轴的材料及选择轴的材料及选择11.3 11.3 轴的结构设计轴的结构设计11.4 11.4 轴的强度计算轴的强度计算11.5 11.5 轴的刚

10、度计算轴的刚度计算11.6 11.6 轴的设计方法及设计步骤轴的设计方法及设计步骤11.3.1 11.3.1 轴的组成轴的组成 如图如图11-711-7所示为一圆柱齿轮减速器的低速轴，是一个典所示为一圆柱齿轮减速器的低速轴，是一个典型的阶梯形转轴。轴主要由轴颈、轴头和轴身型的阶梯形转轴。轴主要由轴颈、轴头和轴身3 3部分组成。部分组成。 (1) (1) 轴颈。轴上与轴承配合的部分称为轴颈。根据轴颈所轴颈。轴上与轴承配合的部分称为轴颈。根据轴颈所在的位置又可分为端轴颈在的位置又可分为端轴颈( (位于轴的两端，只承受弯矩位于轴的两端，只承受弯矩) )和中轴和中轴颈颈( (位于轴的中间，同时承受弯矩

11、和转矩位于轴的中间，同时承受弯矩和转矩) )。 (2) (2) 轴头。安装轮毂的部分称为轴头。轴头。安装轮毂的部分称为轴头。 (3) (3) 轴身。连接轴颈和轴头的部分称为轴身。轴身。连接轴颈和轴头的部分称为轴身。图图11-7 11-7 轴的组成轴的组成11.3.2 11.3.2 轴上零件的定位与固定轴上零件的定位与固定( (二二) )轴上零件的周向定位与固定轴上零件的周向定位与固定周向定位与固定的目的是限制轴上零件相对于轴转动和保证同心度，以更好地传递运动和转矩，避免轴上零件与轴发生相对转动。常用的轴上零件的周向定位与固定方法有销、键、花键、过盈配合和紧定螺钉联接等。 ( (一一) )轴上零