机械设计教程－13轴的设计（图文教程）

第一讲

一、教学目标

（一）能力目标

1.了解轴的功用、分类、常用材料及热处理。

2.能合理地进行轴的结构设计。

（二）知识目标

1.了解轴的分类，掌握轴结构设计。

2.掌握轴的强度计算方法。

3.了解轴的疲劳强度计算和振动。

二、教学内容

1.轴的分类、材料及热处理
    2.轴的结构设计
    3.轴的设计计算

三、教学的重点与难点

重点：轴的结构设计

难点：弯扭合成法计算轴的强度

四、教学方法与手段

采用多媒体教学（加动画演示），结合教具，提高学生的学习兴趣。

13.1 概述

13.1.1 轴的分类

根据承受载荷的情况，轴可分为三类

1、心轴 工作时只受弯矩的轴，称为心轴。心轴又分为转动心轴（a）和固定心轴(b)。

2、传动轴 工作时主要承受转矩，不承受或承受很小弯矩的轴，称为传动轴。

3、转轴 工作时既承受弯矩又承受转矩的轴，称为转轴。

按轴线形状分：

1、直轴

（1）光轴

作传动轴（应力集中小）

（2）阶梯轴

 优点：1）便于轴上零件定位；2）便于实现等强度

2、曲轴

另外还有空心轴（机床主轴）和钢丝软轴（挠性轴）——它可将运动灵活地传到狭窄的空间位置。如牙铝的传动轴。

13.2 轴的结构设计

轴的结构设计就是确定轴的外形和全部结构尺寸。但轴的结构设计原则上应满足如下要求：1)轴上零件有准确的位置和可靠的相对固定；

2)良好的制造和安装工艺性；

3)形状、尺寸应有利于减少应力集中；

4）尺寸要求。

13.2.1 轴上零件的定位和固定

轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装位置；固定则是为了保证轴上零件在运转中保持原位不变。作为轴的具体结构，既起定位作用又起固定作用。

1、轴上零件的轴向定位和固定：轴肩、轴环、套筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、螺钉锁紧挡圈、轴端挡圈以及圆锥面和轴端挡圈等。

2、轴上零件的周向固定：销、键、花键、过盈配合和成形联接等，其中以键和花键联接应用最广。

13.2.1 轴的结构工艺性

轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求。为此，常采用以下措施：

1、当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留有退刀槽或砂轮越程槽。

2、轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置。

3、为了便于轴上零件的装配和去除毛刺，轴及轴肩端部一般均应制出45º的倒角。过盈配合轴段的装入端常加工出带锥角为30º的导向锥面。

4、为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。

13.2.3 提高轴的疲劳强度

轴大多在变应力下工作，结构设计时应尽量减少应力集中，以提高其疲劳强度。

1、结构设计方面 轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴相邻轴段直径不宜相差太大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹。在重要结构中可采用凹切圆角、过渡肩环，以增加轴肩处过渡圆角半径和减小应力集中。为减小轮毂的轴压配合引起的应力集中，可开减载槽。

2、制造工艺方面 提高轴的表面质量，降低表面粗糙度，对轴表面采用碾压、喷丸和表面热处理等强化方法，均可显著提高轴的疲劳强度。

13.2.4各轴段的直径和长度的确定

1、各轴段直径确定

a) 按扭矩估算所需的轴段直径d _min； b) 按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。

注意：①与标准零件相配合轴径应取标准植；②同一轴径轴段上不能安装三个以上零件。

2、各轴段长度

① 与各轴段上相配合零件宽度相对应；②考虑零件间的适当间距——（特别）是转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。

13.3 轴的强度计算

13.3.1轴的扭转强度计算 

圆轴扭转的强度条件为

由上式可得轴的直径计算公式：

式中  A—计算常数，与轴的材料和承载情况有关

上式计算求得的轴颈，对有一个键槽的轴段应增大3％，对有两个键槽的轴段应增大7％。

13.3.2按弯扭合成强度计算 

在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：

由上式可推得轴设计公式为：

—当量应力（N/㎜²）；

M_e—当量弯矩（N·㎜），；M为危险截面上的合成弯矩，，其中M_H、M_V分别为水平面上、垂直面上的弯矩。

W－轴危险截面弯曲截面系数，对圆截面W≈0.1d³。

－折合系数。对于不变的扭矩，；对于脉动循环扭矩，；对于频繁正反转的轴，τ可视为对称循环交变应力，取=1。若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理；

、、—分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下材料的许用弯曲应力

当危险截面有键槽时，应将计算得轴径增大4%～7%。

13.3.3轴的刚度计算

防止轴过大的弹性变莆而影响轴上零件的正常工作，要求控制其受载后的变形量不超过最大允许变形量。

1、弯曲刚度

按材料力学公式计算出轴的挠度y和偏转角

挠曲线方程：

挠度：  积分二次

偏转角：积分一次

[y]——轴的允许挠度，mm

[]——轴的允许偏转角mm，rad

2、扭转刚度——每米长的扭转角度

扭转角  °/m  

一般传动轴，许用扭转角，精密传动轴：

13.3.4轴的振动稳定性及临界转速

轴由于组织不均匀，加工误差等原因，质心会偏离轴线产生离心力，随着轴的旋转离心力（方向）会产生周期性变化→周期性的干扰力→弯曲振动（横向）→当振动频率与轴本身的弯曲自振频一致时→产生弯曲共振现象。——较常见

另外，当轴传递的功率有周期性变化时→扭转振动→扭转共振。

临界转速——轴引起共振时的转速称为临界转速，在临界转速附近，轴将产生显著变形。同型振动有多个临界转速，其中最低的叫一阶临界转速，其余的叫二、三阶临界转速。

工作转速n低于一介临界转速n_c1称为刚性轴

工作转速n高于一介临界转速n_c1称为挠性轴

一般：刚性轴：      n_c1、n_c2——分别为一阶和二阶临界转速

挠性轴：

∴高速轴应使其工作转速避开相应的高阶临界转速。

提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施（补充）

13.4轴的材料及选择

轴的材料主要是碳素钢和合金钢。

碳素钢比合金钢价廉，对应力集中敏感性较小，应用较为广泛。常用的碳素钢有30、40、45和50钢，其中以45钢应用最广。为改善其机械性能，可进行正火或调质处理。

合金钢具有较好的机械性能，但价格较贵。当载荷大，要求尺寸小，重量轻或有其它特殊要求的轴，可采用合金钢。

球墨铸铁容易获得复杂的形状，而且吸振性好，对应力集中敏感性低，适用于制造外形复杂的轴，如曲轴和凸轮轴等。

注意：①由于碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同，所以采用合金钢并不能提高轴的刚度。②轴的各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压）对提高轴的疲劳强度有显著效果。

轴的常用材料及力学性能见表13.4

13.5 轴的设计

1、选择轴的材料 

根据轴的工作要求，并考虑工艺性和经济性，选择合适的材料。

2、初步确定轴的直径

可按扭转强度条件计算轴最细部分的直径，也可用类比法确定。

3、轴的结构设计 

根据轴上零件的数量、工作情况及装配方案，画出阶梯结构设计草图。由轴最细部分的直径递推各段轴直径，相邻两段轴直径之差通常可取为5～10㎜。各段轴的长度由轴上各零件的宽度及装配空间确定。

4、轴的强度校核 

首先对轴上传动零件进行受力分析，画出轴弯矩图和扭矩图，判断危险截面，然后对轴危险截面进行强度校核。当校核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至校核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。

5、轴的安全系数校核计算

1、疲劳强度校核——精确计算（比较重要的轴）

要考虑载荷性质、应力集中、尺寸因素和表面质量及强化等因素的影响。

根据结构设计选择Mca较大，并有应力集中的几个截面，计算疲劳强度安全系数

    S——许用安全系数

其中：               

            按

综合影响因素—材料特性， 、、、——见第二章，具体见例题。

2、静强度校核——校核轴对塑性变形的抵抗能力（略）

考虑瞬间最大瞬时载荷的影响。

   S_S——许用安全系数  S_S=1.2~2

1、轴的分类，轴的常用材料及热处理。

2、轴的结构设计

3、轴的强度计算。

作业与思考：

1、轴按功用与所受载荷的不同分哪几种？常见的轴大多属于哪一种？

2、轴的结构设计应从哪几个方面考虑？

3、轴上零件的周向固定有哪些方法？采用键固定时应注意什么？

该文章所属专题：机械设计教程

第二讲

一、教学目标

（一）能力目标

1.熟悉键的类型、能根据不同场合选择合适的键连接

2.能验算键连接的强度

（二）知识目标

1.了解键的类型、特点及应用

2.掌握键的选择与验算

二、教学内容

1.键联接的类型、特点及应用
    2.普通平键联接尺寸选择及强度校核
    3.花键联接

三、教学的重点与难点

键的选择与验算。

四、教学方法与手段

采用多媒体教学（加动画演示），结合教具，提高学生的学习兴趣。

13.6  轴毂联接

轴毂联接：轴与轮状零件的毂间的联接。

主要类型：键联接、花键联接、过盈配合联接及销联接。

13.6.1键联接

（一）键联接的类型和应用

键可分为平键、半圆键、楔键、切向键等多种类型，且已标准化。

1、平键联接 平键的两侧面是工作面，与键槽配合，工作时靠键与键槽侧面互相挤压传递扭矩。

    按用途可分为普通平键、导键、滑键。

普通平键用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动的联接。按端部形状可分为A型(圆头)B型(方头)、C型(单圆头)三种。

导键和滑键都用于动联接，即轴与轮毂间有相对轴向移动的联接。导键适用于轴向移动距离不大的场合，如机床变速箱中的滑移齿轮。滑键用于轴上零件在轴上移动距离较大的场合，以免使用长导键。

                               滑键联接

2、半圆键联接 键的两侧面为工作面。用于静联接，定心性好，装配方便，但键槽较深，对轴的强度削弱较大。主要用于轻载荷和锥形轴端。

3、楔键联接和切向键联接

楔键的上、下两面是工作面。仅适用于传动精度要求不高，载荷平稳和低速的场合。

楔键分普通楔键和钩头楔键两种。

切向键是由一对具有斜度1﹕100的楔键组成。切向键的上下两个相互平行的窄面为工作面。适用于对中要求不严，载荷很大，大直径轴的联接。

（二）键联接的类型选择和平键的强度验算

1、键联接的类型选择 

选键联接的类型时，应考虑的因素：载荷的类型；所需传递转矩的大小；对于轴毂对中性的要求；键在轴上的位置(在轴的端部还是中部)；联接于轴上的带毂零件是否需要沿轴向滑移及滑移距离的长短；键是否要具有轴向固定零件的作用或承受轴向力等。

2、平键的尺寸选择 

平键的主要尺寸为键宽b、键高h与长度L。设计时，键的剖面尺寸可根据轴的直径d按手册推荐选取。键的长度一般略短于轮毂长度，但所选定的键长应符合标准中规定的长度系列。

3、平键联接的强度验算

按标准选取的平键联接，只需按工作面上的挤压应力（对于动联接常用压强）进行强度计算。

在计算中，假设载荷沿键的长度和高度均布。则其强度条件为

式中  －键的工作长度（㎜），圆头平键 =L-b，方头平键=L,单圆头平键＝。

－键联接中挤压强度最低的零件的许用挤压应力（对于动联接则以许用压强[p]代替式中的（N/㎜2），查表13.6

如果验算结果强度不够时，可采取以下措施：

1)适当增加键和轮毂的长度，但键的长度一般不应超过2.5d，

2)可在同一轴毂联接处相隔180°布置两个平键。

例 已知减速器中直齿圆柱齿轮和轴的材料都是锻钢，齿轮轮毂长度为120㎜，轴的直径d=100㎜，所需传递的转矩T=3000N·m，载荷有轻微冲击。试选择平键联接的尺寸并校核其强度。

解：1)根据d=100㎜从手册标准中选取圆头普通平键(A型)，b=28㎜，h=16㎜，L=110㎜(比轮毂长度小10㎜)。

2)校核该联接的强度

其中       =L－b=(110－28)=82㎜

则            

查得=100N/㎜2，则该平键联接强度足够。

13.6.2 花键联接

花键联接由多个键齿构成，键齿沿轴和毂孔的周向均布。齿侧面为工作面，适用于静、动联接。

根据齿形的不同，花键联接按齿形分为矩形花键、渐开线花键和三角形花键三种。其中矩形花键加工方便，应用最广。渐开线花键工艺性好，强度大，适用于重载及尺寸较大的联接。三角形花键齿小而多，对轴的削弱小，常用于轻载和直径小的静联接，也适用于薄壁套筒与轴的联接。

13.6.3 销联接

销联接主要用来固定零件之间的相互位置，也可用于轴和轮或其它零件的联接，并传递不大的载荷，有时还可用来作安全装置中的过载剪断元件。

圆柱销利用微量的过盈装配在铰光的销孔中，如果多次装拆，就会松动，失去定位的精确性和联接的紧固性。

圆锥销有1﹕50的锥度，在受横向力时可以自锁；装配在铰光的销孔中，可多次装拆而不影响定位的精确性。

定位销通常不受载荷或受很小的载荷，其尺寸根据经验从标准中选取。承受载荷的销(如承受剪切和挤压等)，一般先根据使用和结构要求选择其类型和尺寸，然后校核其强度。

开口销是一种防松零件，常用低碳钢丝制造。

小结：

1、键连接的类型、特点及应用。

2、键的选择与验算。

作业与思考：

1、花键联接定心方法有哪些？

2、在齿轮减速器中，为什么低速轴的直径要比高速轴的直径大得多？

该文章所属专题：机械设计教程