轴的分类与结构设计及其应用课件.pptx

1、15-1 概概 述述1 轴的用途及分类轴的用途及分类2 轴轴的的设计设计3 轴的材料轴的材料1 轴的用途及分类轴的用途及分类轴的功用轴的功用支撑回转零件，传递运动和动力。支撑回转零件，传递运动和动力。轴的分类轴的分类按承受载荷不同分类按承受载荷不同分类 转轴：既承受弯矩又承受扭矩的轴，如齿轮轴转轴：既承受弯矩又承受扭矩的轴，如齿轮轴 心轴：只承受弯矩而不承受扭矩的轴，心轴：只承受弯矩而不承受扭矩的轴，如自行车前轴、滑轮轴、火车车轮轴。分为如自行车前轴、滑轮轴、火车车轮轴。分为转动心轴和固定心轴。转动心轴和固定心轴。固固定定心心轴轴固定件固定件转动心轴转动心轴前轮轮毂前轮轮毂前叉前叉自行车自行车

2、前轮轴前轮轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴 传动轴：工作时只承受扭矩，不承受弯矩传动轴：工作时只承受扭矩，不承受弯矩或所承受弯矩很小的轴。如汽车传动轴，万或所承受弯矩很小的轴。如汽车传动轴，万向联轴器中间轴。向联轴器中间轴。双万向联轴器中间轴双万向联轴器中间轴发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴按轴线形状分类按轴线形状分类 曲轴：通过连杆可将旋转运动转化为直线曲轴：通过连杆可将旋转运动转化为直线运动或将直线运动转化为旋转运动。如汽车运动或将直线运动转化为旋转运动。如汽车发动机曲轴。发动机曲轴。潘存云教授研制 直轴：直轴：直轴又分为光轴、阶梯轴；实心轴、空心轴直轴

3、又分为光轴、阶梯轴；实心轴、空心轴 光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传动轴动轴 阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴 钢丝软轴：又称钢丝挠性轴，具有良好的挠性，可灵钢丝软轴：又称钢丝挠性轴，具有良好的挠性，可灵活地将回转运动传递到不开敞的位置。活地将回转运动传递到不开敞的位置。钢丝软轴的绕制钢丝软轴的绕制钢丝软轴钢丝软轴的应用的应用钢丝软轴钢丝软轴 管道疏通器管道疏通器2 轴轴的的设计设计轴的结构设计轴的结构设计 主要解决轴上零件的安装、拆卸、定主要解决轴上零件的安装、拆卸、定位以及轴的加

4、工制造工艺等问题，结合工位以及轴的加工制造工艺等问题，结合工作能力计算确定轴的合理结构形状及各部作能力计算确定轴的合理结构形状及各部分尺寸。分尺寸。轴的工作能力设计轴的工作能力设计 保证轴具有足够的承载能力，根据工作要保证轴具有足够的承载能力，根据工作要求对轴进行强度计算、刚度计算、振动稳定性求对轴进行强度计算、刚度计算、振动稳定性计算等。计算等。轴设计应解决的两方面问题轴设计应解决的两方面问题根据总体结构的要求进行轴的结构设计轴的承载能力验算验算合格?结 束yesno 轴的设计过程是：轴的设计过程是：3 轴的材料轴的材料轴的材料：主要是碳钢和合金钢轴的材料：主要是碳钢和合金钢轴的毛坯：轧制圆

5、钢：轴的毛坯：轧制圆钢：d100mmd100mmd100mm.一般应用一般应用:45:45钢钢(35(35、5050代用代用)，调质正火，调质正火.传递大动力，要求减少尺寸及重量，提传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高高 强度、耐磨性时：强度、耐磨性时：40Cr 40CrNi 40MnB40Cr 40CrNi 40MnB 等，调质或轴颈表面淬火。等，调质或轴颈表面淬火。.高速、冲击载荷时，应提高轴的抗疲劳强高速、冲击载荷时，应提高轴的抗疲劳强度度 20Cr 20CrMnTi 20Cr20Cr 20CrMnTi 20Cr2 2NiNi4 4A A等，表面处理等，表面处理 （渗碳淬火、氧化、氮化）

6、，表面强化处理（渗碳淬火、氧化、氮化），表面强化处理 （喷丸、滚压）。（喷丸、滚压）。.形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：球墨铸铁、合金铸铁。球墨铸铁、合金铸铁。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高（2）合理设计轴上零件的结构，以减小轴的载荷如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位。轴的结构设计的主要要求：传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高向力，通常通过螺钉或榫传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高（1）安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值。为保证零件与定位面靠紧，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于零件圆角半径R或倒角

7、C。（2）轴上的零件应便于装拆和调整。作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转动。20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理轴的材料：主要是碳钢和合金钢（渗碳淬火、氧化、氮化），表面强化处理 轴的材料轴的材料15-2 轴的结构设计轴的结构设计1 拟订轴上零件的装配方案拟订轴上零件的装配方案2 轴上零件的定位轴上零件的定位3 各轴段直径和长度的确定各轴段直径和长度的确定4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性5 提高轴的强度的常用措施提高轴的强度的常用措施轴的结构设计的主要要求：轴的结构设计的主要要求：轴的结构没有标准的形式，应视具体情况设计，但都轴的结构没有标准的形式，应视具体情况设计，

8、但都应满足如下要求：应满足如下要求：（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置。）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置。（2）轴上的零件应便于装拆和调整。轴上的零件应便于装拆和调整。（3）轴应具有良好的制造工艺性。）轴应具有良好的制造工艺性。定位固定要求定位固定要求安装要求安装要求制造加工要求制造加工要求轴的组成轴的组成1 拟订轴上零件的装配方案拟订轴上零件的装配方案典型典型轴系轴系结构结构轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承装配方案包括：轴上主要零件的装配方向、装配顺序和相互关系。装配方案包括：轴上主要零件的装配方向、装配顺序和相互关系。潘存云教授研制 轴上

9、零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。案，进行分析与选择。图示减速器输出轴就图示减速器输出轴就有两种装配方案。有两种装配方案。潘存云教授研制sa B c L a圆锥圆柱齿轮圆锥圆柱齿轮二级减速器二级减速器 方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，且质量较大，故不如方案一方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，且质量较大，故不如方案一合理合理 。2 轴上零件的定位轴上零件的定位 轴上零件常用的轴向定位方法有：轴肩轴上零件常用的轴向定位方法有：轴肩、套筒套筒 轴端挡圈轴端挡圈、圆螺母、圆螺

10、母、轴承端盖等。轴承端盖等。轴上零件的轴向定位轴上零件的轴向定位阶梯轴上截面变化处，叫轴肩。阶梯轴上截面变化处，叫轴肩。轴肩轴肩轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。轴肩分为定位轴肩和非定位轴肩两类。轴上零件尽量靠近支承，减小支承之间跨距，减小弯矩；简化了轴的结构且不削弱轴的强度。1 拟订轴上零件的装配方案光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传动轴直轴又分为光轴、阶梯轴；光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传动轴设计时可拟定几种装配方一般应用:45钢(35、50代用)，调质正火球墨铸铁、合金铸铁。20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理轴的结构设计的主要要求：（2）轴

11、上的零件应便于装拆和调整。（3）减小轴上的应力集中。强度、耐磨性时：40Cr 40CrNi 40MnB槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位作用 定位轴肩定位轴肩 轴承定位轴肩轴承定位轴肩齿轮定位轴肩齿轮定位轴肩半联轴器定位轴肩半联轴器定位轴肩定位轴肩特点：定位轴肩特点：a.方便可靠方便可靠b.能承受较大的轴向力能承受较大的轴向力c.使轴径增大，阶梯处形成应力集中使轴径增大，阶梯处形成应力集中d.轴肩过多时，将不利于加工。轴肩过多时，将不利于加工。设计时注意：设计时注意：a.滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈高度，以便滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈高度，以便拆卸轴承。拆卸轴承。

12、b.为保证零件与定位面靠紧，轴肩处的过渡圆角半径为保证零件与定位面靠紧，轴肩处的过渡圆角半径r必必须小于零件圆角半径须小于零件圆角半径R或倒角或倒角C。结构不合结构不合理！理！结构不合理！结构不合理！非定位轴肩非定位轴肩 为加工装配方便设定，高度及过渡部为加工装配方便设定，高度及过渡部位无特殊要求，但不应引起应力集中，高度取位无特殊要求，但不应引起应力集中，高度取12mm。套筒定位套筒定位 套筒套筒特点：特点：a.简单可靠简单可靠c.简化了轴的结构且不削弱轴的强度。简化了轴的结构且不削弱轴的强度。b.可实现两端定位。可实现两端定位。设计时注意：设计时注意：a.如两零件的间距较大时，不宜采用套筒

13、定位。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位。b.如轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。如轴的转速很高时，也不宜采用套筒定位。圆螺母：圆螺母：可承受较大的轴向力，但因切制螺纹而易引起应力集可承受较大的轴向力，但因切制螺纹而易引起应力集中，降低轴的疲劳强度中，降低轴的疲劳强度双圆螺母双圆螺母主要用于轴端或轴上两零件间距较大时。主要用于轴端或轴上两零件间距较大时。轴端挡圈轴端挡圈 只适用于定位轴端零件。只适用于定位轴端零件。弹性挡圈、紧钉螺钉、锁紧挡圈作轴向定位弹性挡圈、紧钉螺钉、锁紧挡圈作轴向定位 特点：承受轴向力能力较差，适用于轴向力不大特点：承受轴向力能力较差，适用于轴向力不大的场合。的场合

14、。弹性挡圈弹性挡圈紧钉螺定紧钉螺定锁紧挡圈锁紧挡圈形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转动。15-2 轴的结构设计轴上零件尽量靠近支承，减小支承之间跨距，减小弯矩；（2）合理设计轴上零件的结构，以减小轴的载荷20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴等，调质或轴颈表面淬火。轴径突变处尽量采用大的过渡圆角，若轴肩为定位轴肩，且不允许大的圆角过渡时，可采用过渡肩环或内凹圆角（2）轴上的零件应便于装拆和调整。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈高度，以便拆卸轴承。传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高一

15、般应用:45钢(35、50代用)，调质正火支撑回转零件，传递运动和动力。滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈高度，以便拆卸轴承。6圆锥面定位圆锥面定位 特点：特点：多用于承受冲击多用于承受冲击 载荷和同心度要求较高的载荷和同心度要求较高的 轴端零件。轴端零件。轴承盖轴承盖 特点：可承受较大的轴特点：可承受较大的轴 向力，通常通过螺钉或榫向力，通常通过螺钉或榫 槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位作用作用 零件的周向定位零件的周向定位 作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转动。动。常用定位零件：键、花键、销、

16、紧钉螺定、常用定位零件：键、花键、销、紧钉螺定、有时可用过盈配合、型面联接等。有时可用过盈配合、型面联接等。3 各轴段直径和长度的确定各轴段直径和长度的确定各各轴轴段直径的确定段直径的确定首先按扭转强度初步估算轴的直径首先按扭转强度初步估算轴的直径30minnPAd A A0 0值查表确定值查表确定然后考虑轴上零件的然后考虑轴上零件的装配方案和装配方案和定位要求，定位要求，确确定各定各轴段的直径段的直径按纯扭按纯扭T确定确定dmin 从从dmin(处于轴端处于轴端)开始开始 轴中间轴中间(d )nPT9500在确定各轴段直径时应注意的问题；在确定各轴段直径时应注意的问题；（1）安装标准件的部位

17、的轴径，应取为相应的标准值。）安装标准件的部位的轴径，应取为相应的标准值。（2）为了使齿轮、轴承等零件装拆方便，可设置非定位）为了使齿轮、轴承等零件装拆方便，可设置非定位轴肩。轴肩。各各轴轴段长度的确定段长度的确定 轴的各段长度主要是根据轴上零件的宽度及它轴的各段长度主要是根据轴上零件的宽度及它们的相对位置来确定。们的相对位置来确定。在确定轴长时注意：在确定轴长时注意：为了保证轴向定位可靠，与齿轮和为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短般应比轮毂长度短2 3mm。结构不合理！结构不合理！保证零件所需的装配空间、调整空间

18、。应考虑轴保证零件所需的装配空间、调整空间。应考虑轴上零件之间的距离及轴上零件与机架之间的距离上零件之间的距离及轴上零件与机架之间的距离4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性主要考虑以下因素：主要考虑以下因素：（1）为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应制出45的倒角。的倒角。（2）需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽。）需要磨削加工的轴段，应留有砂轮越程槽。（3）需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽。轴径突变处尽量采用大的过渡圆角，若轴肩为定位轴肩，且不允许大的圆角过渡时，可采用过渡肩环或内凹圆角20Cr 20CrMnTi 20Cr2

19、Ni4A等，表面处理5 提高轴的强度的常用措施传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高为保证零件与定位面靠紧，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于零件圆角半径R或倒角C。20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理支撑回转零件，传递运动和动力。阶梯轴上截面变化处，叫轴肩。载荷和同心度要求较高的如汽车传动轴，万向联轴器中间轴。（2）轴上的零件应便于装拆和调整。阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高轴上零件尽量靠近支承，减小支承之间跨距，减小弯矩；等，调质或轴颈表面淬火。（4）为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键为了减少装夹工件的时间，同一轴上

20、不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上。槽应布置在轴的同一母线上。（5）为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直为了减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和径相近处的圆角、倒角、键槽宽度、砂轮越程槽宽度和退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。退刀槽宽度等应尽可能采用相同的尺寸。倒角倒角形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：圆锥圆柱齿轮二级减速器特点：可承受较大的轴20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理简化了轴的结构且不削弱轴的强度。圆锥圆柱齿轮二级减速器轴的毛坯：轧制圆钢：d100mm槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位

21、作用滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈高度，以便拆卸轴承。（1）轴和装在轴上的零件要有准确的工作位置。特点：可承受较大的轴形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高（1）合理布置轴上传动零件的位置，以减小轴的载荷1 拟订轴上零件的装配方案5 提高轴的强度的常用措施提高轴的强度的常用措施 尽量减小悬臂长度或不采用悬臂布置；轴上零件尽量靠近支承，减小支承之间跨距，减小弯矩；轴上几个传动件时，应合理布置其顺序，尽量将输入放中间，减小转矩。（1）合理布置轴上传动零件的位置，以合理布置轴上传动零件的位置，以减小轴的载荷减小轴的载荷（2）合理设计轴上零件的结构，）合理设

22、计轴上零件的结构，以减小轴的载荷以减小轴的载荷（3）减小轴上的应力集中。减小轴上的应力集中。轴径突变处尽量采用大的过渡圆角，若轴肩为定轴径突变处尽量采用大的过渡圆角，若轴肩为定位轴肩，且不允许大的圆角过渡时，可采用过渡肩环位轴肩，且不允许大的圆角过渡时，可采用过渡肩环或内凹圆角或内凹圆角内圆角内圆角小圆角小圆角大圆角大圆角尖角尖角应力场应力场改进轴的表面质量：降低表面粗糙度值，采取改进轴的表面质量：降低表面粗糙度值，采取表面强化措施。表面强化措施。谢谢 谢！谢！直轴：直轴：直轴又分为光轴、阶梯轴；实心轴、空心轴直轴又分为光轴、阶梯轴；实心轴、空心轴 光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传

23、光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传动轴动轴 阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴阶梯轴：轴上零件易于装配定位，转轴多为阶梯轴 钢丝软轴钢丝软轴 3 轴的材料轴的材料轴的材料：主要是碳钢和合金钢轴的材料：主要是碳钢和合金钢轴的毛坯：轧制圆钢：轴的毛坯：轧制圆钢：d100mmd100mmd100mm.一般应用一般应用:45:45钢钢(35(35、5050代用代用)，调质正火，调质正火.传递大动力，要求减少尺寸及重量，提传递大动力，要求减少尺寸及重量，提高高 强度、耐磨性时：强度、耐磨性时：40Cr 40CrNi 40MnB40Cr 40CrNi 40MnB 等，调质或轴颈表面淬火

24、。等，调质或轴颈表面淬火。.高速、冲击载荷时，应提高轴的抗疲劳强高速、冲击载荷时，应提高轴的抗疲劳强度度 20Cr 20CrMnTi 20Cr20Cr 20CrMnTi 20Cr2 2NiNi4 4A A等，表面处理等，表面处理 （渗碳淬火、氧化、氮化），表面强化处理（渗碳淬火、氧化、氮化），表面强化处理 （喷丸、滚压）。（喷丸、滚压）。.形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：形状复杂的轴（曲轴、齿轮轴、空心轴）：球墨铸铁、合金铸铁。球墨铸铁、合金铸铁。15-2 轴的结构设计轴的结构设计1 拟订轴上零件的装配方案拟订轴上零件的装配方案2 轴上零件的定位轴上零件的定位3 各轴段直径和长度的确定各

25、轴段直径和长度的确定4 轴的结构工艺性轴的结构工艺性5 提高轴的强度的常用措施提高轴的强度的常用措施轴的组成轴的组成20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4A等，表面处理轴径突变处尽量采用大的过渡圆角，若轴肩为定位轴肩，且不允许大的圆角过渡时，可采用过渡肩环或内凹圆角主要解决轴上零件的安装、拆卸、定位以及轴的加工制造工艺等问题，结合工作能力计算确定轴的合理结构形状及各部分尺寸。（3）减小轴上的应力集中。在确定各轴段直径时应注意的问题；轴肩过多时，将不利于加工。如两零件的间距较大时，不宜采用套筒定位。槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位作用作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转动。（2

26、）轴上的零件应便于装拆和调整。光轴：轴上零件不易装配定位，主要用于心轴和传动轴装配方案包括：轴上主要零件的装配方向、装配顺序和相互关系。一般应用:45钢(35、50代用)，调质正火支撑回转零件，传递运动和动力。槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定位作用潘存云教授研制套筒定位套筒定位 套筒套筒特点：特点：a.简单可靠简单可靠c.简化了轴的结构且不削弱轴的强度。简化了轴的结构且不削弱轴的强度。b.可实现两端定位。可实现两端定位。零件的周向定位零件的周向定位 作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转作用：防止和限制轴上零件与轴发生相对转动。动。常用定位零件：键、花键、销、紧钉螺定、常用定位零件：键、花键、销、紧钉螺定、有时可用过盈配合、型面联接等。有时可用过盈配合、型面联接等。