第四篇 轴系零、部件
轴承的功用,1.用来支承轴及轴上的零件, 并保证轴的旋
转精度 。
2.减少轴与支承面间的摩擦与磨损 。
１,（轴承的反力与轴中心线的位置）：
? 径向轴承（轴承的支承反力与轴中心线垂直）；
? 推力轴承（轴承的支承反力与轴中心线重合）；
? 向心推力轴承（轴承的支承反力与轴中心线有
一夹角）
２,按摩擦性质分：滑动摩擦轴承；滚动摩擦轴承。
分类：
轴承
离合器、联轴器
轴
第十五章 轴
① 明确轴的功用和分类方法
② 会根据工况条件正确选材及确定热处理方法
③ 明确工作能力要求，会对其进行必要的计算
④ 掌握轴系的结构设计
要 求
重 点
轴系的结构设计
难 点
轴系的结构设计
一．功用
二．分类 按轴线分,直轴、曲轴、软轴
光轴 阶梯轴 空心轴
§15-1 概述
1,支撑轴上零件
2,传递运动、动力
3,确定并保持轴上零件的轴向位置
按轴的工作频率分,刚性轴,挠性轴
按受载分,心轴（静、动）、
传动轴、转轴
?
传动轴：扭矩 T
转轴,T + M
心轴, 弯矩 M
1.结构设计,? 合理地选材及适当的热处理；
? 考虑轴上零件的安装、定位、加工工艺因
素，合理地确定轴的结构形式和尺寸。
2.承载能力的计算,（轴相当于梁且工作时多数要转动）
① 静强度 ② 疲劳强度 ③ 刚度 ④ 振动稳定性
三, 轴设计的主要内容
四,轴的 失效形式和 设计准则：
1.失效形式 因强度不足发生断裂
失稳（刚度不够）
静强度、
疲劳断裂
? 对一般机械,保证足够的强度，合理的结构，良好
的工艺性。
? 对于刚度为主的轴,设计准则是刚度，即由刚度来确
定主要尺寸，验算强度。
? 对于高速轴或受周期性变载荷作用的轴,须进行振动
稳定性计算。
2.
设
计
准
则
五,轴的材料
? 对轴材料的要求,强度、刚度、耐磨性及良好的加工工
艺性。
? 材料：
常用碳素钢、合金钢。经调质或正火处理（加工量
大、便于切削）。存在局部磨损情况下，可采用局部硬
化方法。
普通碳素钢 如 Q235A,Q275等，用于不重要的场合。
优质碳素钢 如 35,45,50等。
1.碳素钢：
特 点
45钢使用最广泛
? 强度、刚度、塑性和韧性等综合机械性能好
? 应力集中敏感性小
? 热处理后提高耐磨性、疲劳强度
2,合金钢
? 对应力集中敏感性较大
? 强度和淬火性比碳素钢好
? 价格比碳素钢贵
低碳 合金钢 如 20Cr,20CrMnTi等，可渗碳淬火
中碳 合金钢 如 40Cr,1Cr18Ni9Ti,40MnB等
一般应用于有特殊要求的场合；如要求轴的重量轻，尺
寸小而受力大；强度、耐磨性要求高；高温、腐蚀介质下工
作等。
特 点
注意
1） 各种钢材、热处理前后其弹性模量差别不大，
因此要提高刚度不能用合金钢或通过热处理
的方法获得。
2） 合金钢对应力集中敏感性高，设计时必须从结构
上采取措施，减轻应力集中，并降低表面粗糙度。
3.高强度的铸铁和球铁,以铁代钢
? 对应力集中敏感性较小
? 吸振性、耐磨性好
? 可以做成复杂形状
? 价廉
? 冲击韧性低、质量不易控制
? 毛坯
圆钢棒料 尺寸小的轴
锻造毛坯 尺寸较大或为提高轴的强度
焊接毛坯 大件锻造困难
铸造毛坯 形状复杂的轴、空心轴等
特 点
常用材料见
P355表 15-1
§15－ 2 轴的结构设计
一,概述：
1.目的 —— 使轴各部分具有合理的 形状 和 尺寸
2.轴的结构设计应考虑的因素：
① 便于装拆（装配工艺性）、调整。
② 定位准确、固定可靠（工作时轴上零件有位置要求）。
③ 便于制造（制造工艺性），结构力求简单。
④ 受力合理，有利于提高强度、刚度（材尽其用）。
（并通过结构设计提高这些方面的性能）
影响轴的结构设计的因素较多，其结构设计具有较
大的灵活性、多样性，没有一个统一的标准。
程序,考虑装拆 — 定位固定方法与结构 — 兼顾受力与制造
安装轮毂的轴段 安装轴承的轴段轴颈
轴身 联接轴颈和轴头的轴段
轴头
轴 =轴头 +轴身 +轴颈3.轴的构成：
续构成
续装配
返直径确定
二, 拟定轴上零件的装配方案：
一般设计成中间大、两端小的 阶梯形状, 目的是：
? 满足轴上零件的定位和固定
? 区别不同精度、粗糙度、配合等
? 便于轴上零件的装拆
? 从承载观点 中间受弯矩大
轴上零件的装配方向、顺序和相互关系，从而确定
各段轴径。不同的装配方案，轴的结构形式就不同。设
计时多种方案分析比较，择优。
三, 轴上零件的定位和固定：
定位 ----使轴上的零件保持准确的工作位置，防止轴上零
件受力时发生轴向或周向的相对运动。
轴向定位 周向定位
轴
向
定
位
的
方
法
轴肩定位,多用于轴向力较大的场合
套筒定位,多用于两个零件之间的定位。
圆螺母定位,可承受大的轴向力，一般用于轴端零
件的固定。（注意：防松结构）
轴端挡圈,用于轴端零件的固定。
其它,用于较小轴向力的场合。如：弹性挡圈、紧
定螺钉、锁紧挡圈、圆锥面定位等。
轴承端盖定位,一般也用于整个轴系的轴向定位
方法：键、花键、销、紧定螺钉、过盈配合、成型联接等。
2.周向定位：
1.轴向定位
轴肩与轴环套筒轴向定位 圆螺母
轴端挡圈
轴向定位
端盖
轴向定位
轴向定位
弹性挡圈紧定螺钉 销 圆锥面
平键、花键
紧定螺钉
销
过盈配合
成形联接
零件的周向固定
注意：与标件配合的轴径不能任意取。
尽可能结构紧凑，同时还要保证零件所需的装配和调整空间。
五．制造、装配工艺性考虑
四,轴的各段直径及各段长度的确定,
2.直径相近的轴段，其过渡 圆角、倒角、键槽、退刀槽 等
结构尺寸尽量统一, 以减少刀具数量和换刀时间。
退刀槽越程槽
1.必要的工艺结构（退刀槽、越程槽）,已标准化，尺
寸尽量一致
3.不同轴段的各键槽方向应一致。
4.与零件过盈配合的轴端应有导向锥面。
除了要考虑强度、定位、安装等因素外，从降低成
本而言，阶梯的数量越少越好，多加工一个接阶梯，就
多一次对刀，多调整更换一次量具，相应应力集中源也
增多，不利于提高轴的疲劳强度。总之在保证使用的条
件下，力求结构简单。
1.合理的部置轴上零件以减小轴的载荷：
? 尽可能减小跨距和悬臂长度（尽可能不用悬臂支撑形式）；
2.改进轴上零件的结构以减小轴上的载荷：
3.减小应力集中（尤其合金钢） —— 圆角过度,卸载
4.改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度：
4.精度合理：
5.阶梯的数量：
六．提高轴的强度的措施：
粗糙度 表面强化处理
? 传动零件尽可能靠近轴承。
§ 15－ 3 轴的强度计算
计算准则, 满足轴的强度、刚度要求，对高速轴还应验算
其振动稳定性。
方法,初步完成结构设计后，再进行效核计算。
一, 轴的强度效核计算
① 对传动轴，按扭转强度计算；
②对心轴，按弯曲强度计算；
③对转轴，按弯扭合成强度条件计算。必要时还应按疲
劳强度条件 进行精确计算；
④对瞬时过载很大的轴，还应效核其静强度。以免塑性
变形过大。
该方法适用于只承受扭矩的传动轴，亦可对转轴进行近似计算。
对于转轴 ).(1055.9 6 mmNnP?
由轴的结构而定
T转矩
M弯矩 ( 跨距？力作用点？ )
解决办法：
用降低 来考虑 的影响MT][?
mm
n
PA
n
Pd
T
3033
6
m i n ][2.0
1055.9 ???
?
见 P362表 15-3
? ? M P and PWT T
T
?? ???? 3
6
2.0
1055.9
* 设计式：
抗弯截
面模量
仅考虑 的强度条件T
][ T
T
T W
T ?? ??
为轴传递的
功率,Kw对于实心圆轴 的强度条件为：)2.0( 3dW T ?
为轴的转速,r/min
轴的直径,mm
1.按扭转强度计算 (初算轴径 )
对于空心圆轴：
? ? mmn
PAd
3 40m i n
1 ???
6.0~5.01 ?? dd?
空心圆轴的内径
注意
? d>100mm：开有一个键槽时，增大 3%；
有两个键槽时，增大 7%；
? d?100mm：开有一个键槽时，增大 5?7%；
有两个键槽时，增大 10?15%。
2.轴上开有键槽时，应增大轴径
3,该直径只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径 dmin。
亦可按经验公式来估算轴径，一般减速机中：
高速轴 ? ?Dd 2.1~8.0?
电机直径 中心距
? ?ad 4.0~3.0?各级低速轴
1,是由轴的材料和承载情况确定的系数,M
0A
取值
0A
轴结构简图
水平弯矩图
转矩图
当量弯矩图
垂直面受力简图
垂直弯矩图
合成弯矩图
1） 已知：
轴上零件的位置，
支撑位置,载的大小、
方向、性质。
2）计算步骤：
2,按弯扭合成强度计算 （一般轴）,
材料力学第三强度
理论，同时承受 和
的某一截面强度条件为：
TM
22
22
)(4)(
4
T
Tbca
W
T
W
M
??
?? ???
bW
TM ][22 ????
对于直径 d 的实心轴
31.0 dW ? 32.0 dWT ?
aF
rF
tF
水平面受力简图
?当量弯矩
caM
和 在转轴上产生的 应力性质 可能不同。T M
M 产生的弯曲应力 b? 对称循环变应力 1?b?
T 产生的扭剪应力 为：T?
T 大小和方向不变
T 大小经常变化
T 大小和方向经常变化
静应力
1??
3.0][ ][
1
1 ??
?
?
b
b
?
??
脉动循环变应力
0?
6.0][ ][
0
1 ?? ?
b
b
?
??
对称循环变应力 1??
1][ ][
1
1 ??
?
?
b
b
?
??
将 转化为对称循环变化来考虑T 22 )( TMM
ca ???
折算系数
?（ ?）
o t
t? （ ?）
o t
? （ ?）
to
轴的应力分为三类
?转轴的强度计算
b
ca
ce d
TM
W
M ][
1.0
)(
13
22
??
??? ???校核式：
危险截面 caM 最大处较大且 较小处
caM d
? ?b1?? 见 P355表 15-1
按弯扭合成强度计算应用场合：注 意
1.对转轴,按弯扭合成只考虑了循环特性的差异，没考虑
应力集中等因素的影响，只是粗略的计算，对
重要轴应作精确计算。
2.对心轴：
? 转动心轴：
b
ca
ce d
M
W
M ][
1.0 13
2
???? ??
? 固定心轴,考虑启动、停车等的影响，弯矩视脉动循环
][7.1][ 10 ?? ??
受弯曲、扭剪应力复合作用的强度条件,
Sca S
SS
SSS ?
?
?
22
??
??
caS
计算安全系数
?S
受弯矩的安全系数
?S
受扭矩的安全系数
SS
许用安全系数 P366
3,按安全系数校核计算 (重要轴 )
目的,确定变应力情况下轴的安全度。
已知,轴的外形、尺寸、作用在轴上的载荷。 确定危险截面
SKS
ma
??? ? ??? ?
??
?
1
SKS
ma
??? ? ??? ?
??
?
1
短时严重过载场合
A
F
W
M
S SSS
m a xm a xm a x ?
??
?
?
?
?
T
SS
S WTS
m a xm a x
?
?
?
? ??
S
SS
SS
S c a S
SS
SSS ?
?
?
22
??
??
4,静强度安全系数计算：
? 提高轴的强度的常用措施
? 增大轴径；
? 改变材料及热处理；
? 改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度
? 改进轴的结构设计
二．刚度计算, 扭转、弯曲 ? ? ? ? ? ????? ???,,yy
三, 轴的振动稳定性计算：
外力频率与轴的自振频率相等时，发生共振。产生共振
时轴的转速称为 临界转速。
工作转速低于第一阶临界转速的轴称为 刚性轴 ；超过第
一阶临界转速的轴称为 扰性轴 。
对刚性轴应使
1)85.0~75.0( cnn ?
对扰性轴应使
21 85.015.1 cc nnn ??
1.轴系的改错
轴 系 例 题
2.轴系结构设计改错
③ ①②④⑤⑥
⑦
⑧
③ ①②④⑤⑥⑦⑧⑨⑩
11
1
2
34,56,7891011
12
③
①②
④ ⑤ ⑥
⑦
⑧ ⑨ ⑩ 1112
13
轴
系
结
构
设
计
改
错
3.轴系设计例题
作业,题 Ⅰ -29作业集（ 2） 38
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轴 的 构 成 轴 == 轴头 + 轴身 + 轴颈
联接轴颈和轴头的轴段
安装轮毂的轴段
安装轴承的轴段
轴颈
轴头
轴身
返构成
轴系装配过程
轴
1— 装轴承 2— 装端盖
3— 装密封圈 4— 装密封圈压板
5— 装键
机座
6— 将轴系置于机座上 7— 盖上机盖
8— 拧上端盖螺钉 9— 拧上密封圈压板螺钉
10— 装带轮、档圈和螺钉 11— 装刀具零件组