安徽机电职业技术学院
数控技术应用专业
机械设计课程的课件设计
? 指导老师：杨老师
? 设计者：孙慧
? 设计时间,2007年 1月
第十四章 支承零部件的设计
传动零件必须 借助其他零部件的支持 才能
传递运动与动力。这种起支持作用的零
部件称为 支承零部件 。支承零部件主要
有 轴 和 轴承 。
第一节 轴的功用、结构和材料
? 一、轴的功用与分类
? 轴是组成机器的重要零件之一。各种做回转
（或摆动）的零件（如齿轮、带轮）都必须安装在
轴上才能进行运动和动力的传递。因此
? 轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和
动力。
? 轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。
常用的分类方法有两类。
? 1） 根据受载情况分类 ；
? 2） 根据轴线形状的分类 。
1）根据受载情况分类
? 1)转轴 -既传递转矩又承受弯矩
? 2)心轴 -承受弯矩。不传递转矩
? 3)传动轴 -以传递转矩为主，不承受弯矩或承
受很小的弯矩
转轴 -既传递转矩（ T）又承受弯矩（ M）的轴
例如齿轮减速器的输出轴
轴颈 轴头 轴身
心轴 -承受弯矩（ M），不传递转矩（ T）的轴
例如自行车的前轮轴
传动轴 -以传递转矩（ T）为主不承受弯矩（ M）
或承受很小的弯矩的轴。例如汽车的传动轴
2）根据轴线形状分类
光轴
阶梯轴
直轴 根据需要可制成空心轴
2）曲轴
3）挠性钢丝轴
1）
直轴
曲轴
二、轴的材料
由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失
效多为 疲劳损坏,因此轴的材料应具有足够的 疲
劳强度, 较小的应力集中敏感性 和 良好的加工性
能 等 。
轴的主要材料是碳钢和合金钢
碳钢,价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可
以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。
常用的有 35,40,45,50钢，其中以 45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用 Q235、
Q275等普通碳素钢
合金钢,对于要求强度较高, 尺寸较小或有其它特
殊要求的轴, 可以采用合金钢材料 。
耐磨性要求较高的可以采用 20Cr,20CrMnTi等
低碳合金钢；
要求较高的轴可以使用 40Cr（ 或用 35SiMn、
40MnB代替 ）,40CrNi(或用 38SiMnMo代替 )
等进行热处理。
合金钢具有较高的力学性能，热处理变形小，
价格贵，对应力集中比较敏感。
用于要求重量轻及有特殊要求的轴。
对于形状复杂的轴, 如曲轴, 凸轮轴等, 也
采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加
工 。
球墨铸铁
易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能
和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。
同时应该知道，在一般工作温度下，各种碳
钢和合金钢的弹性模量相差不大。
故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的
主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭
转刚度等。
轴的常用材料见教材 p250
材料牌号
热处理
类型
毛坯直径
/mm
硬度
/HBS
抗拉强
度
屈服点
应用说明
Q275~Q235
149~610
275~23
5
用于不很重要的轴
35
正火
调质
≤100
>100~300
≤100
>100~300
149~187
143~187
156~207
520
500
560
540
270
260
300
280
用与一般轴
45
正火
调质
≤100
>100~300
≤200
170~217
162~217
217~255
600
580
650
300
290
360
用于强度高, 韧性
中等的较重要的轴
轴的常用金属材料及力学性能
40Cr
调质
25
≤100
>100~300
≤207
241~286
1000
750
700
800
550
500
用于强度要求高,
有强烈磨损而无很
大冲击的重要轴
35SiMn
调质
25
≤100
>100~300
≤229
229~286
217~269
900
800
750
750
520
450
可代替 40Cr,可用
于中, 小型轴
42SiMn
调质
25
≤100
>100~200
>200~300
≤220
229~286
217~269
217~255
900
800
750
700
750
520
470
450
与 35SiMn相同, 但
专供表面淬火之用
40MnB
调质
25
≤200
≤207
241~286
1000
750
800
500
可替代 40Cr,用于
小型轴
35CrMo
调质
25
≤100
>100~300
≤229
207~269
1000
750
700
350
550
500
用于重载的轴
38CrMnMo
调质
≤100
>100~300
229~285
217~269
750
700
600
550
可代替 35CrMo
三、轴的结构
轴颈
图 12 - 30
轴环
轴头
? 图 12-11所示为圆柱齿轮减速器低速轴的结构
图。
? 综上所述。轴的结构应满足于以下几点,
? 1）轴上零件的准确定位与固定；
? 2）轴上零件便于装拆和调整；
? 3）良好的加工工艺性；
? 4）尽量减少应力集中。
? 从制造工艺性出发。轴的两端常设有中心孔
以保证加工时各轴段的同轴度和尺寸精度。
? 需切制螺纹和磨削的轴段，还应留有螺纹退
刀槽和砂轮越程槽。
第二节、轴的强度计算
１、按扭转强度估算直径
当主要考虑扭矩作用时，由力学知识可知，其强
度条件为,
] [
10 55, 9 6 t t ? ′ × = =
n
P
W
T
0.2d n 3
其中,—— 扭转切应力 （ MPa） ； T—— 轴所传
递的扭矩 （ Nmm ） ； Wn—— 轴 的 抗 扭 截 面模 量
（ mm3） ；
t
注
释 P—— 轴所传递的功率（ kW）； n——
轴的转速 (r/min)； d—— 轴的直径
（ mm）； —— 轴材料的许用应力（ MPa）
][t
故轴的直径为,
（ mm） 3 3
6
] [ 2, 0
10 55, 9
n
P Ａ
n
P d = ′ ?
t
常见材料的［ ］和Ａ值见下表 t
常见材料的［ ］和Ａ值见下表 t
轴的材
料
Ｑ２３
５，２
０
３５ ４５ 40Cr,35CiMn,
42SiMn,
38SiMnMo,20CrM
nTi
[ ]/M
Pa
12~20 20~30 30~40 40~52
A
160~13
5
135~11
8
118~10
7
107~98
２、按弯扭合成进行强度计算
对于一般转轴,为对称变化的弯曲应
力，而 的应力特性则随着 T的特性而定。轴强
度的基本公式为,
b s
t
e
d
M
d
T M
1, 0 1, 0
) (
3 3
2 2
? ? + = a s b ] [ s － 1
为当量弯矩，其 量纲 为 N.mm； d的量钢为
mm； 的量纲为 MPa。 为当量应力； M为合
成弯矩 ； T为轴传递的转矩。
eM
bs es
由此得设计公式为, 3
] [ 1, 0 b
e M d
-１
? s
如果截面上有键槽，则应该按照求得的直
径增加适当的数值，如下表,
轴的直径 d/mm <30 30～ 100 >100
有一个键槽时
的增大值（％） 7 5 3
有相隔 180o键
槽时的增大值
（％）
15 10 7
轴的许用弯曲应力
材料 MPa
碳素钢
４００ １３０ ７０ ４０
５００
６００
１７０
２００
７５
９５
４５
５５
７００ ２３０ １１０ ６５
合金钢
８００
９００
２７０
３００
１３０
１４０
７５
８０
１０００ ３３０ １５０ ９０
铸钢
４００
５００
１００
１２０
５０
７０
３０
４０
b s ab ] [ s +1 ab ] [ s 0 b ] [ s － 1
第三节 轴系的维护
一、轴系的维护工作主要有,
1） 恰当方式的装配与拆卸 ；
2） 机器的定期维修和调整 ；
3） 润滑条件的维持 。
二、轴和轴承的修理
普通精度、误差较小的滑动轴承，可采用刮研法
修理；
大尺寸的轴瓦可采用热喷涂（青铜）修复；
精度要求较高的轴，磨损量小时可采用电镀法修
理；
尺寸较大的轴颈和轴头可采用热喷涂（或喷焊）
进行修复。
尺寸较大的轴头，可采用过盈配合加配轴套；
（为可靠传递转矩，在配合处可对称增设
若干卸载销。）
花键、键槽损伤，可采用气焊或堆焊修复，
再铣。
数控技术应用专业
机械设计课程的课件设计
? 指导老师：杨老师
? 设计者：孙慧
? 设计时间,2007年 1月
第十四章 支承零部件的设计
传动零件必须 借助其他零部件的支持 才能
传递运动与动力。这种起支持作用的零
部件称为 支承零部件 。支承零部件主要
有 轴 和 轴承 。
第一节 轴的功用、结构和材料
? 一、轴的功用与分类
? 轴是组成机器的重要零件之一。各种做回转
（或摆动）的零件（如齿轮、带轮）都必须安装在
轴上才能进行运动和动力的传递。因此
? 轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和
动力。
? 轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。
常用的分类方法有两类。
? 1） 根据受载情况分类 ；
? 2） 根据轴线形状的分类 。
1）根据受载情况分类
? 1)转轴 -既传递转矩又承受弯矩
? 2)心轴 -承受弯矩。不传递转矩
? 3)传动轴 -以传递转矩为主，不承受弯矩或承
受很小的弯矩
转轴 -既传递转矩（ T）又承受弯矩（ M）的轴
例如齿轮减速器的输出轴
轴颈 轴头 轴身
心轴 -承受弯矩（ M），不传递转矩（ T）的轴
例如自行车的前轮轴
传动轴 -以传递转矩（ T）为主不承受弯矩（ M）
或承受很小的弯矩的轴。例如汽车的传动轴
2）根据轴线形状分类
光轴
阶梯轴
直轴 根据需要可制成空心轴
2）曲轴
3）挠性钢丝轴
1）
直轴
曲轴
二、轴的材料
由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失
效多为 疲劳损坏,因此轴的材料应具有足够的 疲
劳强度, 较小的应力集中敏感性 和 良好的加工性
能 等 。
轴的主要材料是碳钢和合金钢
碳钢,价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可
以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。
常用的有 35,40,45,50钢，其中以 45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用 Q235、
Q275等普通碳素钢
合金钢,对于要求强度较高, 尺寸较小或有其它特
殊要求的轴, 可以采用合金钢材料 。
耐磨性要求较高的可以采用 20Cr,20CrMnTi等
低碳合金钢；
要求较高的轴可以使用 40Cr（ 或用 35SiMn、
40MnB代替 ）,40CrNi(或用 38SiMnMo代替 )
等进行热处理。
合金钢具有较高的力学性能，热处理变形小，
价格贵，对应力集中比较敏感。
用于要求重量轻及有特殊要求的轴。
对于形状复杂的轴, 如曲轴, 凸轮轴等, 也
采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加
工 。
球墨铸铁
易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能
和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。
同时应该知道，在一般工作温度下，各种碳
钢和合金钢的弹性模量相差不大。
故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的
主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭
转刚度等。
轴的常用材料见教材 p250
材料牌号
热处理
类型
毛坯直径
/mm
硬度
/HBS
抗拉强
度
屈服点
应用说明
Q275~Q235
149~610
275~23
5
用于不很重要的轴
35
正火
调质
≤100
>100~300
≤100
>100~300
149~187
143~187
156~207
520
500
560
540
270
260
300
280
用与一般轴
45
正火
调质
≤100
>100~300
≤200
170~217
162~217
217~255
600
580
650
300
290
360
用于强度高, 韧性
中等的较重要的轴
轴的常用金属材料及力学性能
40Cr
调质
25
≤100
>100~300
≤207
241~286
1000
750
700
800
550
500
用于强度要求高,
有强烈磨损而无很
大冲击的重要轴
35SiMn
调质
25
≤100
>100~300
≤229
229~286
217~269
900
800
750
750
520
450
可代替 40Cr,可用
于中, 小型轴
42SiMn
调质
25
≤100
>100~200
>200~300
≤220
229~286
217~269
217~255
900
800
750
700
750
520
470
450
与 35SiMn相同, 但
专供表面淬火之用
40MnB
调质
25
≤200
≤207
241~286
1000
750
800
500
可替代 40Cr,用于
小型轴
35CrMo
调质
25
≤100
>100~300
≤229
207~269
1000
750
700
350
550
500
用于重载的轴
38CrMnMo
调质
≤100
>100~300
229~285
217~269
750
700
600
550
可代替 35CrMo
三、轴的结构
轴颈
图 12 - 30
轴环
轴头
? 图 12-11所示为圆柱齿轮减速器低速轴的结构
图。
? 综上所述。轴的结构应满足于以下几点,
? 1）轴上零件的准确定位与固定；
? 2）轴上零件便于装拆和调整；
? 3）良好的加工工艺性；
? 4）尽量减少应力集中。
? 从制造工艺性出发。轴的两端常设有中心孔
以保证加工时各轴段的同轴度和尺寸精度。
? 需切制螺纹和磨削的轴段，还应留有螺纹退
刀槽和砂轮越程槽。
第二节、轴的强度计算
１、按扭转强度估算直径
当主要考虑扭矩作用时，由力学知识可知，其强
度条件为,
] [
10 55, 9 6 t t ? ′ × = =
n
P
W
T
0.2d n 3
其中,—— 扭转切应力 （ MPa） ； T—— 轴所传
递的扭矩 （ Nmm ） ； Wn—— 轴 的 抗 扭 截 面模 量
（ mm3） ；
t
注
释 P—— 轴所传递的功率（ kW）； n——
轴的转速 (r/min)； d—— 轴的直径
（ mm）； —— 轴材料的许用应力（ MPa）
][t
故轴的直径为,
（ mm） 3 3
6
] [ 2, 0
10 55, 9
n
P Ａ
n
P d = ′ ?
t
常见材料的［ ］和Ａ值见下表 t
常见材料的［ ］和Ａ值见下表 t
轴的材
料
Ｑ２３
５，２
０
３５ ４５ 40Cr,35CiMn,
42SiMn,
38SiMnMo,20CrM
nTi
[ ]/M
Pa
12~20 20~30 30~40 40~52
A
160~13
5
135~11
8
118~10
7
107~98
２、按弯扭合成进行强度计算
对于一般转轴,为对称变化的弯曲应
力，而 的应力特性则随着 T的特性而定。轴强
度的基本公式为,
b s
t
e
d
M
d
T M
1, 0 1, 0
) (
3 3
2 2
? ? + = a s b ] [ s － 1
为当量弯矩，其 量纲 为 N.mm； d的量钢为
mm； 的量纲为 MPa。 为当量应力； M为合
成弯矩 ； T为轴传递的转矩。
eM
bs es
由此得设计公式为, 3
] [ 1, 0 b
e M d
-１
? s
如果截面上有键槽，则应该按照求得的直
径增加适当的数值，如下表,
轴的直径 d/mm <30 30～ 100 >100
有一个键槽时
的增大值（％） 7 5 3
有相隔 180o键
槽时的增大值
（％）
15 10 7
轴的许用弯曲应力
材料 MPa
碳素钢
４００ １３０ ７０ ４０
５００
６００
１７０
２００
７５
９５
４５
５５
７００ ２３０ １１０ ６５
合金钢
８００
９００
２７０
３００
１３０
１４０
７５
８０
１０００ ３３０ １５０ ９０
铸钢
４００
５００
１００
１２０
５０
７０
３０
４０
b s ab ] [ s +1 ab ] [ s 0 b ] [ s － 1
第三节 轴系的维护
一、轴系的维护工作主要有,
1） 恰当方式的装配与拆卸 ；
2） 机器的定期维修和调整 ；
3） 润滑条件的维持 。
二、轴和轴承的修理
普通精度、误差较小的滑动轴承，可采用刮研法
修理；
大尺寸的轴瓦可采用热喷涂（青铜）修复；
精度要求较高的轴，磨损量小时可采用电镀法修
理；
尺寸较大的轴颈和轴头可采用热喷涂（或喷焊）
进行修复。
尺寸较大的轴头，可采用过盈配合加配轴套；
（为可靠传递转矩，在配合处可对称增设
若干卸载销。）
花键、键槽损伤，可采用气焊或堆焊修复，
再铣。
