汽车机械基础 第二篇 轴系零部件 第四章 轴

第二篇：轴系零部件 研究对象：主要是机器内部传动的各种零部件：轴、轴承、联轴器、离合器及各种联接件； 研究内容： 1.轴的类型、结构和强度计算 2.滚动轴承的类型选择、尺寸选择和组合设计 3.联轴器和离合器制动器的类型及选择.各种联接件的种类、结构特点及应用； 重点：轴、轴承 第四章 轴

导入： 1、汽车的传动轴为什么做成同一直径？ 2、变速箱上的轴为什么做成阶梯形？ 第四章 轴

概述 本篇教学目标 1）掌握汽车机械中轴系零部件的结构原理、性能特点、结构设计方法和选用； 2）了解轴与轴上零件以及支承零件的组合设计； 3）具有运用标准、规范、手册、图册等设计资料的能 力； 4）了解、使用、维护轴系零部件的一些基础知识。    第四章 轴

第四章 轴 本章教学目标 1）认识轴的类型、结构特点及应用，了 解轴的材料及选用，常见失效形式； 第四章 轴 本章教学目标 1）认识轴的类型、结构特点及应用，了 解轴的材料及选用，常见失效形式； 2）掌握轴的结构设计方法、考虑因素及提高轴的强度的措施； 3）了解轴的疲劳强度计算及刚度计算方法。 第四章 轴

第四章 轴 本章内容 第一节 概述 轴的分类 第二节 轴的结构设计 第三节 轴的强度与刚度校核 第四章 轴

第四章 轴

引子: 轴的功用 支承其他回转件，承受转矩与弯矩，并传递运动和动力。 第四章 轴

第一节 概述 一.轴的分类 1.按所受载荷特点分三种： 心轴： 只承受弯矩;如 传动轴：只承受转矩;如 转轴：同时承受弯矩和转矩;如 第一节 概述 一.轴的分类 1.按所受载荷特点分三种： 心轴： 只承受弯矩;如 传动轴：只承受转矩;如 转轴：同时承受弯矩和转矩;如 第四章 轴

2.按轴的结构形状分： 直轴，曲轴； 光轴，阶梯轴； 空心轴，实心轴； 刚性轴，挠性轴。 重点：阶梯轴 例汽车轴 第四章 轴

阶梯轴 第四章 轴

曲轴： 第四章 轴

挠性钢丝轴 第四章 轴

转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。 工作时既承受弯矩又承受转矩。 例：减速器中的轴 转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。 工作时既承受弯矩又承受转矩。 第四章 轴

心轴： 用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。 例：车辆轴和滑轮轴，图中为自行车的前轮轴。 第四章 轴

自行车的前轮轴 第四章 轴

传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯 矩，或所承受的弯矩很小的轴。 例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。 传动轴 第四章 轴

传动轴： 第四章 轴

二、轴的材料 轴的功用，主要承受弯矩和扭矩。 轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、韧性和耐磨性。 轴的常用材料是：碳素钢和合金钢等。 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。 第四章 轴

1、碳素钢： 碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广； 一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的优质碳素钢，尤其是45号钢。 对于不重要或受力较小的轴也可用Q235、 Q275 等碳素结构钢。 第四章 轴

2、合金钢： 具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵； 多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火处理后可提高耐磨性； 20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。 第四章 轴

3、球墨铸铁 球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。 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，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。　 第四章 轴

轴的材料及选择 第四章 轴

第二节 轴的结构设计 第四章 轴

轴的结构设计 轴的结构组成； 轴结构决定因素； 结构设计的几个方面。 第四章 轴

结构要求： ①轴和轴上零件要有准确、牢固的 　　　　　　　 工作位置 ②轴上零件装拆、调整方便 ③轴应具有良好的制造工艺性等 ④尽量避免应力集中 设计要点: ①拟定轴上零件的装配方案 原则： ①轴的结构越简单越合理 ②装配越简单、方便越合理 ③轴上零件的定位,固定及位置调整 第四章 轴

一.轴的结构组成 轴头：与传动零件或联轴器、离合器相配部分； 轴颈：与轴承相配部分 轴身：联接轴头和轴颈之间部分； 轴端 轴头 轴颈 轴身 （轴的结构图） 第四章 轴

二.轴结构影响、决定因素 轴的毛坯种类； 轴上作用力的大小及其分布情况； 轴上零件的位置、配合性质及其联 接固定的方法； 　接固定的方法； 轴承的类型、尺寸和位置； 轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。 第四章 轴

三.设计考虑的几个方面 1、轴上零件的布置； 2、轴径估算、各轴段直径、长度的确定； 3、轴上零件的定位和固定； 4、轴上零件的装拆和调整； 5、提高轴疲劳强度的结构措施； 6、制造工艺要求； 7、材料选择。 第四章 轴

一般结构设计的已知条件有： 机器的装配简图； 轴的转速； 传递的功率； 轴上零件的主要参数和尺寸等。 轴的设计区别于其它零件设计过程的显著特点是：必须先进行结构设计，然后才能进行工作能力的核算。 第四章 轴

机器的装配简图 第四章 轴

轴的结构设计 —— 结构分析 轴颈 轴头 轴身 第四章 轴

(一)轴上零件的布置 在进行结构设计时，首先应按传动简图上所给出的各主要零件的相互位置关系拟订轴上零件的装配方案； 轴上零件的装配方案不同，轴的结构形状也不同； 在实际设计过程中，往往拟订几种不同的装配方案进行比较，从中选出一种最佳方案。 第四章 轴

图4-7 汽车变速器输出轴的零件分布 第四章 轴

(二)轴的基本直径的估算及各段直径和长度的确定： 轴不是标准零件,需要自己设计计算。 开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算； 一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算； 按扭转强度计算：这种计算方法主要应用于传动轴，也可以初步估算轴的最小直径，在此基础上进行轴的结构设计。 第四章 轴

1.轴的基本直径的估算 A 设轴在转矩T的作用下，产生剪应力τ。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为： 估算直径： p 由上式求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽，可将值增大3%—5%，如有两个键槽可增大7%—10%。 第四章 轴

上式中： 上式中,[τ]许用扭转切应力: MPa T--轴传递的转矩，也是轴承受的扭矩：N·mm Wp--轴的抗扭截面系数: Wp =0.2d3mm3 P--轴传递的功率: kw d--轴的直径: mm n--轴的转速: r/min 空心轴的计算公式见课本P121式3-2 第四章 轴

轴直径估算 空心轴直径估算公式为：见课本P?式4-2 几种常用轴材料的许用切应力[т]及A值 轴的材料 Q235A, 20钢 35钢 45钢 40Cr,35SiMn,40MnB,38SiMnMo,20CrMnTi [т]/MPa 15~25 20~35 25~45 35~55 A 149~126 135~112 126~103 112~97 第四章 轴

2.确定各段轴的直径和长度 轴上零件的装配方案和定位方法确定之后，轴的基本形状就确定下来了。 轴的最小直径确定后，可按轴上零件的装配方案和定位要求，逐步确定各轴段的直径； 根据轴上零件的轴向尺寸、各零件的相互位置关系以及零件装配所需的装配和调整空间，确定轴的各段长度。 第四章 轴

需要注意的问题： 1）轴上与标准零件相配合的直径应取为标准值，非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数； 2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴承的内径标准； 3）安装联轴器的轴径应与联轴器的孔径范围相适应； 4）轴上的螺纹直径应符合标准。 第四章 轴

需要注意的问题： 5）轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度短2—3mm，以保证零件轴向定位可靠。 6）若在轴上装要滑移的零件，应该考虑零件的滑移距离。 7）轴上各零件之间应该留有适当的间隙，以防止运转时相碰。 第四章 轴

(三)轴上零件的定位和固定 为了传递运动和动力，保证机械的工作精度和使用可靠，零件必须可靠地安装在轴上，不允许零件沿轴向发生相对运动。因此，轴上零件都必须有可靠的轴向定位措施； 轴上零件的轴向定位方法取决于零件所承受的轴向载荷大小； 零件的定位分：轴向定位、周向定位。 第四章 轴

1.轴上零件的轴向定位和固定 常用方式： 轴肩、轴环 套筒、圆螺母 弹性挡圈、紧定螺钉； 轴端挡圈、圆锥面。 轴向定位和固定是指将轴上的零件沿轴线方向进行定位和固定。 常用方式： 轴肩、轴环 套筒、圆螺母 弹性挡圈、紧定螺钉； 轴端挡圈、圆锥面。 第四章 轴

第四章 轴

零件的轴向定位 1）轴肩和轴环: 正确 错误 第四章 轴 要求r轴<R孔或r轴<C孔 1）轴肩和轴环: 为了使轴上零件的端面能与轴肩紧贴，轴肩的圆角半径R 必须小于零件孔端的圆角半径 R1或倒角C1 ；否则，无法紧贴。轴肩或轴环的高度h必须大于R1 或 C1。 错误 正确 轴环与轴肩尺寸：h=（0.07d＋3）—（0.1d＋5）mm 轴环宽度： b≈l.4h 第四章 轴

要求轴肩高度<滚动轴承内圈高度 2）套筒 3）轴用圆螺母 正 错 确 误 第四章 轴 特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力 由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降。 应用：常用于轴的中部和端部 2）套筒 3）轴用圆螺母 第四章 轴

当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴<L毂 4）轴端挡圈 当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴<L毂 错误 正确 正确 第四章 轴

5）轴承端盖 轴承端盖与机座间加垫片， 以调整轴的位置 6）弹性挡圈 第四章 轴

这两种固定的方法，常用于轴向力较小的场合。 7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销 这两种固定的方法，常用于轴向力较小的场合。 8）其它固定形式 锥形面或过盈配合联接 第四章 轴

2.零件的周向定位 2）花键 1）键 3）紧定螺钉、销 4）过盈配合 第四章 轴

(四) 提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施 1、改进轴的结构，减少应力集中 第四章 轴

2、合理布置轴上零件以减少轴的载荷 3、改进轴上零件的结构，减小轴的载荷 第四章 轴

4、选择受力方式以减小轴的载荷，改善轴的强度和刚度 第四章 轴

5、改进表面质量提高轴的疲劳强度 第四章 轴

(五)轴的结构工艺性 1、关于轴的形状：阶梯轴 由于阶梯轴接近于等强度，而且便于加工和轴上零件的定位和拆装，所以实际上的轴多为阶梯形. 第四章 轴

2、关于轴的有关尺寸 为了能选用合适的圆钢和减少切削用量，阶梯轴各轴段的直径不宜相差过大，一般取为5~10MM。 为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径； 退刀槽取相同的宽度； 倒角尺寸相同； 若需开键槽的轴段直径相差不大时，应尽可能采用相同宽度的键槽（如图），一根轴上各键槽应开在同一母线上，以减少换刀次数。 第四章 轴

第四章 轴

3.轴的结构工艺性 1）轴肩圆角r 2）轴端倒角 3）砂轮越程槽 4）螺纹退刀槽 5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸 第四章 轴

同一根轴上所有圆角半径和倒角的大小应尽可能一致，以减少刀具规格和换刀次数。 为便于加工定位，轴的两端面上应做出中心孔。 1)圆角半径和倒角 同一根轴上所有圆角半径和倒角的大小应尽可能一致，以减少刀具规格和换刀次数。 为便于加工定位，轴的两端面上应做出中心孔。 完毕 第四章 轴

2)轴端倒角 为使轴上零件容易装拆，轴端和各轴段端部都应有45°的倒角。 第四章 轴

轴上磨削的轴段应设有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部。 3)砂轮越程槽 轴上磨削的轴段应设有砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部。 第四章 轴

轴上车螺纹的轴段应设有螺纹退刀槽，以保证螺纹牙均能达到预期的高度。 4)螺纹退刀槽 轴上车螺纹的轴段应设有螺纹退刀槽，以保证螺纹牙均能达到预期的高度。 第四章 轴

5) 键槽 轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上。 第四章 轴

轴系结构改错 正确答案 四处错误 三处错误 正确答案 第四章 轴

轴系结构改错 两处错误 1.左侧键太长，套筒无法装入 2.多个键应位于同一母线上 第四章 轴

(六) 轴上的零件装拆和调整 为了能够顺利地装拆轴上零件，轴的结构多半设计成中间粗两端逐渐细的阶梯轴形状。为装拆方便，轴肩一般可取为1~3mm。安装轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。 第四章 轴

例:汽车轴(某汽车型号) 第四章 轴

第三节.轴的强度、刚度校核 一、轴的失效形式 疲劳断裂; 过载的弯曲和扭转变形. 在设计轴的过程中，应注意根据轴的受载特点分别对轴进行强度和刚度的校核。 第四章 轴

二、轴的强度校核计算 (一). 轴的强度计算 1.按扭转强度条件计算 用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算 ②结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin 强度条件 设计公式 轴上有键槽时：轴径：一个键槽：3~5% 二个键槽：7~10% 取标准植 第四章 轴

(二).按弯扭合成强度条件计算 条件：已知支点、扭距，弯矩 步骤：1）作轴的空间受力简图 第四章 轴

2）求水平面支反力RH1、RH2作水平面弯矩图 第四章 轴

3）求垂直平面内支反力RV1、RV2，作垂直平面内的弯矩图 第四章 轴

4）作合成弯矩图 5）作扭矩图 第四章 轴

6）作当量弯矩图 —为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数 第四章 轴

7）校核 危险截面轴的强度 设计公式 第四章 轴

(三).轴的安全系数校核计算 1.疲劳强度校核 2.静强度校核——校核轴对塑性变形的抵抗能力 第四章 轴

二.轴的刚度计算 (一)、轴的刚度计算 1、弯曲刚度 挠曲线方程： 挠 度： 偏转角： 第四章 轴

2、扭转刚度 (二).轴的振动稳定性及临界转速 弯曲振动（横向） 扭转振动 轴向临界转速 ——轴引起共振时的转速 振动（纵向） 第四章 轴

弯曲临界转速的计算 轴的临界角速度 k= mg /y0 刚性轴： 挠性轴： 第四章 轴

例4-1 图4-9为一个单级减速器的输出轴。已知标准斜齿圆柱齿轮的圆周力Ft=7000N，径向力Fr=2700N，轴向力Fα=1200N。分度圆直径d=400mm，轴的材料选用45钢并经调质处理（210HBS）。试校核轴的强度。 第四章 轴

课后小结 本章重点掌握： 一、掌握轴的功用;举例说明轴的类型。 二、轴上零件的定位和固定方式；提高轴 疲劳强度的结构措施；轴上零件的装拆和调整；轴的制造工艺要求。 三、轴的强度与刚度校核。 第四章 轴

课后练习 2、轴常用材料有哪些？ 3、轴在什么条件下会发生疲劳破坏，如何提高轴的疲劳强度？ 1、轴的功用是什么？根据所受的载荷不同， 轴可分为几种类型？各用一例子说明。 2、轴常用材料有哪些？ 3、轴在什么条件下会发生疲劳破坏，如何提高轴的疲劳强度？ 4、轴的强度计算的基本步骤是什么？轴的结构设计包括几个方面的内容？ 第四章 轴

思考题：指出图中主动轴结构的不合理之处，并提出改进意见。 第四章 轴

试指出图中结构不合理的地方并改正。 第四章 轴