图4轴肩圆角和倒角
2.2.2轴上零件的固定
轴上零件的固定是指对安装在轴上的零件，要求它在受力后不改变位置，能在力的作用下维持它原定位位置而不发生移动所采取的措施。
根据定位作用的不同，轴的固定分为两种：
即轴向固定和周向固定。
1.轴上零件轴向固定方法的选择
轴上零件轴向固定的目的是保证零件在轴上有确定的轴向位置，防止零件作轴向移动，并能承受轴向力。
其固定方式常采用轴肩、轴环、圆锥面、套筒、轴端挡圈、圆螺母、弹性挡圈等进行轴向固定。
图1中齿轮采用轴肩和套筒左右固定。
右端轴承由轴肩和轴承盖固定，带轮采用轴肩和轴端挡圈固定。
采用套筒固定时，套筒不宜过长。
当零件在轴向距离较大时，可采用圆螺母固定，如图5所示。
图5用圆螺母固定
此外，采用套筒、圆螺母和轴端挡圈进行轴向固定时，应把安装零件的轴段的长度做得比零件轮毂宽度短2~3mm，以确保套筒、螺母和轴端挡圈能靠紧零件的端面，如图1的①和④轴段。
固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度。
2.轴上零件周向固定方法的选择
轴上零件周向固定的目的是为了传递转矩及防止零件与轴产生相对转动，在设计中，常采用键、销以及过盈配合等方法来进行周向固定。
1）键的选择
一根轴上若有两个以上的键联接，在设计时，则必须考虑简化轴加工的难度。
首先应使几个键的键槽布置在同一母线上，这样加工时轴只需要装卡一次，免去了分度过程；其次还应尽可能采用同一规格的键联接，这样可以使键槽的截面尺寸一致，加工时只须用一把刀，一次走刀即可完成加工过程，如图1中的①、④轴段。
在选用键作轴上零件周向固定时，应考虑在不同的场合选用不同种类的键。
平键常用于旋转精度要求较高、转速较高及承受冲击或变载荷作用的场合；楔键作周向固定时，在传递转矩的同时，还能承受单向的轴向力，但对中性较差；用花键联接作周向固定时，其具有较高的承载能力，对中性和导向性均好，但成本高。
2）过盈配合的选用
该种方法的工作原理是利用包容件孔的配合尺寸（孔的直径）小于被包容件轴的配合尺寸（轴颈的直径）。
装配后在两者之间产生较大的压力，通过此压力所产生的摩擦力来传递转矩。
这种方法结构简单，对轴的削弱小，对中性好，能承受较大的载荷，具有较好的抗冲击性能。
其过盈量的大小应由其所传递的转矩的大小来确定。
除此之外，还要考虑配合表面的加工质量，表面精度等级要高，表面粗糙度的数值要低。
3）其它方法作周向固定
若传递的载荷较小，可以用圆锥销或紧定螺钉作周向固定，如图
6和图7所示。
图6用圆锥销固定图7用紧定螺钉固定
2.3减少应力集中，提高轴的疲劳强度
轴上的截面尺寸、形状的变化处会产生应力集中，当轴受变应力作用时，该截面处易发生疲劳破坏。
可采用如下措施减少应力集中：
1.采用较大的过渡圆角，尽量避免截面尺寸和形状的突变。
对于定位轴肩必须保证轴上零件定位的可靠性，这使得过渡圆角半径受到限制，可采用内凹圆角。
如图8（a）所示，或加装隔离环如图8（b）。
图8轴肩过渡结构
2.过盈配合的轴段，可采用图9所示的措施。
图9（a）为轮毂上开减载槽，此方法可使应力集中系数k大约减少15%~25%；图9（b）为轴上开减载槽，可使k大约减小40%；图9（c）为增大配合处直径，可使k大约减小30%~40%。
值得注意的是，配合的过盈量越大，引起的应力集中就越严重，因此，设计中应合理地选择轮毂与轴的配合。
图9过盈配合处的合理结构
3.键槽端部与阶梯处距离不宜过小，以避免损伤过渡圆角及减少多种应力集中源重合的机会。
键槽根部圆角半径越小，应力集中越严重。
4.轴上尽量少开小孔、切口或凹槽，应尽可能避免在轴上受力较大的区段切制螺纹。
3.轴的公差设计及工程数据库的建立
CAD软件在创建零部件实体模型方面具有强大的功能，凭借CAD软件的开放性结构，通过工程数据库进行参数化实体建模，可以方便快捷地创建系列化的模型，用户可以通过修改几何参数方便地修改实体模型。
轴系零件设计CAD系统中的尺寸和公差自动标注部分涉及孔和轴的极限偏差，同轴度和轴跳动偏差，全跳动偏差等，用到的数据量较多，考虑到保证软件系统顺利运行，所以采用了具有工程数据库性质的数据库。
3.1轴的公差设计
轴的公差设计是轴系零件设计造型CAD系统的一个重要组成部分，也是零件技术要求基本的组成内容之一。
对于轴系零件图涉及的公差，主要有尺寸公差和形状位置公差。
3.1.1尺寸公差
由于受到人的因素和加工工具本身精度等因素的影响，人在操作加工机床加工零件所得到的零件尺寸不可能做到与设计图纸完全一样的尺寸。
加工尺寸与理论设计尺寸存在的偏差无法避免的。
在机械行业中，为了保证零件的精度，满足使用的要求，必须给零件的尺寸规定一个可允许变动的范围，这范围就叫尺寸公差。
尺寸公差的组成相关内容结合如图3-1所示做一介绍。
图3-1:
尺寸公差的组成内容
如图3-1所示，基本尺寸指的是零件设计图纸上已经给定的尺寸值，是根据在实际应用中要求零件达到一定的技术要求所设计确定的，如图中的Φ40。
实际尺寸指的是通过加工后所得到的零件的尺寸。
极限尺寸如图所示的Φ39.99和Φ40.010，极限尺寸指的是加工出来的零件尺寸与设计确定的尺寸相比较，即与基本尺寸相比较，尺寸允许变动的两个界限尺寸，较大的一个叫最大极限尺寸较小的一个叫最小极限尺寸。
上偏差是指最大极限尺寸与基本尺寸之差，下偏差是指最小极限尺寸与基本尺寸之差。
尺寸公差是指上偏差与下偏差之间代数和的绝对值，是实际加工后尺寸允许的变动值。
基本偏差及其代号是由代表上偏差与下偏差的两条直线所限定的这一区域相对于零线位置的上偏差或下偏差。
当这个区域位于零线上方时，基本偏差为下偏差，当这个区域位于零线下方时，基本偏差为上偏差。
国家规定，从A到H为轴的上偏差，这些字母代表的配合为间隙配合。
从K到ZC为轴的下偏差，这些字母代表的配合为过度配合。
轴的基本偏差如图3-2所示。
图3-2:
轴的基本偏差
针对轴的偏差代号的应用下面做一简单说明：
代号A,B表示轴与零件配合的间隙特别大，一般很少应用。
代号C适用于轴与零件缓慢、松弛的动配合，配合间隙大。
代号D适用于松的转动配合，也适用于大直径滑动轴承的配合。
代号E适用要求有明显间隙，易于转动的支撑配合。
代号F适用温度影响不大的一般转动配合。
代号G适用不回转的轻型精密滑动配合，因其配合间隙小，制造成本高，不用于转动配合。
代号H广泛应用于无相对转动的零件，作为一般的定位配合。
也可用于受温度，变形影响小的精密配合。
代号JS为完全对称偏差，稍有间隙的配合，要求比H轴小。
代号K适用平均为没有间隙的定位配合。
代号M适用平均为具有不大过盈的过度配合。
代号N适用平均过盈比M轴稍大，很少得到间隙，通常用于紧密的组件配合。
代号P.二Z过盈依次增大，一般不推荐用。
要组成一个完整的尺寸公差，除了有公差代号，还要有标准公差值和公差等级。
轴类零件的标准公差是国家标准中列出的用以确定公差带大小的任一公差值。
标准公差的数值是由基本尺寸和公差等级组成的，其中公差等级是用以确定尺寸精确程度。
国家标准把标准公差分为20个等级，即IT01，IT02，IT03,……，IT18O,"IT”为标准公差代号，阿拉伯数字OL,0一直到18表示公差等级。
在相同的基本尺寸中，公差等级ITO1代表公差等级最高，对应的公差值越小，IT18代表公差等级最低，对应的公差值越大，标准公差等级如表3-3所示。
表3一3:
标准公差等级
表中的标注公差等级是适合任何零件的，对于轴类零件的公差等级，结合在机械行业中轴的加工要求，在此具体介绍应用比较多的几个公差等级。
IT5一用于配合公差要求很小，形状公差要求很高的条例下，这类公差等级能使配合性质比较稳定，相当于旧国标中最高精度，用于机床、发动机和仪表中特别重要的配合尺寸，一般机械中应用较少。
例如，检验工T11至工T14级工件用量规和校对IT14至IT15级轴用量规的校对量规，与P5级滚动轴承相配的机床箱体孔，与E级滚动轴承孔相配的机床主轴，精密机械及高速机械的轴颈，机床尾架套筒，高精度分度盘轴颈，分度头主轴，精密丝杠基准轴颈，高精度锉套的外径等。
发动机中主轴仪表中的精密孔的配合，5级精度齿轮的轴孔及5级、6级精度齿轮的基准轴。
IT6一配合表面有较高均匀性的要求，能保证相当高的配合性质，使用稳定可靠，相当于旧国标2级轴和1级精度孔，广泛的应用于机械中的重要配合。
例如检验IT12至IT15级工件用量规和校对IT15至IT16级轴用量规的校对量规;与E级轴承相配的外壳孔及与滚子轴承相配的机床主轴轴颈，机床制造中装配式青铜蜗轮、轮壳外径安装齿轮、蜗轮、联轴器、皮带轮、凸轮的轴颈;机床丝杠支承轴颈、矩形花键的定心直径、摇臂钻床的立柱等;机床夹具的导向件的外径尺寸，精密仪器中的精密轴，航空及航海仪表中的精密轴，自动化仪表，邮电机械，手表中特别重要的轴，发动机中气缸套外径，曲轴主轴颈，活塞销、连杆衬套，连杆和轴瓦外径;6级精度齿轮的基准孔和7级、8级精度齿轮的基准轴颈，特别精密如1级或2级精度齿轮的顶圆直径。
IT7一在一般机械中广泛应用，应用条件与IT6相似，但精度稍低，相当于旧国标中级精度轴或2级精度孔的公差。
例如检验IT14至工T16级工件用量规和校对IT16级轴用量规的校对量规;机床中装配式青铜蜗轮轮缘孔径，联轴器、皮带轮、凸轮等的孔径，机床卡盘座孔，摇臂钻床的摇臂孔，车床丝杠的轴承孔，机床夹头导向件的内孔，发动机中连杆孔、活塞孔，铰制螺柱定位孔;纺织机械中的重要零件，印染机械中要求较高的零件，精密仪器中精密配合的内孔，电子计算机、电子仪器、仪表中重要内孔，自动化仪表中重要内孔，7级、8级精度齿轮的基准孔和9级、10级精密齿轮的基准轴。
IT8一在机械制造中属于中等精度，在仪器、仪表及钟表制造中，由于基本尺寸较小，所以属于较高精度范围，在农业机械、纺织机械、印染机械、自行车、缝纫机、医疗器械中应用量广。
例如，检验IT16级工件用量规，轴承座衬套沿宽度方向的尺寸配合，手表中跨齿轴，棘爪拨针轮等与夹板的配合无线电仪表中的一般配合。
IT9一应用条件与IT8相类似，但精度低于IT8时采用，比旧国标4级精度公差值稍大。
例如，机床中轴套外径与孔，操纵件与轴，空转皮带轮与轴，操纵系统的轴与轴承等的配合，纺织机械、印染机械中一般配合零件，发动机中机油泵体内孔，气门导管内孔，飞轮与飞轮套的配合，自动化仪表中的一般配合尺寸，手表中要求较高零件的未注公差的尺寸，单键联接中键宽配合尺寸，打字机中运动件的配合尺寸。
IT10一应用条件与IT9相类似，但要求精度低于IT9时采用，相当于旧国标的5级精度公差。
例如，电子仪器、仪表中支架上的配合，导航仪器中绝缘衬套孔与汇电环衬套轴，打字机中铆合件的配合尺寸，手表中基本尺寸小于18MM时要求一般的未注公差的尺寸，及大于18MM要求较高的未注公差尺寸，发动机中油封挡圈孔与曲轴皮带轮毅配合的尺寸。
IT11一广泛应用于间隙较大，且有显著变动也不会引起危险的场合，亦可用于配合精度较低，装配后允许有较大的间隙，相当于旧国标的6级精度公差。
例如，机床上法兰盘止口与孔、滑块与滑移齿轮、凹槽等;农业机械、机车车箱部件及冲压加工的配合零件，钟表制造中不重要的零件，手表制造用的工具及设备中未注公差的尺寸，纺织机械中较粗糙的活动配合，印染机械中要求较低的配合尺寸，磨床制造中的螺纹联接及粗糙的动联接，不作测量基准用的齿轮顶圆直径公差等。
3.1.2形状和位置公差
形状和位置公差也叫形位公差。
任何零件都是由点、线、面构成的，这些点、线、面称为要素。
机械加工后零件的实际要素相对于理想要素总有误差，包括形状误差和位置误差。
这类误差影响机械产品的功能，设计时应规定相应的公差并按规定的标准符号标注在图样上。
形位公差在零件图中采用代号标注，在特定的条件下也可以在技术要求中用文字说明。
形位公差标注应注意以下问题
1.形位公差内容用框格表示，公差框格分两格式和多格式。
绘制的原则是水平绘制或垂直绘制，线型为细实线，框格内容自左向右的顺序第一格是形位公差项目符号，第二格为形位公差数值和相关附加符号，第三格以后为基准，即使指引线从框格右端引出也是这样。
形位公差组成如图3-4所示。
图3一4:
形位公差组成
2.被测要素为中心要素时，箭头必须和有关的尺寸线对齐.只有当被测要素为单段的轴线或各要素的公共轴线，公共中心平面时，箭头可直接指在轴线或中心线，这样标注很简便，但一定要注意该公共轴线中没有包含非被测要素的轴段在内。
3.被测要素为轮廓要素时，箭头指向一般均垂直于该要素.但对圆度公差，箭头方向必须垂直于轴线。
4.公差框格中给定的公差值为公差带的宽度或直径，公差值是以IIULL为单位标注〔261。
当公差带为圆或圆柱体时，在公差数值前需加注符号“中“，其公差值为圆或圆柱体的直径.这种情况在被测要素为轴线时才有。
同轴度的公差带总是一个圆柱体，所以公差值前总是加上符号”中”;轴线对平面的垂直度，轴线的位置度一般也是采用圆柱体公差带，需在公差值前也加上符号“。
”。
5.基准符号是用来指示某一个形位公差标注时是以零件上哪一个点或面作为参照基准的，基准符号使用加粗的短划线表示，短划线放置的位置根据实际来放置，当基准对象是轮廓线或表面时，可以放置在对象的外轮廓上或在它的延长线上，当基准对象是轴线或中心平面或带尺寸的要素确定的点时，则短划线与尺寸线一致。
基准代号由圆圈、联机、基准符号和字母构成。
圆圈和联机用细实线绘制，圆圈内填写大写的拉丁字母，基准代号的方位可根据图形任一改变，但字母必须水平书写，基准符号如图3-5所示。
图3-5:
基准符号
形位公差的项目对应的符号如图3-6所示:
图3-6:
形位公差的项目对应的符号
本文中轴系零件涉及到的形位公差有以下几个。
1.圆度，指被测实际加工后轴的某一横截面的相对于理想设计轴的同一横截面的变动量。
圆度误差影响传动零件与轴的配合性质和对中性。
2.同轴度，是指实际加工后轴的横截面上的圆心与基准轴线的偏离量。
同轴度影响传动零件的运转偏心。
3.跳动，圆跳动公差是指轴在某个测量截面内相对于基准轴线的变动量。
圆跳动分为径向圆跳动、端面圆跳动和斜向圆跳动。
4.对称度，是指要求共面的被测要素包括中心平面、中心线或轴线与基准要素可以是中心平面、中心线或轴线的不重合程度。
3.2轴系零件设计造型CAD系统工程数据库的建立
工程数据库是用于存储工程数据的仓库，是一种特别适合于CAD等工程应用基于AUTOCAD的轴系零件造型设计系统研究领域使用的数据库。
利用工程数据库管理系统，在程序中能方便地进行数据交换，工程设计时可以方便地管理和存取工程设计信息，并对它们进行有效的查询、插入、删除和更新。
一般情况下，工程数据库的存储内容包括产品和零件的设计信息、加工信息、图形信息、文字信息、公差配合信息以及产品的装配信息等几个方面，包括产品设计所需的资源数据、设备数据、设计分析数据，零部件的加工工艺数据，产品和零件的二维或三维图形及其图形管理数据，产品与零件的材质、技术条件、尺寸、形位公差以及零件的表面粗糙度，产品或部件的组成与装配关系等。
使用数据库管理系统主要有两个优点:
一是数据的组织、存储和管理与应用程序严格分开，不受应用程序的影响;二是便于扩展现有的应用系统和开发新的应用系统。
几何参数数据库是零部件CAD系统绘图的基础和数据来源，在进行实体建模以前，首先要创建和设置数据库。
3.2.1轴系零件设计造型CAD系统数据表
ACCESS数据库的数据类型包括数值型、字符型、字符串型、日期型、图表和图形等不同类型的数据，能满足零部件几何参数库中的数据类型要求。
本文结合轴系零件设计造型CAD系统的实际应用要求，根据轴系零件的特点，建立了公差数据库，创建了轴的偏差数据表，圆度圆柱度公差资料表，同轴度、对称度、圆跳动和全跳动公差数据表。
图3-7所示为轴的极限偏差资料表。
资料表中的基本尺寸是根据被测轴上的各段长度对应到资料表中的某一个尺寸范围，根据轴上不同段对公差的要求，选定一个公差等级。
一个公差等级与某一基本尺寸对应的数字就是这一基本尺寸的上下偏差值。
表中显示的数据的单位都是微米，但在实际标注中要换算成毫米单位。
表中的数据与字段都是根据国家标准GB/T1800.4-1999DE规定填写的。
图中的字段代表公差符号。
例如字段C11,C代表标准公差代号，11表示标准公差等级。
例如45H7的极限偏差值就是上偏差是OMM，下偏差是一0.025MMA
图3-7:
轴的极限偏差表
如图3-8所示为同轴度、对称度、圆跳动和全跳动公差数据表。
图3-8:
同轴度、对称度、圆跳动和全跳动公差数据表
表中的公差等级与前面轴的公差等级含义是不一样的。
这里的公差等级列出的5级到7级，这是应用范围最广的等级，用于精度要求较高的零件，尺寸公差在IT6-IT7之间的零件。
5级精度比较多
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