第10章轴及轴毂联接

1、10.1 10.1 轴的类型及其材料轴的类型及其材料10.2 10.2 轴的结构设计轴的结构设计10.3 10.3 轴的强度设计轴的强度设计10.4 10.4 轴毂连接轴毂连接一、轴的功用及其类型一、轴的功用及其类型1.1.功用功用1 1）支承回转运动零件；）支承回转运动零件；2 2）传递运动和动力）传递运动和动力2.2.类型类型按其结构形状分为按其结构形状分为光轴光轴和和阶梯轴阶梯轴。阶梯轴阶梯轴光轴光轴按轴的轴线形状可分为按轴的轴线形状可分为: :直轴、曲轴、挠性轴直轴、曲轴、挠性轴曲曲 轴轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴直轴直轴按轴功用和承载情况，可分为三种类型：按轴功用和承载情况，可分为三种类型

2、： 转轴转轴既传递扭矩又承受弯矩既传递扭矩又承受弯矩 心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩自行车前轴自行车前轴-心轴心轴汽车的传动轴汽车的传动轴 减速器轴减速器轴转轴转轴此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。二、轴的材料二、轴的材料1.1.选择轴的材料时应主要考虑的因素：选择轴的材料时应主要考虑的因素：（1 1）轴的强度、刚度及耐磨性要求；）轴的强度、刚度及耐磨性要求；（2 2）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；（3 3）轴的材料来源和经济性等。轴的材料来源和经济性等。2.2.轴的常用材料轴的常用材

3、料（2 2）3535、4040等等优质碳素钢，其中价廉物美的优质碳素钢，其中价廉物美的45 45 应用最普遍。应用最普遍。（1 1）碳素结构钢，如）碳素结构钢，如Q235Q235、Q275Q275等。等。附：轴常用材料及机械性能表附：轴常用材料及机械性能表 （4 4）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂 的轴，吸振性好，对应力敏感性低。的轴，吸振性好，对应力敏感性低。3.3.轴的毛坯形式轴的毛坯形式一般采用轧制的圆钢或锻件。一般采用轧制的圆钢或锻件。（3 3）合金钢，如）合金钢，如35CrMo35CrMo、40Cr40Cr等，比碳钢更好等，比碳钢更好 的机械性能

4、和淬透性，价格更高。的机械性能和淬透性，价格更高。轴的常用材料及其机械性能表轴的常用材料及其机械性能表一、概述一、概述1.1.典型转轴结构实例典型转轴结构实例3.3.一般轴结构设计的基本要求一般轴结构设计的基本要求(4)(4)形状、尺寸要求形状、尺寸要求 改善载荷分布和改善载荷分布和有利于减有利于减 少应力集中。少应力集中。2.2.轴的结构设计的概念轴的结构设计的概念确定轴的外形及全部结构尺寸。确定轴的外形及全部结构尺寸。(1)(1)定位要求定位要求 要求轴和轴上零件要有准确要求轴和轴上零件要有准确 的工作位置。的工作位置。(2)(2)固定要求固定要求 要求轴上各零件的位置要可要求轴上各零件的

5、位置要可 靠地固定。靠地固定。( (3 3) )工艺要求工艺要求 轴的结构应便于轴的加工和轴的结构应便于轴的加工和 轴上零件装拆轴上零件装拆（装配）（装配）。二、轴上二、轴上零件的定位和固定零件的定位和固定 （1 1）轴肩和轴环）轴肩和轴环 1.1.轴上轴上零件的轴向定位和固定零件的轴向定位和固定 轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，都对轴上零件起单向定位和固定作用。都对轴上零件起单向定位和固定作用。 正确结正确结构构错误结构错误结构表表11.6.1 圆角半径圆角半径R1和倒角和倒角C1/mm轴径轴径d d1010181818183030303050

6、50505080808080100100R R0.80.81.01.01.61.62.02.02.52.5R R1 1或或C C1 11.61.62.02.03.03.04.04.05.05.0（2 2）套筒和圆螺母）套筒和圆螺母 注意：注意：轴上两零件相距较近时，轴上两零件相距较近时，一般采用套筒；当两零件相距一般采用套筒；当两零件相距较远时较远时 ，可采用圆螺母。，可采用圆螺母。 应力集中，削弱强度套筒套筒（3 3）轴端挡圈和圆锥面）轴端挡圈和圆锥面 轴端挡圈和圆锥面 两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。轴端挡圈和圆柱面注意：注意：主要用于轴上零件与

7、轴的同心度要求较高主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高或轴受振动的场合，且多用于轴端。或轴受振动的场合，且多用于轴端。（4 4）弹性挡圈和紧定螺钉）弹性挡圈和紧定螺钉 结构简单，但只能承受较小的轴向力。结构简单，但只能承受较小的轴向力。 2.2.轴上轴上零件的周向定位和固定零件的周向定位和固定 平键连接花键连接过盈配合销连接成形连接三、三、轴轴的结构工艺性的结构工艺性 1.1.轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定通常做成阶梯轴。通常做成阶梯轴。2. 2. 轴的结构应便于加工制造轴的结构应便于加工制造（1 1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；）轴上需切制螺纹时应留出

8、退刀槽；（2 2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；（3 3）轴端和各轴段端部应有）轴端和各轴段端部应有4545倒角，倒角，轴上的倒角轴上的倒角和圆角半径尽量一致；和圆角半径尽量一致；（4 4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。 3.3.轴的结构应便于减少应力集中轴的结构应便于减少应力集中（1 1）尽量减少阶梯数；）尽量减少阶梯数；（2 2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；（4 4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度提高轴的表面质量，降低表面粗糙度数值数值。（3 3）尽量避免

9、在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环卸荷槽卸荷槽（4 4）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规定的标准尺寸。定的标准尺寸。 四、轴的尺寸四、轴的尺寸 确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，还要考虑下面因素的影响：还要考虑下面因素的影响：（1 1）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴 承内径的标准；承内径的标准；（2 2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；）轴上车制螺纹部分的直径，必须符

10、合螺纹标准；（3 3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围 相适应；相适应；一、按扭转强度估算轴的最小直径一、按扭转强度估算轴的最小直径其中：功率其中：功率PKW；转速转速 nr/min；直径直径d mm； C 由轴的材料和受载情况决定的常数由轴的材料和受载情况决定的常数33nPCnP2010559d .6 设计公式：设计公式：校核公式：校核公式：2 . 01055. 9WT36p ndP注意：注意：轴上有键槽时，应将上式轴径轴上有键槽时，应将上式轴径d的计算结的计算结果提高，一个键槽提高果提高，一个键槽提高35%，二个键槽，二个键槽提高提高710

11、%常用材料的常用材料的值和值和C C值值d.)T(MWMrr132210 二、按弯扭合成强度条件校核二、按弯扭合成强度条件校核其中：其中：r r-当量应力当量应力；Mr -当量弯矩当量弯矩；M -合成弯矩合成弯矩； d -轴的直径轴的直径； W -横截面的弯曲截面系数横截面的弯曲截面系数； -折算系数折算系数 轴的结构设计后，用根据第三强度理论推轴的结构设计后，用根据第三强度理论推得的得的校核公式校核公式，即：，即：22r)T(MM 2V2HMMM HV合成弯矩合成弯矩2V2HMMM 其中：其中：101对称循环状态下的许用弯曲应力对称循环状态下的许用弯曲应力脉动循环状态下的许用弯曲应力脉动循环

12、状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力111 6.001 3.011 对称循环扭转剪应力时对称循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时稳定稳定( (不变不变) )扭转剪应力时扭转剪应力时常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。折算系数折算系数其中其中： y 轴的许用挠度轴的许用挠度 轴的许用偏转角轴的许用偏转角 轴的许用扭转角轴的许用扭转角三、三、轴的刚度校核轴的刚度校核 y y 1.1.选择轴的材料选择轴的材料 2.2.初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径3.3.轴的结构设计轴的结构设计4.4.轴的强度校核

13、和刚度校核轴的强度校核和刚度校核四、轴的设计步骤四、轴的设计步骤五、轴的设计实例五、轴的设计实例 试设计如图示单级斜齿轮传动减速器的从动试设计如图示单级斜齿轮传动减速器的从动轴。已知：传递的功率轴。已知：传递的功率P=10kW，转速，转速n=202r/min，齿轮受力，齿轮受力Ft=2656N，Fr=985N，Fa=522N，轮毂长度，轮毂长度L=80mm，单向传动，选用，单向传动，选用轻窄系列深沟球轴承。轻窄系列深沟球轴承。解答：解答：v1.选择轴的材料，确定许用应力选择轴的材料，确定许用应力选选45钢，正火处理，查表钢，正火处理，查表11.1.1得到其硬度为得到其硬度为HBS170217，

14、抗拉强度，查表抗拉强度，查表11.6.4得到许用弯曲应力为得到许用弯曲应力为=55MPa。 v2.估算轴的最细段的直径估算轴的最细段的直径查手册材料的许用值（表查手册材料的许用值（表11.6.3）得到，因此有）得到，因此有查手册标准尺寸（表查手册标准尺寸（表11.6.2）确定取。）确定取。 mm.24220210115nPd33 115Cmm45dv3.轴的结构设计轴的结构设计确定轴上零件的位置、定位和固定方式确定轴上零件的位置、定位和固定方式由于是单级齿轮减速器，应把齿轮布置在箱体内由于是单级齿轮减速器，应把齿轮布置在箱体内壁的中间，轴承对称布置在齿轮的两边，轴的外伸壁的中间，轴承对称布置在

15、齿轮的两边，轴的外伸端安装联轴器。端安装联轴器。齿轮靠轴环和套筒实现轴向定位和固定，靠平键齿轮靠轴环和套筒实现轴向定位和固定，靠平键和过盈配合实现周向固定。两端轴承分别靠轴肩、和过盈配合实现周向固定。两端轴承分别靠轴肩、套筒实现轴向定位和固定，靠过盈配合实现周向固套筒实现轴向定位和固定，靠过盈配合实现周向固定。轴通过两端轴承盖实现轴向定位。联轴器靠轴定。轴通过两端轴承盖实现轴向定位。联轴器靠轴肩、平键和过盈配合分别实现轴向定位和周向固定。肩、平键和过盈配合分别实现轴向定位和周向固定。 确定轴各段的直径确定轴各段的直径外伸端直径为外伸端直径为45 mm。联轴器轴向定位，在轴的外。联轴器轴向定位，

16、在轴的外伸端设计一轴肩。伸端设计一轴肩。轴承的标准手册选用两个轴承的标准手册选用两个6211型的深沟球轴承。轴型的深沟球轴承。轴承右端轴承透盖的这一轴段应取直径承右端轴承透盖的这一轴段应取直径55mm 。考虑。考虑装拆，透盖毡圈接触的轴段公差带取装拆，透盖毡圈接触的轴段公差带取f7，左端轴承的，左端轴承的轴段直径也是轴段直径也是55 mm。齿轮的装配，齿轮处的轴头直径为齿轮的装配，齿轮处的轴头直径为60mm 。定位的。定位的轴肩所在轴段的直径为轴肩所在轴段的直径为70mm 。左端轴承处的轴肩。左端轴承处的轴肩所在轴段的直径为所在轴段的直径为62 mm，轴肩圆角半径取，轴肩圆角半径取1mm ，齿

17、轮与联轴器处的轴环、轴肩的圆角半径可查表齿轮与联轴器处的轴环、轴肩的圆角半径可查表11.6.1得得1.5 mm。确定轴各段的长度确定轴各段的长度齿轮轮毂的宽度为齿轮轮毂的宽度为80mm ，故取齿轮处轴头的长，故取齿轮处轴头的长度为度为78 mm。由轴承的标准手册查得。由轴承的标准手册查得211型轴承的型轴承的宽度为宽度为21 mm，因此左端轴颈的长度为，因此左端轴颈的长度为21mm 。齿。齿轮两端面、轴承端面应与箱体内壁保持一定的距离，轮两端面、轴承端面应与箱体内壁保持一定的距离，通常为通常为10mm 左右，故穿过透盖的轴段的长度取为左右，故穿过透盖的轴段的长度取为58 mm。联轴器处的轴头长

18、度按联轴器的标准长度。联轴器处的轴头长度按联轴器的标准长度取取70mm 。由图。由图11.6.14可知，轴的支承跨距为。可知，轴的支承跨距为。mm141L轴的设计草图轴的设计草图v4.4.校核轴的强度和刚度校核轴的强度和刚度绘制轴的计算简图，受力分析，分解为水平和垂绘制轴的计算简图，受力分析，分解为水平和垂直分力。直分力。绘制水平面内弯矩图绘制水平面内弯矩图两支承端的约束反力为：两支承端的约束反力为：截面截面C处的弯矩为：处的弯矩为：N132826562FRR2thBhA mN. 62932141013282LRMhAhC绘制垂直面内弯矩图绘制垂直面内弯矩图两支承端的约束反力为：两支承端的约束

19、反力为：截面截面C左侧的弯矩为：左侧的弯矩为：N.4816614123565222985L2dF2FR22a2rvA N.48115114123565222985L2dF2FR22a2rvB mN. 741121410481662LRMvA1vCmN. 1881214104811512LRMvB2vC绘制合成弯矩图绘制合成弯矩图截面截面C左侧的合成弯矩为：左侧的合成弯矩为：截面截面C右侧的合成弯矩为：右侧的合成弯矩为：mN.).(. 359474116293MMM2221vC2hC1CmN. 9212318816293MMM2222vC2hC2C绘制扭矩图绘制扭矩图齿轮与联轴器之间的扭矩为：齿

20、轮与联轴器之间的扭矩为：确定危险截面，强度校核计算确定危险截面，强度校核计算绘制当量弯矩图（图绘制当量弯矩图（图11.6.15f）因为轴为单向转动，）因为轴为单向转动，所以扭矩为脉动循环，折合系数为所以扭矩为脉动循环，折合系数为=0.6，危险截，危险截面面C处的弯矩为处的弯矩为 ：mN. 73472202109549nP9549T2mN.).(.)( 9630734726092123TMM22222CeC 由设计公式：由设计公式： 由于由于C处有键槽，故将轴径加大处有键槽，故将轴径加大5%，即。而结构，即。而结构设计草图中，该处的轴径为，故设计草图中，该处的轴径为，故强度足够强度足够。刚度校核

21、计算（略）刚度校核计算（略）v5.绘制轴的工作图。绘制轴的工作图。 mm.b32385510105330910Md3331eC 轴毂连接轴毂连接：实现轴和轴上零件周向固定的连接。：实现轴和轴上零件周向固定的连接。一、键连接、花键和销连接一、键连接、花键和销连接 1.1.键连接的类型，构造及工作原理键连接的类型，构造及工作原理 松键连接松键连接紧键连接紧键连接键连接键连接轴毂连接的主要形式轴毂连接的主要形式：键连接和花键连接。：键连接和花键连接。普通平键普通平键连接连接导向平键导向平键连接连接半圆键半圆键连接连接滑键连接滑键连接松键松键连接连接 松键连接依靠两侧面相互挤压传递转矩。键的松键连接依

22、靠两侧面相互挤压传递转矩。键的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。(1)(1)松键连接松键连接普通平键连接普通平键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离不大的场合。动距离不大的场合。 导向平键连接滑键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离较大的场合。动距离较大的场合。 多用于多用于锥形轴端的锥形轴端的轴毂轴毂连接连接。半圆键可在轴的键半圆键可在轴的键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽过

23、深，对轴的强度削弱较大，槽过深，对轴的强度削弱较大，适用于轻载连接。适用于轻载连接。半圆键连接(2)(2)紧键联接紧键联接紧键联接紧键联接楔键联接楔键联接切向键联接切向键联接普通楔键普通楔键钩头楔键钩头楔键楔键联接普通锲键钩头锲键 工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传递转矩，工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传递转矩，楔紧力会使轴毂产生偏心，故楔紧力会使轴毂产生偏心，故多用于对中要求不高多用于对中要求不高和转速较低的场合。和转速较低的场合。 由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并

24、分布成1201200 01351350 0。切向键对中性差，对轴的削弱大，切向键对中性差，对轴的削弱大，故多故多用于重型及矿山机械。用于重型及矿山机械。切向键花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递载荷能力强，对轴的削弱小载荷能力强，对轴的削弱小( (齿浅、应力集中小齿浅、应力集中小) )，制，制造要用专门的设备和工具。造要用专门的设备和工具。故花键连接适用于载荷较故花键连接适用于载荷较大，定心精度要求较高的连接中。大，定心精度要求较高的连接中。2.2.花键连接的类型，特点和选用花键连接的类型，特点和选用矩形齿花键渐开线花键渐开线花键渐开线花键花键连

25、接花键连接矩形齿花键矩形齿花键( (常用常用) )3 3、销联接、销联接二、平键联接的选择与强度校核二、平键联接的选择与强度校核1. 1. 键联接的失效分析键联接的失效分析普通平键普通平键为较弱零件的为较弱零件的工作面压溃工作面压溃，故一般只，故一般只需校核挤压强度。需校核挤压强度。键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上产生挤压，因挤压力过大而造成的局部塑性变形产生挤压，因挤压力过大而造成的局部塑性变形挤压变形挤压变形。（）键连接可能产生两种变形（）键连接可能产生两种变形键沿轴与轮毂的交界面发生相对错动键沿轴与轮毂的交界面发生相对错动剪切变形剪切变形动连接的动连接的导向平键和