第11章轴及其连接

1、第11章目录轴的分类和材料轴的分类和材料 1轴的结构设计轴的结构设计2轴的强度计算轴的强度计算3轴毂联接轴毂联接4常用联轴器和离合器常用联轴器和离合器5第一节 轴是机器中的重要零件之一，其主要功用是支承旋转零轴是机器中的重要零件之一，其主要功用是支承旋转零件，并传递运动和动力。件，并传递运动和动力。11.1.1 轴的分类轴的分类 根据承载情况不同，轴可分为心轴、转轴和传动轴三类。根据承载情况不同，轴可分为心轴、转轴和传动轴三类。 ( (1) )心轴心轴 工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。自行车前轮轴自行车前轮轴固定心轴固定心轴火车车轮轴火车车轮轴转动心轴转动心

2、轴 ( (1) )心轴心轴 工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。 ( (2) )转轴转轴 工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的轴。轴。 减速器中的轴减速器中的轴齿轮轴齿轮轴 ( (2) )转轴转轴 工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的轴。轴。 减速器中的轴减速器中的轴齿轮轴齿轮轴 ( (3) )传动轴传动轴 工作时传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。工作时传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。汽车变速箱与后桥之间的传动轴汽车变速箱与后桥之间的传动

3、轴传动轴传动轴 根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。直轴直轴 阶梯轴阶梯轴光轴光轴 根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。曲轴曲轴 根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。钢丝软轴钢丝软轴 11.1.2 轴的材料轴的材料 轴工作时产生的应力多是循环变应力，所以轴的损坏常轴工作时产生的应力多是循环变应力，所以轴的损坏常为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够高的强度和韧性，对为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够高的强度和

4、韧性，对应力集中敏感性小和良好的工艺性，有的轴还有耐磨性的要应力集中敏感性小和良好的工艺性，有的轴还有耐磨性的要求等。求等。 碳素钢碳素钢 35、40、45、50钢等，其中钢等，其中45钢最常用钢最常用，一般要经正火、一般要经正火、调质或表面淬火热处理调质或表面淬火热处理。 合金钢合金钢 20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、38SiMnMo等等。采采用合金钢必须用合金钢必须进行进行相应的热处理相应的热处理。 球墨铸铁或可锻铸铁球墨铸铁或可锻铸铁 QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等等。第二节 轴的结构设计就是确定轴的合理形状和尺寸。影响轴的轴的结

5、构设计就是确定轴的合理形状和尺寸。影响轴的结构的因素有很多，如轴上零件的布局及其在轴上的固定方结构的因素有很多，如轴上零件的布局及其在轴上的固定方法；轴上载荷的大小及其分布情况；轴承的类型、尺寸和布法；轴上载荷的大小及其分布情况；轴承的类型、尺寸和布置情况；轴的加工和装配工艺性等。因此，轴的结构没有标置情况；轴的加工和装配工艺性等。因此，轴的结构没有标准形式。设计时，必须针对不同的情况确定轴的结构。准形式。设计时，必须针对不同的情况确定轴的结构。 轴的结构设计要求轴的结构设计要求 轴和轴上零件要有确定的轴向工作位置及恰当的周向轴和轴上零件要有确定的轴向工作位置及恰当的周向固定。固定。 轴上零件

6、要易于装拆和调整。轴上零件要易于装拆和调整。 轴应具有良好的制造工艺性。轴应具有良好的制造工艺性。 轴受力合理，有利于提高轴的强度和刚度。轴受力合理，有利于提高轴的强度和刚度。 轴的形状及尺寸有利于轴的形状及尺寸有利于减小应力集中等。减小应力集中等。 轴的组成轴的组成 轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴颈轴颈轴头轴头轴身轴身轴上零件的装配轴上零件的装配齿轮齿轮套筒套筒左端轴承左端轴承左端轴承端盖左端轴承端盖左端轴承端盖左端轴承端盖右端轴承右端轴承链轮链轮轴端挡圈轴端挡圈11.2.1 轴上零件的固定轴上零件的固定 为了保证轴上零件能正常工作，其轴向和周向都

7、必须固为了保证轴上零件能正常工作，其轴向和周向都必须固定。定。 1. 轴向定位与固定轴向定位与固定 为了保证零件在轴上有确定的轴向位置，防止零件轴向为了保证零件在轴上有确定的轴向位置，防止零件轴向窜动并能传递轴向力，轴上零件必须轴向定位与固定。常用窜动并能传递轴向力，轴上零件必须轴向定位与固定。常用的定位方法有轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈、锁紧挡圈、圆的定位方法有轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈、锁紧挡圈、圆锥面、弹性挡圈和锥面、弹性挡圈和紧定螺钉紧定螺钉等。等。零件的轴向定位举例零件的轴向定位举例rhDdbRhDdC1轴肩轴肩r轴环轴环 2. 周向固定周向固定 为了防止轴上零件与轴之间的相对转动，可

8、靠地传递运为了防止轴上零件与轴之间的相对转动，可靠地传递运动和转矩，必须进行零件的周向固定。周向固定的方法很多，动和转矩，必须进行零件的周向固定。周向固定的方法很多，常用的有键连接、花键连接、型面连接、销连接、过盈连接常用的有键连接、花键连接、型面连接、销连接、过盈连接等。等。 在运动精度要求较高的场合在运动精度要求较高的场合( (如有运动协调性要求等如有运动协调性要求等) )，周向定位要求精确并可调整，周向定位比轴向定位更重要。周向定位要求精确并可调整，周向定位比轴向定位更重要。第三节 轴的工作能力主要取决与强度和刚度。轴的强度不够，轴的工作能力主要取决与强度和刚度。轴的强度不够，会出现断裂

9、或因过大的塑性变形而失效。轴的刚度不够时，会出现断裂或因过大的塑性变形而失效。轴的刚度不够时，会产生度过大的弯曲变形和扭转变形，影响机器的正常工作。会产生度过大的弯曲变形和扭转变形，影响机器的正常工作。高速轴还应考虑其振动稳定性。高速轴还应考虑其振动稳定性。11.3.1 按扭转强度条件计算按扭转强度条件计算 这种方法是只按轴所承受的扭矩来计算轴的强度。若轴这种方法是只按轴所承受的扭矩来计算轴的强度。若轴上还承受着不大的弯矩，则采用降低许用应力的方法来考虑上还承受着不大的弯矩，则采用降低许用应力的方法来考虑弯矩的影响。在做轴的结构设计时，通常按扭转强度条件初弯矩的影响。在做轴的结构设计时，通常按

10、扭转强度条件初步估算轴受扭段的最小直径。对于不重要的轴，也可以作为步估算轴受扭段的最小直径。对于不重要的轴，也可以作为最后计算结果。最后计算结果。 由材料力学可知，轴受扭矩时的强度条件为由材料力学可知，轴受扭矩时的强度条件为3TT3T9550 100.2TPWd n 得到得到333T9550 100.2Pdn 当轴的材料选定后，当轴的材料选定后， T已知，可将上式简化为已知，可将上式简化为3PdCn 按上式计算出的轴径，一般作为轴上承受扭矩段的最小按上式计算出的轴径，一般作为轴上承受扭矩段的最小直径。轴上若有键槽，将削弱轴的强度，因此应适当加大轴直径。轴上若有键槽，将削弱轴的强度，因此应适当加

11、大轴径。一般当有一个键槽时，轴径增加径。一般当有一个键槽时，轴径增加4%5%；有两个键槽时，；有两个键槽时，增加增加7%10%。计算得到的直径应圆整为标准直径。计算得到的直径应圆整为标准直径。 11.3.2 按弯扭合成强度条件计算按弯扭合成强度条件计算 轴的各部分尺寸和结构确定后，必要时可按工程力学中轴的各部分尺寸和结构确定后，必要时可按工程力学中第三强度理论进行校核。第三强度理论进行校核。 主要步骤主要步骤 1) )绘出轴的计算简图绘出轴的计算简图( (受力图受力图) )。 2) )绘出轴的水平面弯矩绘出轴的水平面弯矩MH图。图。 3) )绘出轴的垂直面弯矩绘出轴的垂直面弯矩Mv图。图。22

12、HVMMM 4) )计算出合成弯矩计算出合成弯矩 ，绘出合成弯矩图。，绘出合成弯矩图。 5) )计算当量弯矩计算当量弯矩Me，绘出当量弯矩图。，绘出当量弯矩图。 22e()MMT 为折算系数，对称变化扭矩为折算系数，对称变化扭矩 1；脉动变化扭矩；脉动变化扭矩 0.6；不变扭矩不变扭矩 0.3。 7) )计算轴的直径。在当量弯矩计算轴的直径。在当量弯矩Me作用下，求出危险截面作用下，求出危险截面的当量应力的当量应力 e，强度条件为，强度条件为 于是于是 e31b0.1Md 若轴的截面有键槽，应适当加大轴径。当校核计算出的若轴的截面有键槽，应适当加大轴径。当校核计算出的轴径比初估并经过结构化所得

13、轴径稍小，表明原定轴径安全，轴径比初估并经过结构化所得轴径稍小，表明原定轴径安全，否则，应按校核计算所得轴径作适当修改。否则，应按校核计算所得轴径作适当修改。eee1b30.1MMWd 11.3.3 轴的刚度计算轴的刚度计算 轴在载荷作用下会发生弯曲和扭转变形，严重时将影响轴在载荷作用下会发生弯曲和扭转变形，严重时将影响到轴和轴上零件的正常工作。因此，在设计重要的轴时，需到轴和轴上零件的正常工作。因此，在设计重要的轴时，需对轴的刚度进行校核。对轴的刚度进行校核。 轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度。弯曲刚度用轴的挠轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度。弯曲刚度用轴的挠度度y或偏转角或偏转角 度量；扭转刚

14、度用扭转角度量；扭转刚度用扭转角 度量。设计准则分别度量。设计准则分别为为y y 或或 或或 y或或 以及以及 可根据力学中的有关方法计算，可根据力学中的有关方法计算，y、 和和 的具体数值可从机械设计手册中查得。的具体数值可从机械设计手册中查得。 第四节 轴与轴上零件的连接称为轴毂连接，其功能主要是使轴轴与轴上零件的连接称为轴毂连接，其功能主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。常用的轴毂连接有上零件与轴周向固定以传递转矩。常用的轴毂连接有键连接、键连接、花键连接、过盈连接、销连接、螺钉连接和型面连接等。花键连接、过盈连接、销连接、螺钉连接和型面连接等。11.4.1 键连接键连接 1. 键连

15、接的类型键连接的类型 键连接是应用最多的轴毂连接方式，有多种类型，均有键连接是应用最多的轴毂连接方式，有多种类型，均有国家标准。国家标准。 2. 平键连接的计算平键连接的计算 设计平键连接时，首先根据工作条件确定键的类型，再设计平键连接时，首先根据工作条件确定键的类型，再由轴径由轴径d从标准中查得键的截面尺寸从标准中查得键的截面尺寸键宽键宽b和键高和键高h，然后按，然后按轮毂宽度轮毂宽度B确定键长确定键长L。轮毂宽度。轮毂宽度B一般可取为一般可取为( (1.52) )d，键，键长长L B ( (510) )mm。导向平键的键长按轮毂长度及滑动距离。导向平键的键长按轮毂长度及滑动距离而定。键长而

16、定。键长L必须符合国家标准中规定的长度系列。必须符合国家标准中规定的长度系列。 khTdb 平键连接工作时键及键槽的工作面受挤压，键又受剪切。平键连接工作时键及键槽的工作面受挤压，键又受剪切。普通平键的主要失效形式是工作面被压溃，个别情况也会出现普通平键的主要失效形式是工作面被压溃，个别情况也会出现键被剪断；导向平键连接主要失效形式是工作面过度磨损。键被剪断；导向平键连接主要失效形式是工作面过度磨损。 平键连接常按工作面上的挤压应力或压强进行校核计算。平键连接常按工作面上的挤压应力或压强进行校核计算。 pA型型B型型 设压力在工作面上均匀分布，普通平键连接的挤压应力设压力在工作面上均匀分布，普

17、通平键连接的挤压应力 p、导向平键连接的压强、导向平键连接的压强p应分别满足的条件为应分别满足的条件为 A型型B型型pp2000FTkldkl2000 Tppdkl khTdb p第五节 联轴器和离合器都是机械中的常用部件，主要用于将两联轴器和离合器都是机械中的常用部件，主要用于将两固定轴轴向连接并传递运动和转矩。联轴器所连接的两轴，固定轴轴向连接并传递运动和转矩。联轴器所连接的两轴，只能在机器停车后经过装拆才能彼此接合或分开；而离合器只能在机器停车后经过装拆才能彼此接合或分开；而离合器可根据需要在机器运转过程中使两轴接合或分离。可根据需要在机器运转过程中使两轴接合或分离。两轴轴线的相对位移两

18、轴轴线的相对位移x轴向位移轴向位移y径向位移径向位移x y综合位移综合位移 偏角位移偏角位移 1. 刚性联轴器刚性联轴器 刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对运刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对运动，不能补偿两轴间的相对位移，不能缓冲吸振，用于被连动，不能补偿两轴间的相对位移，不能缓冲吸振，用于被连接的两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的场合。接的两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的场合。 ( (1) )套筒联轴器套筒联轴器用键连接用键连接用销连接用销连接 特点特点 结构简单，制造简单，径向尺寸小，成本较低。结构简单，制造简单，径向尺寸小，成本较低。被连接的两

19、轴必须严格同心，不能缓冲和吸振，装拆时需作被连接的两轴必须严格同心，不能缓冲和吸振，装拆时需作轴向位移，有时不太方便。通常用于传递较小转矩的场合。轴向位移，有时不太方便。通常用于传递较小转矩的场合。 ( (2) )凸缘联轴器凸缘联轴器 特点特点 结构简单，制造成本低，工作可靠，能传递较大结构简单，制造成本低，工作可靠，能传递较大的转矩。被连接的两轴必须严格对中，不能缓冲和吸振，一的转矩。被连接的两轴必须严格对中，不能缓冲和吸振，一般用于转矩较大，两轴能很好对中以及冲击较小的场合。般用于转矩较大，两轴能很好对中以及冲击较小的场合。 2. 挠性联轴器挠性联轴器 在不能避免两轴相对位移的情况下，应采

20、用挠性联轴器在不能避免两轴相对位移的情况下，应采用挠性联轴器来补偿被连接两轴的位移和偏斜。挠性联轴器可分为无来补偿被连接两轴的位移和偏斜。挠性联轴器可分为无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器两类。弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器两类。 挠性联轴器补偿两轴偏移的方法挠性联轴器补偿两轴偏移的方法 依靠连接元件间的相对可移性使两个半联轴器发生相对依靠连接元件间的相对可移性使两个半联轴器发生相对运动，从而补偿被连接两轴安装时的对中误差以及工作运动，从而补偿被连接两轴安装时的对中误差以及工作时的相对位移。时的相对位移。在联轴器中安置弹性元件，弹性元件受载时产生弹性变形，在联轴器中安置弹性元

21、件，弹性元件受载时产生弹性变形，从而使两半联轴器发生相对运动。从而使两半联轴器发生相对运动。 ( (1) )无弹性元件联轴器无弹性元件联轴器 1) )滑块联轴器滑块联轴器 十字滑块联轴器十字滑块联轴器 特点特点 结构简单，径向尺寸小，但工作面易磨损，适用结构简单，径向尺寸小，但工作面易磨损，适用于低速和冲击较小的场合。于低速和冲击较小的场合。 2) )齿轮联轴器齿轮联轴器 特点特点 具有良好的补偿两轴偏移的能力，具有良好的补偿两轴偏移的能力，能传递很大的能传递很大的转矩，工作安全可靠，安装精度要求不高，有良好的补偿轴转矩，工作安全可靠，安装精度要求不高，有良好的补偿轴间相对位移的能力。但结构复

22、杂、自重大、成本较高，在重间相对位移的能力。但结构复杂、自重大、成本较高，在重型机械中应用广泛。型机械中应用广泛。 3) )万向联轴器万向联轴器 特点特点 结构紧凑，工作可靠，维护方便，能连接交角较结构紧凑，工作可靠，维护方便，能连接交角较大的相交轴或距离较大的两平行轴，应用广泛。大的相交轴或距离较大的两平行轴，应用广泛。 ( (2) )有弹性元件的挠性联轴器有弹性元件的挠性联轴器 这类挠性联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴的这类挠性联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴的线位移和角位移，而且具有缓冲和吸振能力，适用于受变载线位移和角位移，而且具有缓冲和吸振能力，适用于受变载荷、频繁起动、

23、经常正反转以及两轴不便于严格对中的场合。荷、频繁起动、经常正反转以及两轴不便于严格对中的场合。 1) ) 弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器 特点特点 结构简单，更换方便，易于制造，能补偿两轴轴结构简单，更换方便，易于制造，能补偿两轴轴线间的相对位移和偏斜。适用于连接载荷平稳、经常正反转线间的相对位移和偏斜。适用于连接载荷平稳、经常正反转或起动频繁、传递中小转矩的轴。或起动频繁、传递中小转矩的轴。 2) ) 弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器 特点特点 传递转矩的能力较大，结构简单，安装制造方便，传递转矩的能力较大，结构简单，安装制造方便，耐久性好，适用于轴向窜动量较大，正反转变化较多和起动耐久性好，

24、适用于轴向窜动量较大，正反转变化较多和起动频繁的场合。频繁的场合。 3. 联轴器的选择联轴器的选择 ( (1) )联轴器的类型选择联轴器的类型选择 联轴器多已标准化和系列化。对于已标准化的联轴器，联轴器多已标准化和系列化。对于已标准化的联轴器，可先根据机械的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等可先根据机械的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等选择合适类型。选择合适类型。 一般来说，对载荷平稳、低速、刚性大，同轴度好，无一般来说，对载荷平稳、低速、刚性大，同轴度好，无相对位移的轴选用刚性联轴器；对刚性小，有相对位移的轴相对位移的轴选用刚性联轴器；对刚性小，有相对位移的轴宜选用挠性联轴器，以补

25、偿其安装误差。如当两轴径向位移宜选用挠性联轴器，以补偿其安装误差。如当两轴径向位移大时选用滑块联轴器；而当两轴角位移较大或相交两轴的连大时选用滑块联轴器；而当两轴角位移较大或相交两轴的连接可选用万向联轴器。大功率的重载传动可选用齿轮联轴器；接可选用万向联轴器。大功率的重载传动可选用齿轮联轴器；对高速、有冲击、振动和对中较差的轴应选用弹性联轴器。对高速、有冲击、振动和对中较差的轴应选用弹性联轴器。 ( (2) )联轴器型号的确定联轴器型号的确定 确定联轴器的类型后，可根据传递的转矩、转速、轴的确定联轴器的类型后，可根据传递的转矩、转速、轴的结构形式和尺寸等要求，确定联轴器型号和结构尺寸，并保结构

26、形式和尺寸等要求，确定联轴器型号和结构尺寸，并保证所选型号的许用转矩证所选型号的许用转矩Tn不小于其计算转矩不小于其计算转矩Tc。Tc KAT Tn 11.5.2 常用离合器常用离合器 离合器的类型很多，按其结合元件工作原理，可分为嵌离合器的类型很多，按其结合元件工作原理，可分为嵌合式和摩擦式两类。合式和摩擦式两类。 嵌合式离合器特点嵌合式离合器特点 结构简单，传递的转矩大，能保证结构简单，传递的转矩大，能保证被连接的两轴同步运转，尺寸紧凑；接合时有刚性冲击，只被连接的两轴同步运转，尺寸紧凑；接合时有刚性冲击，只宜在停车或转速差很小时离合。宜在停车或转速差很小时离合。 摩擦式离合器特点摩擦式离

27、合器特点 接合平稳，过载时可自行打滑，能接合平稳，过载时可自行打滑，能在任何不同的转速下离合，但主、从动轴不能严格同步，接在任何不同的转速下离合，但主、从动轴不能严格同步，接合时产生摩擦热，摩擦元件易磨损。合时产生摩擦热，摩擦元件易磨损。 按离合方法的不同，离合器又可分为操纵离合器和自动按离合方法的不同，离合器又可分为操纵离合器和自动离合器。离合器。 1. 牙嵌离合器牙嵌离合器 其牙型有矩形、梯形、锯齿形和三角形。梯形牙应用较其牙型有矩形、梯形、锯齿形和三角形。梯形牙应用较广。广。 特点特点 外廓尺寸小，结构简单，连接后不会发生相对滑外廓尺寸小，结构简单，连接后不会发生相对滑动，也不产生摩擦热，因此特别适用于不允许有温升的高精动，也不产生摩擦热，因此特别适用于不允许有温升的高精度机床和类似机械中，只宜在两轴不转动或转差很小时进行度机床和类似机械中，只宜在两轴不转动或转差很小时进行接合，否则牙齿可能因受撞击而折断。