第10章轴及其连接

1、第第1010章章 轴与联轴器轴与联轴器联轴器与离合器的选用联轴器与离合器的选用轴的设计轴的设计10.1 10.1 轴的分类及设计要点轴的分类及设计要点10.2 10.2 轴的常用材料轴的常用材料10.3 10.3 轴径的初步计算轴径的初步计算10.4 10.4 轴的结构设计轴的结构设计10.510.5 轴的工作能力校核计算简介轴的工作能力校核计算简介10.610.6 轴的连接轴的连接10.1 10.1 轴的分类及设计要点轴的分类及设计要点轴：轴：穿在轮子中间的圆柱形物体穿在轮子中间的圆柱形物体轴的作用：轴的作用：(1)(1)支持旋转零件支持旋转零件(2)(2)传递运动和动力传递运动和动力10.

2、1.1 10.1.1 基本概念基本概念10.1.2 10.1.2 轴的分类轴的分类(1)(1)根据轴所受载荷分类根据轴所受载荷分类1)1)心轴：心轴：仅用来承转动零件，而不传递动仅用来承转动零件，而不传递动 力，因此只受弯曲作用力，因此只受弯曲作用。 心轴心轴可以是转动的可以是转动的；也可以是固定不动的也可以是固定不动的。车厢重力车厢重力 支撑反力支撑反力前轮轮毂前轮轮毂前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴固定心轴：固定心轴：转动心轴：转动心轴：火车火车轮轴轮轴2)2)转轴：转轴：既支承转动零件，又传递运动和动力，既支承转动零件，又传递运动和动力， 因此既受弯曲又受扭转两种作用。因此既受弯曲又受扭

3、转两种作用。 带式运带式运输机输机减速器减速器电动机电动机转轴转轴3)3)传动轴：传动轴：仅传递运动和动力，因此只受仅传递运动和动力，因此只受 扭转作用。扭转作用。 发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴传动轴传动轴(2)(2)根据轴根据轴的结构形状分类的结构形状分类直轴：直轴： 光轴：一般用于轴上无零件的传动轴光轴：一般用于轴上无零件的传动轴阶梯轴：零件可以进行轴向定位阶梯轴：零件可以进行轴向定位曲轴曲轴: :(1)(1)根据工作要求选择合适的材料；根据工作要求选择合适的材料；(2)(2)轴径的计算；轴径的计算；(3)(3)进行轴的结构设计；进行轴的结构设计；(4)(4)进行轴的强度校核计算，必要

4、时还要进行进行轴的强度校核计算，必要时还要进行刚度、振动等稳定性校核计算。刚度、振动等稳定性校核计算。10.1.310.1.3 轴的设计步骤：轴的设计步骤：10.2 10.2 轴常用的材料轴常用的材料常用材料：常用材料：3535、4545、505010.2.1 10.2.1 碳素钢碳素钢最常用材料：最常用材料：4545常用热处理：常用热处理：正火或调质处理正火或调质处理40Cr、35SiMn、40MnB10.2.2 10.2.2 合金钢合金钢低碳合金钢：低碳合金钢：20Cr20Cr、20CrMnTi20CrMnTi中碳合金钢中碳合金钢：调质处理调质处理渗碳渗碳淬火淬火+低温回火低温回火常用材料

5、常用材料：QT400-10、QT450-510.2.3 10.2.3 球墨铸铁球墨铸铁应用应用：曲轴曲轴特点：特点：成本低廉、强度较高、吸振性较好、成本低廉、强度较高、吸振性较好、 应力集中的敏感性较低和易切削等应力集中的敏感性较低和易切削等 优点，但铸件品质不易控制、可靠优点，但铸件品质不易控制、可靠 性稍差。性稍差。10.3 10.3 轴径的初步计算轴径的初步计算对于传动轴，强度条件为：对于传动轴，强度条件为： 161055. 936dnPWT 336161055. 9nPAnPd最细最细处的处的直径直径圆整至系圆整至系列尺寸列尺寸 例例10-110-1 试计算如图试计算如图10-210-

6、2所示的搅拌轴直径。所示的搅拌轴直径。已知：搅拌轴的功率为已知：搅拌轴的功率为2.2kW, 2.2kW, 轴的转数轴的转数n=60r/minn=60r/min。 mmnPAd55.35602 . 210733考虑到搅拌时介质腐蚀等影响，故按表考虑到搅拌时介质腐蚀等影响，故按表10-310-3取取搅拌轴的最小直径为搅拌轴的最小直径为40mm40mm。解：解：(1)(1)选取轴的材料为选取轴的材料为4545钢，由于搅拌轴主要承受钢，由于搅拌轴主要承受扭矩，故由表扭矩，故由表10-210-2取取A A为较小值，取为较小值，取A=107A=107。(2)(2)由式由式(10-2)(10-2)得得设计任

7、务：设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。设计要求：设计要求：(1)(1)轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(2)(2)轴和轴上零件要有准确的工作位置；轴和轴上零件要有准确的工作位置；(3)(3)各零件要牢固而可靠地相对固定；各零件要牢固而可靠地相对固定；(4)(4)改善应力状况，减小应力集中。改善应力状况，减小应力集中。10.4 10.4 轴的结构设计轴的结构设计轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮 轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承单级齿轮减速器轴上零件的定位和固定 (1)(1)轴向定位轴向定位10.4.1 10.4

8、.1 轴上零件的定位与固定轴上零件的定位与固定 轴肩轴肩轴肩套筒套筒轴环轴环无法采用套筒或套筒无法采用套筒或套筒太长时，可采用太长时，可采用双圆双圆螺母螺母加以固定加以固定装在轴端上的装在轴端上的零件往往采用零件往往采用轴端挡圈轴端挡圈固定固定轴向力较小时，轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。弹性挡圈弹性挡圈紧定螺钉紧定螺钉轴上零件一般均应作双向固定。轴上零件一般均应作双向固定。 轴肩与轴环的尺寸要求轴肩与轴环的尺寸要求:r C1 或或 r RDdrRDdC1rh(0.07d+3)(0.1d+5)mmhhDdrRb(2)(2)周向固定周向固定形式：形式：平

9、键、花键、过盈配合、销连接、紧钉螺钉平键、花键、过盈配合、销连接、紧钉螺钉平键：平键：半圆键半圆键滑键滑键钩头楔键钩头楔键键槽应设计成同一加工直线键槽应设计成同一加工直线花键花键过盈配合过盈配合销连接销连接 紧定螺钉紧定螺钉10.4.2 10.4.2 轴的加工与轴上零件装拆的要求轴的加工与轴上零件装拆的要求 1)1)轴的直径变化应尽可能少，这样既节省材料，轴的直径变化应尽可能少，这样既节省材料， 可减少切削加工量；可减少切削加工量；2)2)轴上有磨削或切制螺纹处，要留砂轮越程槽或轴上有磨削或切制螺纹处，要留砂轮越程槽或 螺纹退刀槽；螺纹退刀槽；3)3)轴上有多个键槽时，应将它们开在同一直线上轴

10、上有多个键槽时，应将它们开在同一直线上 (1)(1)为了便于轴的为了便于轴的加工加工(2)(2)为便于轴上零件的为便于轴上零件的装拆：装拆： 一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状；一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状； 轴端倒角。轴端倒角。倒角倒角应力集中出现在截面突然发生变化的。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：措施：(1)(1)用圆角过渡；用圆角过渡；(2)(2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; ;(3)(3)增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。10.4.3 10.4.3 减少应力集中的措

11、施减少应力集中的措施 10.5 10.5 轴的工作能力校核计算简介轴的工作能力校核计算简介10.5.1 10.5.1 轴的强度校核计算轴的强度校核计算一般用途的轴：一般用途的轴：按工程力学中弯曲和扭转组合强按工程力学中弯曲和扭转组合强 度的当量弯矩法核算其强度度的当量弯矩法核算其强度。对于重要的轴：对于重要的轴：先按当量弯矩法核算其强度先按当量弯矩法核算其强度 再用许用安全系数法核算其疲劳强度再用许用安全系数法核算其疲劳强度。 FT当量弯矩法：按弯曲和扭转组合强度进行核算。当量弯矩法：按弯曲和扭转组合强度进行核算。其核算一般步骤为其核算一般步骤为: :(1)(1)作轴的空间受力简图作轴的空间受

12、力简图22VHMMM(4)(4)作转矩作转矩T图图(5)(5)按当量弯矩校核轴的强度：按当量弯矩校核轴的强度：(3)(3)作全弯矩作全弯矩 图；图；(2)(2)作水平面受力图及弯矩图作水平面受力图及弯矩图M MH H、 M MH H图图1)1)确定危险截面：根据弯矩、转矩最大或弯矩、转确定危险截面：根据弯矩、转矩最大或弯矩、转 矩较大，而轴截面尺寸较小的原则确定一个或几个矩较大，而轴截面尺寸较小的原则确定一个或几个 危险截面。危险截面。2)2) 求危险截面的当量弯矩求危险截面的当量弯矩22)( TMMca 3)3)强度校核：实心圆轴上危险截面应满足强度校核：实心圆轴上危险截面应满足wcacad

13、TMWM1 . 0)(322 强度条件：强度条件：10.5.2 10.5.2 轴的刚度计算轴的刚度计算刚度：轴抵抗变形的能力刚度：轴抵抗变形的能力。轴的变形：弯曲变形和扭转变形轴的变形：弯曲变形和扭转变形。yy 弯曲变形：弯曲变形：扭转变形：扭转变形：10.5.3 10.5.3 轴的振动稳定性概念轴的振动稳定性概念不稳定振动：不稳定振动：对于一定材料、形状和尺寸的轴，当对于一定材料、形状和尺寸的轴，当 转速达到某一特定值时，轴将进入不转速达到某一特定值时，轴将进入不 稳定的工作状态而发生显著的反复变稳定的工作状态而发生显著的反复变 形的现象。形的现象。外载荷：外载荷：轴在旋转时，轴及轴上零件的

14、重心偏移回轴在旋转时，轴及轴上零件的重心偏移回 转轴线产生的不平衡的离心力。转轴线产生的不平衡的离心力。共振：共振：当外载荷的频率和轴系统的固有频率相同时，当外载荷的频率和轴系统的固有频率相同时， 轴将产生激烈振动，称为共振。轴将产生激烈振动，称为共振。 改变临界转速的方法：改变临界转速的方法：通过调整轴的刚度通过调整轴的刚度临界转速临界转速ncr：轴产生共振时的转速：轴产生共振时的转速轴的临界转速：轴的临界转速：从低速到高速依次为一阶、从低速到高速依次为一阶、 二阶、二阶、 三阶等三阶等共振后果：共振后果：能使轴乃至整机破坏能使轴乃至整机破坏刚性轴刚性轴: n0.75ncr1挠性轴挠性轴:

15、1.4 ncr1n0.7 ncr2轴的振动稳定性条件为：轴的振动稳定性条件为：10.6 10.6 轴的连接轴的连接被连接两轴间相互位置的变化被连接两轴间相互位置的变化: :(1)(1)轴向位移轴向位移；(2)(2)径向位移径向位移；(3)(3)角位移角位移；(4)(4)综合位移综合位移。 联轴器的基本要求联轴器的基本要求: :(1)(1)适应被连接两轴间相互位置和变化适应被连接两轴间相互位置和变化；(2)(2)具有吸收振动、缓和冲击的能力具有吸收振动、缓和冲击的能力；(3)(3)具有较大传递转矩的能力具有较大传递转矩的能力。(1)(1)固定式联轴器固定式联轴器10.6.1 10.6.1 联轴器

16、联轴器1)1)套筒联轴器套筒联轴器 结构：结构：套筒把两根轴线重合的轴连接起来，轴套筒把两根轴线重合的轴连接起来，轴 与套筒间用键或销固定与套筒间用键或销固定。 特点：特点：结构简单、径向尺寸小、成本低，但装拆不结构简单、径向尺寸小、成本低，但装拆不 便便。应用：应用：工作平稳、两轴能严格对中并要求径向尺寸工作平稳、两轴能严格对中并要求径向尺寸 小的场合小的场合。2)2)凸缘联轴器（凸缘联轴器（GB/T5843GB/T5843） 结构：结构：由两个带凸缘的半联轴器组成，半联轴器分别由键由两个带凸缘的半联轴器组成，半联轴器分别由键 与两轴连接，然后两半联轴器用螺栓连接与两轴连接，然后两半联轴器用

17、螺栓连接。 优点：优点：结构简单、制造方便、能传递较大的转矩结构简单、制造方便、能传递较大的转矩。缺点：缺点：传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动，安装要求高传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动，安装要求高。原理：原理：(1)(1)普通螺栓连接：依靠接触面的摩擦力传递转矩普通螺栓连接：依靠接触面的摩擦力传递转矩。(2)(2)铰制孔螺栓连接：依靠铰制孔螺栓传递转矩铰制孔螺栓连接：依靠铰制孔螺栓传递转矩。常用材料常用材料：v50m/s, ZG270- 500或碳素钢：或碳素钢：35。普通型普通型凹凸榫凹凸榫对中型对中型靠铰制孔用螺栓来靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中，靠实现两轴对中，靠螺栓杆承受挤压与螺栓杆承

18、受挤压与剪切来传递转矩剪切来传递转矩。靠半联轴器上的凸肩与凹槽靠半联轴器上的凸肩与凹槽相配合而对中，采用普通螺相配合而对中，采用普通螺栓连接，转矩靠半联轴器接栓连接，转矩靠半联轴器接合面的摩擦力矩来传递合面的摩擦力矩来传递。如果轴端是锥如果轴端是锥形，轴端需加形，轴端需加锁紧螺母固定锁紧螺母固定联轴器联轴器。结构：结构： 由两半圆筒形由两半圆筒形的夹壳组成，并的夹壳组成，并用螺栓锁紧用螺栓锁紧。 3)3)夹壳联轴器夹壳联轴器 优点：优点：装拆方便、拆卸时不需要作轴向移动装拆方便、拆卸时不需要作轴向移动。缺点：缺点：传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动。原理：原理：依

19、靠轴与夹壳间的摩擦力来传递转矩依靠轴与夹壳间的摩擦力来传递转矩。适用：适用：低速，一般低速，一般v5m/sv5m/s。常用材料：常用材料：HT200HT200，HT400HT400。 (2)(2)可移式刚性联轴器可移式刚性联轴器 十字滑块联轴器十字滑块联轴器 齿式轮联轴器齿式轮联轴器 万向联轴器万向联轴器原理：原理：利用具有自身具有相对可动的元件或间隙，利用具有自身具有相对可动的元件或间隙， 以补偿被联接两轴之间的相对位移以补偿被联接两轴之间的相对位移。特点：特点：对两轴的对中性要求不高，由于没有弹性元对两轴的对中性要求不高，由于没有弹性元 件，所以不能减振件，所以不能减振。类型类型(3)(3

20、)弹性联轴器弹性联轴器原理：原理：仍依靠螺栓传递转矩仍依靠螺栓传递转矩。用有弹性的用有弹性的柱销代替了柱销代替了刚性的螺栓刚性的螺栓1)1)弹性套柱销联轴器弹性套柱销联轴器(GB/T5014)(GB/T5014)优点：优点：制造容易、装拆方便、制造容易、装拆方便、 成本较低，成本较低，能缓能缓 和冲击和吸收振动；补偿量较大和冲击和吸收振动；补偿量较大。缺点：缺点：两轴对中性差；两轴对中性差；但弹性套易磨损、寿命较但弹性套易磨损、寿命较 短。短。适用场合：适用场合：载荷平稳、启动频繁及换向的中、小载荷平稳、启动频繁及换向的中、小 功率传动。常用于功率传动。常用于电动机与机器的连接电动机与机器的连

21、接。设计安装：设计安装：留出安装柱销的空间尺寸留出安装柱销的空间尺寸。常用材料：常用材料：柱销柱销 3535钢；钢； 半联轴器半联轴器HT200HT200或或ZG270-500ZG270-500； 弹性套耐油橡胶。弹性套耐油橡胶。v25m/sv36m/s结构：结构：采用简单的尼龙或橡胶棒来代替弹性套和柱采用简单的尼龙或橡胶棒来代替弹性套和柱 销，为防止柱销脱落，在两端加档板。销，为防止柱销脱落，在两端加档板。2)2)弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器(GB/T5014)(GB/T5014)优点：优点：有一定的减振作用和补偿能力有一定的减振作用和补偿能力。缺点：缺点：两轴对中性差两轴对中性差。原理：原

22、理：依靠弹性柱销传递转矩依靠弹性柱销传递转矩。应用：应用：不适用于对减振要求高和不适用于对减振要求高和 对噪声要严加控制的部位对噪声要严加控制的部位。弹性柱销弹性柱销联轴器联轴器(4)(4)联轴器的选择联轴器的选择1)1)联轴器类型的选择联轴器类型的选择载荷的大小及性质载荷的大小及性质；轴转速的高低轴转速的高低；两轴相对位移的大小及性质两轴相对位移的大小及性质；工作环境及允许空间等工作环境及允许空间等。主要考虑主要考虑: :2)2)联轴器型号及尺寸的确定联轴器型号及尺寸的确定根据直径、转速及计算扭矩从根据直径、转速及计算扭矩从有关标准中选择型号和尺寸有关标准中选择型号和尺寸。计算转矩计算转矩

23、Tc=kT名义载荷名义载荷载荷系载荷系数数10.6.2 10.6.2 离合器离合器应用：应用：车辆运输装备车辆运输装备。操纵离合器操纵离合器自动离合器自动离合器特点：特点：用离合器联接的两轴在运转过程中能做用离合器联接的两轴在运转过程中能做 到按需要随时分离或接合到按需要随时分离或接合。分类：分类：啮合式啮合式摩擦式摩擦式牙嵌式牙嵌式转键式转键式滑键式滑键式齿轮式齿轮式圆盘摩擦式圆盘摩擦式圆锥摩擦式圆锥摩擦式安全式安全式离心离式离心离式超越式超越式按工作按工作原理原理(1)(1)操纵离合器操纵离合器定义：通过操纵使之达到分离或接合，一般定义：通过操纵使之达到分离或接合，一般 由机械杠杆机构来实现由机