新轴及轴毂联接

第10章轴及轴毂联接10.1轴的类型及其材料10.2动载荷与交变应力10.3轴的结构设计10.4轴的强度设计10.5轴毂连接10.1轴的类型及其材料一、轴的功用及其类型1.功用1）支承回转运动零件；2）传递运动和动力2.类型①按其结构形状分为光轴和阶梯轴。光轴

阶梯轴②按轴的轴线形状可分为:直轴、曲轴、挠性轴曲轴挠性钢丝轴③按轴功用和承载情况，可分为三种类型：

转轴—既传递扭矩又承受弯矩

心轴—只承受弯矩

传动轴—只传递扭矩自行车前轴--心轴汽车的传动轴

减速器轴—转轴此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。二、轴的材料1.选择轴的材料时应主要考虑的因素：（1）轴的强度、刚度及耐磨性要求；（2）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；（3）轴的材料来源和经济性等。2.轴的常用材料（2）35、40等优质碳素钢，其中价廉物美的45应用最普遍。（1）碳素结构钢，如Q235、Q275等。

附：轴常用材料及机械性能表（4）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。3.轴的毛坯形式一般采用轧制的圆钢或锻件。（3）合金钢，如35CrMo、40Cr等，比碳钢更好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10.2动载荷与交变应力一、动载荷与交变应力1.动载荷静载荷：大小和方向不随时间而变化的载荷。动载荷（或变载荷）：载荷明显要随时间变化，或者是短时间内有突变的载荷。2.交变应力（1）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。圆轴表面上任意一点A在任一瞬时的弯曲正应力为：应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、再从最小变到最大的变化过程。（2）实例：(3)交变应力的参数①最大应力σmax②最小应力σmin③循环特征系数④平均应力⑤应力幅对称循环应力r=-1O脉动循环应力r=0静应力r=1(4)交变应力的类型非对称循环应力-1<r<1且r0

二、疲劳失效与持久极限1.疲劳失效（1）定义：在交变应力作用下发生的失效。（2）特点①破坏时的最大应力远低于材料在静应力下的屈服极限；②即使是塑性较好材料，经过多次应力循环后，也会和脆性材料一样发生突然断裂，断裂前没有明显的塑性变形。③断口上呈现明显的两个区域：光滑区和粗糙区。（3）与特点对应的原因交变应力超过一定限度并反复作用最大应力处或材料薄弱处产生裂纹裂纹扩展脆性断裂形成光滑区形成粗糙区2.疲劳极限（或持久极限）指材料试样经过无穷多次应力循环而不发生破坏时，应力循环中最大应力的最高限。试样材料的最大工作应力和寿命(即应力循环次数)之间的关系可用如下疲劳曲线来表示。实验得到材料疲劳极限与静强度极限之间的数量关系：弯曲对称循环：拉(压)对称循环：扭转对称循环：弯曲脉动循环：注意：在对称循环交变应力作用下材料的疲劳极限值最低，即对称循环的交变应力对构件来说最危险。10.3轴的结构设计一、概述1.典型转轴结构实例轴头轴颈轴肩轴身轴颈轴颈轴环轴头轴颈3.一般轴结构设计的基本要求(4)形状、尺寸要求有利于减少应力集中。2.轴的结构设计的概念确定轴的外形及全部结构尺寸。(1)定位要求要求轴和轴上零件要有准确的工作位置。(2)固定要求要求轴上各零件的位置要可靠地固定。(3)工艺要求轴的结构应便于轴的加工和轴上零件装拆。二、轴上零件的定位和固定（1）轴肩和轴环1.轴上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，都对轴上零件起单向定位和固定作用。注意：参数R、R1、C1、h和b要查阅设计手册确定。正确结构错误结构（2）套筒和圆螺母注意：轴上两零件相距较近时，一般采用套筒；当两零件相距较远时，可采用圆螺母。

应力集中，削弱强度（3）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。轴端挡圈和圆柱面注意：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。（4）弹性挡圈和紧定螺钉结构简单，但只能承受较小的轴向力。2.轴上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、轴的结构工艺性轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定通常做成阶梯轴。2.轴的结构应便于加工制造（1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；（2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；（4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。（3）轴端和各轴段端部应有45º倒角，轴上的倒角和圆角半径尽量一致；3.轴的结构应便于减少应力集中（1）尽量减少阶梯数；（2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；（4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度。（3）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；凹切圆角过渡肩环卸荷槽过盈配合应力分布四处错误正确三处错误正确找错练习：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正确（4）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。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，还要考虑下面因素的影响：（1）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；（2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；（3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围相适应；

10.4轴的强度设计一、按扭转强度估算轴的最小直径其中：功率P—KW；转速

n—r/min；直径d—mm；C—由轴的材料和受载情况决定的常数常用材料的[τ]值和C值注意：轴上有键槽时，应将上式轴径d的计算结果提高，一个键槽提高3～5%，二个键槽提高7～10%二、按弯扭合成强度条件校核其中：бr--当量应力；Mr--当量弯矩；M--合成弯矩；

d--轴的直径；W

--横截面的弯曲截面系数；

α--折算系数轴的结构设计后，用根据第三强度理论推得的公式校核，即其中：——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——静应力状态下的许用弯曲应力

——对称循环扭转剪应力时——脉动循环扭转剪应力时——不变的扭转剪应力时常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。

其中[y]——轴的许用挠度[θ]——轴的许用偏转角[Φ]——轴的许用扭转角三、轴的刚度校核

y≤[y]

θ≤[θ]

Φ

≤[Φ]1.选择轴的材料2.初步确定轴的最小直径3.轴的结构设计4.轴的强度校核和刚度校核四、轴的设计步骤试设计该减速器的输出轴。已知输出轴传递的功率P=11KW，转速n=210r/min,作用在齿轮上的圆周力Ft=2618N,径向力Fr=982N,轴向力Fa=653N，大齿轮分度圆直径d2=382mm,轮毂宽度B=80mm。五、轴的设计实例（1）初定5个轴段，同时确定轴上各件的轴向和周向定位方式1.结构设计选用45钢正火处理，由表10-1查σb=600MPa，由表10-2，取C=110=41.2mm（2）确定轴段Ⅰ尺寸考虑到有键槽，将直径增大5%，则d=43.3mm选取TL7型弹性套柱销联轴器，其轴孔直径为45mm,和轴配合部分长度为84mm,故轴输出端直径d=45mm，轴段长80mm。（3）确定轴段Ⅱ尺寸由机械设计手册查得轮毂孔倒角C1=2.5mm,取轴肩高度h=2C1=2×2.5mm=5mm,故d2=d1+2h=45+2×5=55mm初选6311型深沟球轴承，其内径为55mm，宽度为29mm。取套筒长为20mm；考虑密封盖厚度、联轴器和箱体外壁的距离，取轴承右侧面段长为55mm；Ⅱ段长L2=2+20+29+55=106mm（4）确定轴段Ⅲ尺寸直径d3=60mm,长度L3=80-2=78mm（5）确定轴段Ⅳ尺寸由机械设计手册查得轮毂孔倒角C1=3mm,取轴肩高度h=2C1=2×3mm=6mm,故d4=d3+2h=60+2×6=72mm长度和右面套筒长度相同，即L4=20mm机械设计手册查得其安装尺寸为h=5mm,该段直径应为55+5×2=65mm，它和d4不符，故把Ⅳ轴段设计成阶梯形（或锥形），左段直径为65mm。Ⅴ段直径d5=55mm,长度L5=29mm（6）确定轴段Ⅴ尺寸绘制轴的结构设计草图。可算得轴支承跨距L=149mm2.轴的弯扭组合强度校核MCV=99N.mM'CV=25.7N.m铅垂面危险截面C弯矩：FRBV=1327.6NFRAV=345.6N铅垂面支座反力：（1）铅垂面弯矩FRAH=FRBH=1309N水平面支座反力：MCH=97.5N.m水平面危险截面C弯矩：（2）水平面弯矩（3）危险截面C合成弯矩：MC=139N.mMC′=100.8N.m（4）扭矩：T=9550×P/n=500N.m①求当量弯矩过程：（5）当量弯矩②当量弯矩计算：危险截面C处的当量弯矩Mec=331N.m转矩产生的扭转剪应力按脉动循环变化，取α=0.6。其中：[σ-1]b=55MPa由表10-3查得（6）强度校核计算：3.绘制轴的工作图（略）10.5轴毂连接轴毂连接：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1.键连接的类型，构造及工作原理松键连接紧键连接键连接轴毂连接的主要形式：键连接和花键连接。普通平键连接导向平键连接半圆键连接滑键连接松键连接松键连接依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。(1)松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动距离较大的场合。多用于锥形轴端的轴毂连接。半圆键可在轴的键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽过深，对轴的强度削弱较大，适用于轻载连接。半圆键连接(2)紧键联接紧键联接楔键联接切向键联接普通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，楔紧力会使轴毂产生偏心，故多用于对中要求不高和转速较低的场合。由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成1200～1350。切向键对中性差，对轴的削弱大，故多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、传递载荷能力强，对轴的削弱小(齿浅、应力集中小)，制造要用专门的设备和工具。故花键连接适用于载荷较大，定心精度要求较高的连接中。2.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花键连接矩形齿花键(常用)3、销联接二、平键联接的选择与强度校核1.键联接的失效分析①普通平键为较弱零件的工作面压溃，故一般只需校核挤压强度。②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－－挤压变形。（１）键连接可能产生两种变形①键沿轴与轮毂的交界面发生相对错动－－剪切变形②动连接的导向平键和滑键连接为磨损，故进行耐磨性计算，限制压强。（２）键连接的主要失效形式2.剪切和挤压强度实用计算（1）剪切实用计算剪切实用强度条件为：（2）挤压实用计算挤压实用计算的强度条件公式：关于挤压面积Ap：①当接触面是平面时，其接触面积就是挤压面面积；②当接触面是圆柱面的一部分时，则