第十三章 轴及轴毂联接

第十三章轴及轴毂联接

§13—1概述

一、轴的用途与分类

1、功用：1）支承回转零件；2）传递运动和动力

2、分类：

按承载情况分：

转轴——扭矩和弯矩

心轴——只受弯矩

传动轴——主要受扭矩

按轴线形状分

直轴：阶梯轴

光轴曲轴：

空心轴和钢丝软轴(变速器的转速传到仪表板)

二.轴的材料（见表13-1）轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：

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。

轴的常用材料是碳素钢和合金钢。

碳素钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳素钢。尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。合金钢具有比碳素钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。

值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。

球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。

轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，常用锻造毛坯。

轴设计的主要内容：结构设计

工作能力计算

二.设计轴的要求：足够的强度，刚度，合理的结构，有的还要求有良好的振动稳定性§13—2轴的结构设计

要求：

①轴和轴上零件要有准确的工作位置

②轴上零件应有可靠的相对固定

③轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性等

④形状和尺寸应有利于避免应力集中

轴的结构和形状取决于下面几个因素：（1）轴的毛坯种类：（2）轴上作用力的大小及其分布情况；（3）轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。

一、便于轴上零件的装配轴身1、零件的轴向定位和固定

1）轴肩和轴环

定位轴肩：r轴<R孔或r轴<C孔轴肩或轴环的高度h必须大于R孔或C孔轴肩高度<滚动轴承内圈高度h=（0.07d＋3）～（0.1d＋5）mm轴环宽度b≈l.4h非定位轴肩：h=1.5-2mm,r<=(D-d)/2二、保证轴上零件的准确定位和可靠固定2）套筒

轴用圆螺母

错误

正确要求轴肩高度<滚动轴承内圈高度当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴<L毂4）轴端挡圈

错误

正确正确5）轴承端盖

6）弹性挡圈

7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销

轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置

8）圆锥面（+挡圈、螺母）

2、零件的周向定位

1）键2）花键3）紧定螺钉、销

4）过盈配合三、良好的制造工艺性和装配工艺性

1）轴肩圆角r和倒角高度C

2）轴端倒角

3）砂轮越程槽

4）螺纹退刀槽

5）多个键槽

四.减小应力集中，改善轴的受力情况

1.减小应力集中

2.提高轴的表面质量五.轴上零件的装拆和调整

1.中间粗两端细

2.轴肩高度1-3mm（定位轴键大）

3.轴承定位轴肩高度<轴承内圈高度轴系结构改错四处错误正确答案三处错误正确答案两处错误1.左侧键太长，套筒无法装入2.多个键应位于同一母线上请完成如图所示的轴系设计。请选择齿轮的装配方向一、轴的基本直径估算及各段直径和长度的确定

开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算（然后按结构进行强度校核)。

1.选材并按扭转强度初步估算轴径：

强度条件

设计公式

§13—3轴的设计计算放大轴径：一个键槽：3~5%

二个键槽：7~10%

轴上有键槽时：取标准植用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算

②结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin

——轴的直径，mm

——轴传递的功率，KW

——轴的转速，r/min——决定于材料的许用扭转剪应力的系数。通常A=110~160,当材质好、弯矩较小、无冲击和过载时取小值；反之取大值。2、各轴段直径确定

②轴上螺纹及花键部分直径应符合相应标准①与标准零件相配合轴径应取标准植(如轴承)3、各轴段长度

②转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙③轴头长度比相应零件轮毂宽度小1-2mm

①各轴段与其上相配合零件宽度相对应③与一般零件配合部分直径应与配合零件孔一致，并取标准尺寸按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径，经验值

4、画出弯矩图扭矩图设计公式：（mm）5、按第三强度理论求出当量弯矩并画出当量弯矩图

四、轴的设计步骤：设计轴的一般步骤为：（1）选择轴的材料根据轴的工作要求，加工工艺性、经济性，选择合适的材料和热处理工艺。（2）初步确定轴的直径按扭转强度计算公式，计算出轴的最细部分的直径。（3）轴的结构设计要求：①轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置；②轴上零件装拆、调整方便；③轴应具有良好的制造工艺性等。④尽量避免应力集中；根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。原则：1）轴的结构越简单越合理；2）装配越简单越合理。（4）轴的强度设计1、作轴的空间受力简图（将分布看成集中力，）轴的支承看成简支梁，支点作用于轴承中点，将力分解为水平分力和垂直分力2、求水平面支反力RH1、RH2作水平内弯矩图3、求垂直平面内支反力RV1、RV2，作垂直平面内的弯矩图4、作合成弯矩图5、作扭矩图6、作当量弯矩图——为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数∴与扭矩变化情况有关

——扭矩对称循环变化=——扭矩脉动循环变化——不变的扭矩7、校核

危险截面轴的强度设计公式

8、校核轴的刚度y≤[y];θ≤[θ];ф≤[ф]。（需要刚度计算的轴类零件要进行刚度计算）如果计算所得d大于轴的结构设计d结构，则应重新设计轴的结构。

见教材224页例13-1例13.1图示为一电动机通过一级直齿圆柱齿轮减速器带动带传动的简图。已知电动机功率为30KW,转速n=970r/min,减速器效率为0.92，传动比i=4,单向传动，从动齿轮分度圆直径d2=410mm,轮毂长度105mm,采用深沟球轴承。试设计从动齿轮轴的结构和尺寸。

单级齿轮减速器简图解：（1）求输出轴的转速与输出功率。

n2=n1/i=970/4=242.5r/min

P2=0.92*P1=0.92*30=27.6KW

（2）选择轴的材料和热处理方法。

轴采用45钢正火处理。查表σb=600MPa。

（3）估算轴的最小直径

(4)轴的结构设计及绘制结构草图(5)按弯、扭组合作用验算轴的强度(6)键槽设计及其公差(7)确定轴的各处倒角、圆角，公差(8)绘制轴的工作图轴毂联接：实现轴和轴上零件周向固定的联接键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。§13—4轴毂联接1、平键平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。

普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接。导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接。根据用途，平键又可分为普通平键

导向平键

滑键轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。一、键联接的类型特点和应用

轴

键

键

槽公称直径d公称尺寸b*h公称尺寸b

宽

度

b

宽

度半径r

较松键联接一般键联接较紧键联接

轴t

毂t1

轴H9毂D10轴N9毂JS9轴和毂

P9公称尺寸极限偏差公称尺寸极限偏差最小最大自6-82*22+0.025

0+0.060+0.020-0.004-0.029+0.0125-0.0125-0.006-0.0311.2+0.1

01+0.1

0

0.080.16>8-103*331.81.4>10-124*44+0.030

0+0.078+0.0300-0.030+0.016-0.016-0.012-0.0422.51.8>12-175*553.02.30.160.25>17-226*663.52.8>22-308*78+0.036

0+0.098+0.0400-0.036+0.018-0.018-0.015-0.0514.0+0.2

03.3+0.2

0

0.250.40>30-3810*8105.03.3>38-4412*812+0.043

0+0.120+0.0500-0.043+0.0215-0.0215-0.018-0.0615.03.3>44-5014*9145.53.8>50-5816*10166.04.3>58-6518*11187.04.4>65-7520*1220+0.052

0

+0.140+0.0650-0.052+0.026-0.026-0.022-0.0747.54.9>75-8522*14229.05.40.400.60平键联接的标准、尺寸和公差注：1、表中的基本尺寸系原标准中的公称尺寸。

2、（d-t）和（d+t）两组组合尺寸的偏差按相应的t和t1偏差选取，但（d-t）偏差应取负号；

3、键的长度系列：6、8、10、12、14、15、18、20、22、25、28、32、36、40、45、51、56、63、70、80、90、100、

110、125、140、160、180、200、220、250、320、360mm。

4、普通平键标记示例：平头普通平键（B型）b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键B18×100GB1096-79。A型的A可省去不写。2．半圆键联接

键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。4．切向键由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120°～130°角的两个键。详细说明楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。3．楔键联接详细说明详细说明1.尺寸选择：1)根据键联接的工作要求和使用特点，选择平键的类型2)按照轴的公称直径d，从国家标准中选择平键的尺寸bXh3)根据轮毂长度选择键长L:键的长度L应略小于轮毂的长度B，L=B-(5~10)mm。键长L应符合标准长度系列二.平键联接的选择和计算2.强度计算：1)失效形式：键与被联接件较弱工作面被压溃（一般没有剪切）磨损（动联接）2)强度计算挤压强度条件：耐磨性计算：l:键的工作长度：A型B型