第十九章 轴、轴毂连接及连轴器

第十章轴、轴毂连接及连轴器

一概述

1轴的用途及分类

轴是机械系统中的重要零件，其功用是支承转动零件和传递扭矩。轴按受载情况可以分三种类型，

即心轴、传动轴及转轴。心轴工作时只受弯矩不受扭矩。当工作时心轴转动则称为转动心轴，如图a所示火车车厢轮轴；当工作时心轴不转动则称为固定心轴，如图b所示起重支承滑轮轴。传动轴工作时只传递扭矩不受弯矩或受很小弯矩，如图2所示汽车传动轴。转轴工作时同时受弯矩和扭矩，如图3所示减速器中的输入轴和输出轴。2轴的材料轴的失效多为疲劳破坏，因此要求轴的材料应具有足够的强度及刚度，对应力集中敏感性应低，同时应考虑良好的工艺性及经济性。轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢制轴的毛坯多用轧制圆钢和锻钢。

1．碳素钢

碳素钢较合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，故应用较广。常用的有30、35、40、45和50等优质碳素钢，其中45钢最为常用。为改善其机械性能，常进行调质或正火处理。滑动轴承的支承轴颈部分应进行表面淬火以提高其耐磨性。对于受力较小和不重要的轴可用Q235等普通碳素钢。

2．合金钢

合金钢具有较好的机械性能和热处理性能，但对应力集中较敏感而价格也较高。当要求强度高、尺寸小、重量轻、以及耐磨性好，或有耐高温耐腐蚀等特殊要求时可采用合金钢。常用中碳合金钢有40Cr，40MnB，35SiMn等，低碳合金钢有20Cr，20CrMnTi等。

3．合金铸铁和球墨铸铁铸铁具有良好的吸振性和耐磨性，对应力集中敏感性较低，易于得到合理外形，如曲轴、凸轮轴等。缺点是冲击韧性差，铸造轴的质量不易控制。

第二节轴的结构设计一轴的结构设计主要决定于轴系结构。轴系结构是指轴与被支承零件、轴与轴承及其支座(轴承座或箱体支座)，以及与轴相关的其它零部件的装配总成。具体进行轴结构设计时应考虑轴的受载情况、轴上零件的布置与固定方式、轴承类型与尺寸、轴的工艺结构等因素。

图所示一级圆柱齿轮减速器输出轴的轴系结构。轴上被支承零件是大齿轮和联轴器。与轴相关零件有定位套筒及透盖。两支承采用向心球轴承及箱体支座。从轴的右端依次装入大齿轮、定位套筒、滚动轴承、透盖及联轴器等。左端装入左端轴承。为装拆方便及轴上零件定位需要，通常转轴的结构为由两端向中部渐次增大直径的阶梯形状。由于轴径有突变，从而引起应力集中。为减少应力集中，轴径变化处须有适当的圆角或采用锥柱面过渡。

与轴承相配合的轴段称为轴颈，与被支承零件配合的轴段称为轴头，连接轴头与轴颈的轴段称为轴身。

轴上被支承零件的轴向定位与固定是借助于轴环或轴肩与其它固定零件配合实现的。轴上不起定位作用但方便于零件的装拆的轴肩称为非定位轴肩，当相邻两段轴径相差较大时宜采用锥柱面过渡。轴环定位方便可靠，通常用于受轴向力较大的零件的轴向定位；一般轴肩定位不能承受较大的轴向力而主要起定位作用。与滚动轴承配合处的轴肩结构与轴承类型有关，当受有轴向力采用向心推力轴承时，要求定位面紧密相靠贴，为保证配合要求采用磨削加工时须留有砂轮越程糟。以上结构见图定位轴肩相关尺寸与非定位轴肩自由表面过渡圆角半径须查手册确定。滚动轴承轴肩的圆角半径另有规定须查手册确定。

套筒定位．图适用于零件间距离较短的场合。当无法采用套筒或套筒过长时宜采用圆螺母与止推垫片固定图a或双圆螺母固定图b。用上述各种方法定位时，轮毂宽度均应略大于配合轴段的长度，以保证定位侧面相互紧靠。加工螺纹部分应留有退刀槽。轴端挡圈固定图仅适用于轴端零件的轴向固定。紧定螺钉固定图和弹性挡圈固定图只适用于承受不大轴向力的场合。轴上零件的周向固定通常采用平键连接。当传递载荷很大时可采用花键连接。有关轴的结构尺寸有些已经标准化，设计时须查阅有关机械设计手册。第三节轴的强度计算

传动轴只传递扭矩，按扭转强度计算；心轴只受弯矩，按弯曲强度计算；对于转轴则按弯、扭合成强度计算。．设计转轴时，轴的结构设计尚未确定之前，支承跨距是未知的，故支承反力和弯矩大小无法计算。通常的设计方法是，初步按扭转强度估算轴的最小直径，然后根据轴上零件的布置与定位、采用轴承的类型与尺寸、轴的工艺因素等进行轴的结构设计。从而确定轴的支承跨距，然后计算支承反力和所受弯矩，最后对轴进行弯、扭合成强度计算。对某些特别重要的轴，有时需进行安全系数校核计算(有关计算方法可查阅其它资料)。

一、轴的扭转强度计算

当所传递扭矩和轴径已知时，轴的扭转强度计算公式为当轴上有一个键槽时d值增大3％；一个断面上有两个键槽时增大7％。

对于空心轴，可用下式计算

对于转轴，可利用上述公式初步估算轴的最小直径dmin然后进行轴的结构设计，初步确定轴的几何形状和尺寸。

二、轴的弯扭合成强度计算轴的结构初步确定后，这时轴的支承跨距和轴上载荷的大小，方向及作用点的位置和载荷种类均已确定，然后进行轴的受力分析，按照弯扭合成强度计算轴的危险断面(有时是几个危险断面)的直径，一般计算顺序如下

1．画出轴空间受力简图。2．画水平面上的受力简图和水平面弯矩图Mx3．画垂直面上的受力简图和垂直面弯矩图Mx。4．以公式M=求合成弯矩M，并画合成弯矩图。5．画扭矩图T。6．以公式Me=求出当量弯矩并画当量弯矩图。

式中，a是根据扭矩性质而定的应力校正系数。因一般由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环的变应力，而扭转剪应力常与弯曲应力变化性质不同，故在计算时需计入这种应力特性差异的影响，为此引入系数a值。式中，[σ+1]b，[σ0]b，和[σ-1]b分别为材料在静应力，脉动循环和对称循环应力状态下的许用弯曲应力，其值可查表19—3。转轴所受的扭剪应力，在理论上虽然是静应力，但实际上由于机器运转不均匀，以及不可避免的扭转振动的存在，因此扭剪应力是变化的，一般取为脉动的扭矩，计算时a≈0．6。7．按当量弯矩M进行强度校核和设计计算。强度条件为转轴的设计计算公式为空心轴可用下式计算§4轴毂连接

轴毂连接是指轴与轴上零件的周向固定，通常采用键连接、花键连接、销连接及过盈配合连接等方式。一、键连接键都是标准件。一般可根据连接的具体要求与工作条件按轴径大小选用其类型与尺寸，必要时进行强度校核。

(一)平键连接平键分为普通平键和导键。平键的两侧面为工作面，上平面与轮毂槽底间留有一定间隙，工作时靠键与键槽的侧面传递扭矩。普通平键端部可制成圆头(A型)、方头(B型)或半圆头(C型)，如图19—16所示。A型键槽是用端铣刀加工，键在键槽中轴向固定较好，但键槽引起轴的应力集中较大；B型键槽用盘铣刀加工，对轴引起的应力集中较小，c型键主要用于轴的端部。

导键用螺钉固定在轴槽内，轴上零件的毂槽与键是间隙配合，故能沿轴向移动。导键主要用于变速箱中的滑移齿轮与轴的连接。平键材料一般用45号钢。当轮毂用非铁金属或非金属材料时，键可用20号钢或Q235钢制做。当按轴径d选定键的截面尺寸b×h后，参照键的长度系列及轮毂宽B选择键的长度L，一般取L=B-(5～10)mm，必要时进行强度校核。

键连接的失效形式主要是强度较弱件(通常为轮毂)的工作面被压溃，有时也可能出现键被剪断。键连接的挤压强度和剪切强度可分别由下式计算当需用两个键共同承受载荷连接时，应布置成180。。考虑到载荷分配不均匀，只按1．5个键进行校核计算。

(一)半圆键连接半圆键也以两侧面为工作面实现周向固定。半圆键可在轴槽内摆动以适应毂槽底面装配方便。半圆键的轴槽较深，对轴的强度削弱较大，只适于轻载连接和锥形轴端连接。(三)楔键连接楔键的上下面是工作面，楔键上表面有1：100的斜度，轮毂键槽底也是1：100的斜度。装配时键的上下面楔紧在轴与轴毂之间，其工作面上产生很大预紧力N，工作时靠上下面产生的摩擦力传递扭矩，并能轴向固定零件和承受单方向的轴向力。

楔键楔紧时破坏了轴与轴上零件的对中性，所以不适宜要求运动精度高的连接。楔键分为普通楔键和钩头楔键，钩头楔键的钩头供拆键时使用。

二、花键连接

轴和零件毂孔周向均布的凸齿和凹槽，构成花键连接。花键连接的工作面是齿侧面，由于有多个键工作，因此花键连接有较高的承载能力。由于键与键槽为均布，所以有较好的定心性和导向性。齿轴一体，且齿槽较浅，齿根应力集中较小，被连接件的强度削弱较少，适用于载荷大，定心要求较高的静连接和动连接。但花键加工需用专门设备，制造成本较高。(一)矩形花键键的齿侧面为相互平行的平面，易于加工，可用磨削方法获得较高精