第11章轴及其连接

第11章轴及其连接

第11章轴及其连接

轴的主要功用是支承旋转零件，并传递运动和动力。11.1轴的分类和材料11.1.1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。功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩发动机后桥传动轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。类型转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴曲轴功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。转轴---传递扭矩又承受弯矩按承受载荷分有：分类：按轴的形状分有：传动轴---只传递扭矩心轴---只承受弯矩直轴曲轴挠性钢丝轴设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确定尺寸等11.1.2轴的材料轴的材料应具有足够高的强度和韧性，对应力集中敏感性小和良好的工艺性。

碳素钢35、40、45、50钢等，其中45钢最常用，一般要经正火、调质或表面淬火热处理。

合金钢20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、38SiMnMo等。采用合金钢必须进行相应的热处理。

球墨铸铁或可锻铸铁QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。11.2轴的结构设计轴的结构设计要求

●轴和轴上零件要有确定的轴向位置及恰当的周向固定。●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减小应力集中等。11.2.1轴上零件的固定1.轴向定位与固定为了保证轴上零件有确定的轴向位置，防止零件沿轴向窜动并传递轴向力，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、圆锥面、弹性挡圈和紧定螺钉等。阶梯轴上截面变化处叫轴肩或轴环。轴的组成：轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴颈轴头轴身轴肩及套筒结构简单可靠，可传递较大的轴向力。套筒可避免因轴肩引起的轴颈增大，又可减少轴的结构，减少应力集中源。因一般套筒与轴的配合较松，故不宜用于高速轴。套筒轴肩与轴环圆螺母止动垫圈圆螺母固定可承受大的轴向力。当轴上两零件间距离较大不宜采用套筒时，可采用圆螺母固定。为避免应力集中、过多削弱轴的强度，一般采用细牙螺纹。圆螺母常用于轴端零件固定。轴端部安装零件时，还常采用轴端挡圈或圆锥形轴头。圆锥形轴头与轮毂锥面连接能使轴上零件与轴保持较高的同心度，拆装方便，常用于有振动或冲击载荷情况。圆锥形轴头轴端挡圈弹性挡圈、紧定螺钉和锁紧挡圈，适用于受轴向力不大的情况。弹性挡圈大多与轴肩联合使用，也可在零件两侧各用一个。常用于滚动轴承轴向固定，但会削弱轴强度，引起应力集中。紧定螺钉弹性挡圈rhDdbRhDdC1轴肩r轴环轴肩定位原则：轴上的圆角半径应小于零件孔的倒角C1或圆角R，轴肩高度必须大于C1或R，一般取为(2~3)C1。固定滚动轴承的轴肩高度h及圆角半径应按照轴承安装尺寸查取。轴环宽度b≈1.4h。对于非定位轴肩，h无严格要求。2.周向固定常用:键连接、花键连接、型面连接、销连接、过盈连接等。轴上零件的装配齿轮套筒左端轴承左端轴承端盖左端轴承端盖右端轴承链轮轴端挡圈制造安装要求：为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。键槽大小应一致，且布置在同一直线上。④②③⑥⑦①⑤倒角Q方案b改善轴的刚度、强度TQ方案aFtFt改变零件结构：图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转矩经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。TTTTT输出输出输入Tmax=T1+T2Tmax=T1合理布置轴上零件：当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T2合理不合理T输出输出输入改善轴的刚度、强度Rdd/430˚减少应力集中：合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。措施：1.用圆角过渡；2.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;3.重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环r凹切圆角B卸载槽也可以在轮毂上增加卸载槽B改善轴的刚度、强度一般要求已知轴上主要零件的参数、结构尺寸和它们之间的相互位置（见图）。一般：a=10~15mms=5~10mml=15~20mm轴的设计思想[例11-1]轴结构改错（一）[例11-1]轴结构改错（一）[教师例11-1]轴结构改错（二）[教师例11-1]轴结构改错（二）11.3轴的强度计算对于不重要的轴，按扭转强度条件计算,得到最小直径后进行轴的结构设计。对于重要的轴，按扭转强度条件计算,得到最小直径后进行轴的结构设计。再根据弯扭合成强度校核。

11.3.1按扭转强度条件计算

由轴受扭矩时的强度条件:

得到有1个键槽时，轴径增加4%~5%；有2个键槽时，增加7%~10%。圆整为标准直径。11.3.2按弯扭合成强度条件计算

按第三强度理论校核轴的强度。

主要步骤

1)绘出轴的计算简图(受力图)。

2)绘出轴的水平面弯矩MH图。

3)绘出轴的垂直面弯矩Mv图。4)计算出合成弯矩绘出合成弯矩图。6)计算当量弯矩Me，绘出当量弯矩图。

为折算系数，对称变化扭矩

1；脉动变化扭矩

0.6；不变扭矩

0.3。5)绘出扭矩T图。7)校核、计算轴的直径。

若轴的截面有键槽，应适当加大轴径。对2点取矩【例11-3】：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,径向力Fr=6140N,轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）,L=193mm,K=206mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12解：1)求垂直面的支反力和轴向力=Fad2aadMavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2F2)求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadF3)求F力在支点产生的反力4)绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图MaMavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6)求F力产生的弯矩图L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadF7)考虑F可能与H、V内合力共面a-a截面F力产生的弯矩为：MaFM’aMaMavM’avFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F8)求轴传递的转矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadF9)求危险截面的当量弯矩MaFM2M’aT扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数:α=0.6求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大4%，故得：10)计算危险截面处轴的直径选45钢，调质，σb=650MPa,[σ-1b]=60MPa符合直径系列。11.3.3轴的刚度计算

在设计重要的轴时，需对轴的刚度进行校核。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度。弯曲刚度用轴的挠度y或偏转角

度量；扭转刚度用扭转角

度量。设计准则分别为y[y]或

[

]或

[

]y或

以及

可根据力学中的有关方法计算，[y]、[

]和[

]的具体数值可从机械设计手册中查得。11.4轴毂连接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。常用的轴毂连接有键连接、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

1.键连接的类型

平键连接、半圆键连接、楔键连接常用的平键连接有普通平键连接、导向平键连接和滑键连接。圆头平头单圆头工作面常用的平键连接有普通平键连接、导向平键连接和滑键连接。导向平键连接滑键连接2.平键连接的计算