机械设计基础 第五版 课件 CH10 轴及轴毂联接

第十章轴及轴毂联接——机械设计基础§10-1概述§10-2轴的结构设计§10-3

轴的设计计算§10-4

轴毂联接第十章轴及轴毂联接

重点学习内容1.能对不同类型的轴进行强度计算。2.重点掌握轴的结构设计方法。3.掌握键联接及花键联接的类型、结构、特点和应用。4.掌握平键联接尺寸的选择方法，并能对平键联接进行强度计算。轴是机械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回转的机械零件（如齿轮、带轮等），并传递运动和动力。

一、轴的分类

根据轴的受载情况，可分为心轴、传动轴、转轴。（1）心轴只承受弯矩不传递转矩的轴。固定心轴（图10-2a)转动心轴（图10-2b)§10-1概述（2）传动轴（图10-3汽车传动轴）只传递转矩，不承受或承受很小弯矩的轴。（3）转轴

既承受弯矩又传递转矩的轴。

（图10-1齿轮减速器中的轴）

转轴是机械中最常见的轴，应用最广，本章主要讨论转轴的设计。心轴和传动轴可视为转轴的特例。直轴、曲轴，钢丝软轴。各种轴齿轮减速器中的轴二、轴的材料轴是重要零件，工作时产生应力多为变应力，一般选用机械性能较好的碳素钢和合金钢。主要考虑强度、刚度、较小的应力集中敏感性、良好的加工性能。（1）受力较小或不重要的轴：Q235-A，Q275-A等普通碳素钢（2）受力较大用35，45，50等优质碳钢（3）对强度、耐磨性要求高选合金钢40Cr35SiMn等,但并不能提高轴的刚度（4）铸铁，价格便宜、对应力集中敏感性低、吸振、易于得到复杂的形状轴常用材料及其机械性能可参阅表l0-1三、设计轴的要求（1）足够的强度（静强度、疲劳强度）：在正常工作时不发生断裂。（2）合理的结构（3）足够的刚度：限制变形量（一般刚度够时强度也够）如机床主轴、电机转子轴。（4）振动稳定性要求：高速轴除强度、刚度要求外，要考虑。§10-2轴的结构设计结构设计的目的：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。影响轴结构的因素很多，主要考虑便于加工、装拆以及定位和提高轴的强度和刚度等方面要求，所以轴没有标准的结构形式。设计时，应针对不同情况进行具体分析。对轴结构设计的基本要求是：（1）轴和轴上零件有准确的工作位置（2）轴上各零件应有可靠的相对固定（3）良好的制造和安装工艺性，轴上零件要易于装拆（4）形状、尺寸应有利于减少应力集中（5）轴的结构尽可能对称，使其受力合理，并有利于节省材料，减轻质量。设计特点轴径的初步估算—结构设计—较精确的强度验算。其中以结构设计为重点。一、便于轴上零件的装配图10-6所示为单级减速器的主动轴。为便于轴上零件的装拆，将轴做成阶梯形，中间粗，两端细。首先将平键1装在轴上，再从左端依次装入齿轮、套筒、左端轴承，从右端装入右端轴承，然后将轴置于减速器箱体的轴承孔中，装上左、右轴承盖，再自左端装入平键2和联轴器。轴上零件一般均应作双向固定，定位方法有：（1）轴肩、轴环二、保证轴上零件的准确定位和可靠固定1．轴向定位和固定应有r≤C1或R非定位轴肩定位轴肩或（2）套筒、圆螺母、双螺母套筒—两零件相对较近圆螺母—两零件相对较远圆螺母双螺母（3）弹性挡圈、紧定螺钉只能承受较小的轴向力（4）轴端挡圈、圆锥面可承受较大轴向力轴肩B轴端挡圈l止动垫片止动销轴端挡圈螺钉螺钉轴端挡圈装配演示止动销止动垫片注意：

1）轴肩、轴环定位时，为保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径或倒角须留意。

2）为保证固定可靠，与轴上零件相配合的轴段长度比轮毂宽度略短2～3mm。２．周向定位和固定传递扭矩和运动（１）键联接、花键联接（２）销联接、型面联接（３）过盈配合联接、紧定螺钉联接综合看三、具有良好的制造工艺性，轴上零件要易于装拆1.键槽开在同一母线上，且宽度尽可能相同（图10-6）2.轴上圆角、倒角尽量取相同的值3.需磨削的轴段，应留有砂轮越程槽；需切削螺纹轴段，应留有退刀槽（图10-12）4.为便于加工和检测，轴的直径应取整数值；与滚动轴承相配合轴颈及有螺纹的轴段直径应符合轴承、螺纹标准直径5.为了便于装配，轴端应加工出450倒角6.过盈配合零件的装入端加工出导向锥面四、减少应力集中，改善轴的受力情况由轴的分类和应力状态的分析看到，大多数轴受变应力作用，故提高轴的疲劳强度尤为重要。而影响疲劳强度主要因素有应力集中、表面质量等。1.减少应力集中2.改善轴的表面质量不合理结构F合理结构F3.改善轴的受力状况减小应力集中实例：

ZQ350齿轮箱的高速轴在联轴器与轴承过渡圆角角处往往被剪断。这是因为联轴器的轴段到轴承直径处的过渡圆角半径r太小，应力集中太大所致。改善轴的表面质量实例一：

常州戚墅堰机车厂生产的曲轴，圆角半径处应力集中过大，一直没有过关，后在圆角处采用滚压工艺，使寿命提高了一倍。改善轴的表面质量实例二：

1974年东风船厂6E350柴油机减速箱的一根主轴，在试车过程中连续断掉两根，经理论验算强度和刚度，是足够的。但为什么会断呢?经分析后，查明原因有两点：(1)柴油机振动对轴的破坏影响估计不足；(2)轴表面粗糙度未达到图纸要求。改进后经275h试车通过。这说明，考虑问题要从多方面分析。改善轴的表面质量实例三：

提高轴的疲劳强度问题。某校教师在重庆民生船厂发现，制成试验用的增速器，经核算其中轴的安全系数为0.8。他们建议把轴从原来的调质处理改为高频淬火，从而解决了问题。C为由轴的材料及承载情况确定的常数。见表10-2上式所求d作为轴的最小直径进行轴的结构设计，若该处有一个键槽，d增大5%，有两个键槽，d增大10%。一、按扭转强度计算这种方法视轴只受转矩，根据转矩大小估算d，并用降低许用扭剪应力的方法来考虑弯矩的影响。§10-3轴的设计计算—扭剪应力MPa—许用扭剪应力MPa

—抗扭截面系数mm3

—转矩N.mm—传递的功率KW—转速r/min—轴的直径mm二、按经验公式估算

对于一般减速装置中的轴，也可用经验公式估算轴的最小轴径。

对于高速级输入轴d=(0.8～1.2)D

D——与高速级轴相联的电动机轴径

对于各级低速轴d=(0.3～0.4)a

a——同级齿轮中心距三、按弯扭合成强度计算在初估轴径及结构设计完成以后，即可确定轴上载荷大小、方向、作用点和轴的支承点位置。从而可求出支承反力，画出弯矩图和扭矩图，这时就可按弯扭合成强度计算轴的直径（多用来对已设计好的轴进行强度校核）。由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险剖面。对于一般的钢制轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量应力

e，其强度条件为：

e—当量应力MPa

b—弯曲应力MPaM—危险截面上的合成弯矩N.mmW—危险截面上的抗弯截面系数mm3对于一般转轴，

b为对称循环，而

的应力特性常是不变或脉动，考虑到两者循环特性不同的影响，将上式中的转矩乘以折算系数，得校核轴的强度基本公式为：α—折算系数Me—当量弯矩N.mm

[

-1]b—对称循环下许用弯曲应力设计式：对于一般用途的轴，按上述方法计算已足够精确。对重要的轴，还要考虑影响轴疲劳强度的一些因素而作精确验算。其内容可参阅有关书籍。设计注意：1）找危险截面：Me较大或d较小处

2）强度不足采取措施

a)增大轴径，其它尺寸跟着变化

b)改用材料、热处理方法四、轴的刚度计算概念轴受载后会产生弹性变形，机械中若轴的刚度不够，会影响机器的正常工作。如机床的主轴变形太大时，将影响机床的加工精度，电机转子轴弯曲变形太大时，将使转子和定子的间隙改变而影响电机性能，所以轴必须有足够的刚度。对于有刚度要求的轴，为使轴不因刚度不足而失效，设计时应根据轴的不同要求限制其变形量：分别为许用挠度、许用偏转角和许用扭转角，其值见有关参考书。五、轴的设计步骤

设计轴的一般步骤为：(1)选择轴的材料(2)初步确定轴最细部分的直径(3)轴的结构设计(4)轴的强度校核当校核不合格时，还要改变危险截面尺寸，进而修改轴的结构，直至校核合格为止。因此，轴的设计过程是反复、交叉进行的。轴的结构设计实例单级减速器输出轴的结构及轴上零件的布置轴的装配右轴承右端面到联轴器左端面的距离取为习题1：轴的结构设计应满足的基本要求是什么？答：轴的结构设计应满足的基本要是：1)轴及轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2)轴上零件应便于安装，折卸和调整；3)轴应具有良好的加工工艺性；4)力求受力合理，有利提高疲劳强度和刚度。解答：1)轴肩过高挡住了内圈，轴承不便于折卸；2)两边均有轴肩，齿轮无法安装；3)键的顶面应与轮毂槽底面有间隙，且轮毂槽应开通，轴上键槽处应有局部剖视；4)轴承不便于安装，此处应该有过渡轴肩；5)此处的轮毂没有确定的位置，且无轴向固定；6)键过长，且两键不在同一方位，不便于加工；7)轴端过长，轮毂无法进行轴向固定。习题2：指出图中结构设计的错误，在错误处标出序号，并按序号一一说明理由。习题3：试指出图中结构不合理的地方。

键联接是一种将轴和轴上转动零件联接起来的可拆联接，主要用于轴和轮毂间的周向固定并传递转矩。有些类型的键还能实现轴向固定或轴向动联接。

松联接：平键联接和半圆键联接。键联接紧联接：楔键联接和切向键联接。花键联接§10-4

轴毂联接一、键联接的类型、特点和应用1.平键联接两侧面是工作面，键的上表面和轮毂槽底之间留有间隙，是靠两侧面的挤压传递转矩。具有结构简单、装拆方便、加工容易，对中良好，应用广泛，但不能实现轴向固定的特点。平键联接按用途分为三类：普通平键、导向平键、滑键。（1）普通平键

用于静联接，即轴与轮毂间无相对滑动。按端部形状不同分为A型（圆头）、B型（方头）、C型（半圆头）三种。A型键槽的加工B型键槽的加工（2）导向平键和滑键联接当轮毂在轴上需沿轴向移动而构成动联接时，可采用导向平键或滑键。导向平键较长，用螺钉将键固定在轴槽中，轮毂沿键作轴向移动(见图l0-22a)，为装拆方便，制有起键螺钉。若移动距离较大时，可用滑键。它和轮毂相联，沿轴上键槽移动(图10-22b）。两侧面为工作面，对中良好，用于静联接。

轴槽用尺寸与半圆键直径相同的盘形铣刀铣出，因此半圆键能在轴槽中摆动，尤其适用锥形轴端与轮毂的联接，但轴槽较深，对轴的强度削弱大，只用于轻载。2.半圆键联接楔键的上、下表面为工作面，靠挤压产生的摩擦力传递转矩，安装时需将键楔紧，能承受一定的单向的轴向载荷。但由于楔键打入时，使轴和轮毂产生偏心，故用于定心精度不高，载荷平稳和低速场合。3.楔键联接楔键的安装普通楔键钩头楔键4.切向键联接切向键由一对普通楔键组成，装配时将两键楔紧。它的上下平行的两窄面为工作面，依靠与轴和轮毁的挤压传递转矩。若轴正、反转工作时，需采用两个互成120０～130０的切向键。切向键联接传递转矩大，但对中性差，对轴的削弱较大，常用于轴径大于100mm且对中性要求不高的重型机械中。二、平键联接的选择与强度校核1.平键联接的选择是标准件，直接从手册中选取（1）按轴径选键的截面尺寸bh（2）按轮毂长度B选键长，使L=B-（5～10）mm，并圆整为标准值2.平键联接的失效形式压溃、剪断（很少出现）、磨损（动联接）3.平键联接的校核计算一般校核挤压强度或耐磨性计算（限制压强）挤压强度条件耐磨性校核—键的工作长度。A型，C型若强度不够,可用两个普通平键相隔180°布置（为使轴与轮毂对中良好），强度计算按1.5个键计算（由于载荷分布不均）。规格用N×d×D×B分别表示键数，小径、大径、键齿宽。根据键数和尺寸不同分轻、中、重系列，重系列的键数多，