軸和軸轂聯(lián)接

第九章軸和軸轂聯(lián)接機器上所安裝的旋轉零件，例如帶輪、齒輪、聯(lián)軸器和離合器等都必須用軸來支承，才能正常工作，因此軸是機械中不可缺少的重要零件。本章將討論軸的類型、軸的材料和輪轂聯(lián)接，重點是軸的設計問題，其包括軸的結構設計和強度計算。結構設計是合理確定軸的形狀和尺寸，它除應考慮軸的強度和剛度外，還要考慮使用、加工和裝配等方面的許多因素。軸的主要功用軸是組成機器的主要零件之一。一切作回轉運動的傳動零件〔如齒輪、蝸輪等〕都必須安裝在軸上才能進行運動和動力的傳遞。因此軸的主要功用為：①支承回轉零件②傳遞運動和動力§9-1軸的類型和材料一、軸的分類①按所承受載荷分為轉軸、傳動軸和心軸轉軸：既承受彎矩又承受扭矩，如齒輪減速器中的軸；心軸：只承受彎矩而不承受扭矩，如鐵路車輪軸、自行車前軸。傳動軸：只承受扭矩而不承受彎矩或彎矩很小，如汽車傳動軸；

轉軸傳動軸只傳遞轉矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。轉動心軸固定心軸②按軸線形狀可分為直軸、曲軸

此外，還有一種鋼絲軟軸(鋼絲撓性軸)，它由多組鋼絲分層卷繞而成，可以把回轉運動靈活地傳到任何位置。直軸按外形不同又可分為光軸和階梯軸。光軸形狀簡單，應力集中少，易加工，但軸上零件不易裝配和定位，常用于心軸和傳動軸。階梯軸各軸段截面的直徑不同，這種設計使各軸段的強度相近，而且便于軸上零件的裝拆和固定，因此階梯軸在機器中的應用最為廣泛。直軸一般都制成實心軸，但為了減少重量或為了滿足有些機器結構上的需要，也可以采用空心軸。曲軸：通過連桿可將旋轉運動轉化為直線運動或將直線運動轉化為旋轉運動。如汽車發(fā)動機曲軸。階梯軸

光軸曲軸—常用于往復式機械中軸圖鋼絲撓性軸二、軸的材料選擇軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。碳素鋼—碳素鋼比合金鋼價廉，對應力集中的敏感性小，可通過熱處理提高其耐磨性及疲勞強度，因此應用廣泛。常用的碳素鋼有35、40、45和50等優(yōu)質碳素鋼，其中45鋼用的最多。一般為了保證機械性能，應進行調質或正火處理。不重要的軸也可以采用普通碳素鋼如：Q235、Q275等。合金鋼—合金鋼具有更高的機械性能和更好的淬火性能，但對應力集中較敏感。另外價格較貴。對強度、耐磨性要求高且結構尺寸受限制及在高溫或低溫條件下工作的軸，可采用合金鋼。常用材料為20Cr，20CrMnTi、38CrMoAl、40Cr、40CrNi、38SiMnMo、40MnB等。采用合金鋼制造的軸必須進行熱處理和化學熱處理。合金鋼對應力集中較敏感,因此設計軸時，因從結構上防止或減小應力集中，并減小外表粗糙度。各種碳鋼和合金鋼的彈性模量數(shù)值差不多，因此熱處理，只能提高其疲勞強度和耐磨性，對提高軸的剛度并無實效。軸的毛坯一般用軋制的圓鋼或鍛制毛坯形狀復雜的軸〔曲軸、齒輪軸、空心軸〕：球墨鑄鐵、合金鑄鐵，具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應力集中的敏感性較低等優(yōu)點。注意：一、概述

軸的結構設計包括：定出軸的合理外形和全部結構尺寸。軸的結構應滿足以下要求：9-2軸的結構設計4〕.盡量減少應力集中。1〕.軸要便于加工，軸上零件要易于裝拆〔制造安裝要求〕2〕.軸和軸上零件要有準確的工作位置〔定位〕3〕.各零件要牢固而可靠地相對固定〔固定〕名詞術語軸頸：軸上與軸承配合的局部；軸頭：軸上安裝傳動件輪轂的局部；軸身：連接軸頸和軸頭的局部；軸肩：階梯軸上截面變化處叫做軸肩，軸肩分定位軸肩和非定位軸肩。軸環(huán)：階梯軸上中間高兩邊低，且軸向尺寸較小的軸段，稱為軸環(huán)，軸環(huán)可以起定位的作用。三、軸結構設計中需解決的幾個主要問題1．擬定軸上零件的裝配方案2．軸上零件的定位和固定3．各軸段直徑和長度確實定4．提高軸的強度的常用措施5.軸的結構工藝性1擬訂軸上零件的裝配方案裝配方案包括：軸上主要零件的裝配方向、裝配順序和相互關系。擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結構設計的前提，它決定著軸的根本形式。軸上零件的裝配方案不同，那么軸的結構形狀也不相同。設計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選擇。圖示減速器輸出軸就有兩種裝配方案。圓錐圓柱齒輪二級減速器方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，且質量較大，故不如方案一合理。2.軸上零件的定位和固定

軸上零件的定位是為了保證傳動件在軸上有準確的安裝位置；固定那么是為了保證軸上零件在運轉中保持原位不變1〕、軸上零件的軸向定位和固定：零件在軸上的軸向定位要準確、可靠。因此，必須使零件具有確定的安裝位置，以保證其承受軸向力作用時不會產生軸向位移。零件在軸上的軸向定位方法，主要取決于它所承受軸向力的大小，有軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母和止退墊圈、彈性擋圈、螺釘鎖緊擋圈、軸端擋圈以及圓錐面和軸端擋圈等。

為了保證軸上零件的正常工作，其軸向和周向都必須固定，以防止工作時，出現(xiàn)軸向竄動和周向轉動而喪失傳遞運動和轉矩的功能。2〕、軸上零件的周向固定：為了傳遞運動和扭矩，防止軸上零件與軸作相對轉動，周向固定是通過軸與輪轂之間的連接來實現(xiàn)的。常用的周向固定方法有鍵、銷和過盈配合等連接，其中以鍵和花鍵聯(lián)接應用最廣。此外，采用緊釘螺釘和圓錐銷，可以同時起到軸向固定和周向固定的作用，①軸肩軸肩分為定位軸肩和非定位軸肩兩類。

定位軸肩

軸承定位軸肩齒輪定位軸肩①②⑤ⅣⅢⅡⅠⅤⅥ半聯(lián)軸器定位軸肩①②⑤定位軸肩特點：a.方便可靠b.能承受較大的軸向力c.使軸徑增大，階梯處形成應力集中d.軸肩過多時，將不利于加工。設計時注意：a.滾動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內圈高度，以便拆卸軸承。b、為保證軸上零件緊靠軸肩，應使：軸肩的圓角半徑r必須小于相配零件的圓角半徑R或倒角C。軸肩高也必須大于R或C零件的圓角半徑R軸肩的圓角半徑rr<Rhh零件的倒角C軸肩的圓角半徑rr<CCb≈1.4hb和h值查滾動軸承標準h>C結構不合理！結構不合理！非定位軸肩為加工裝配方便設定，高度及過渡部位無特殊要求，但不應引起應力集中，高度取1～2mm。③④ⅣⅢⅡⅠⅤⅥ⑥套筒對軸上零件起固定作用。常用于近距離的兩個零件間的固定。設計時注意：a.如兩零件的間距較大時，不宜采用套筒定位。b.如軸的轉速很高時，也不宜采用套筒定位。③圓螺母：可承受較大的軸向力，但因切制螺紋而易引起應力集中，降低軸的疲勞強度雙圓螺母主要用于軸端或軸上兩零件間距較大時。用于固定軸端零件，能承受較大的軸向力。注意：

采用這些方法固定軸上零件時，為保證固定可靠，應使：與輪轂相配的軸段長度比輪轂寬度短2～3mm，即：l＝B-(2~3)軸端擋圈lB2～3⑤彈性擋圈、緊釘螺釘、鎖緊擋圈作軸向定位特點：承受軸向力能力較差，適用于軸向力不大的場合。鎖緊擋圈6圓錐面定位特點：⑥多用于承受沖擊載荷和同心度要求較高的軸端零件。⑦軸承蓋特點：可承受較大的軸向力，通常通過螺釘或榫槽與箱體聯(lián)接，通過軸承可對整個軸起軸向定位作用

軸承端蓋與機座間加墊片，以調整軸的位置

3提高軸的強度和剛度盡量減小懸臂長度或不采用懸臂布置；軸上零件盡量靠近支承，減小支承之間跨距，減小彎矩；軸上幾個傳動件時，應合理布置其順序，盡量將輸入放中間，減小轉矩?！?〕合理布置軸上傳動零件的位置，以減小軸的載荷〔2〕減小軸上的應力集中。軸徑突變處盡量采用大的過渡圓角，假設軸肩為定位軸肩，且不允許大的圓角過渡時，可采用過渡肩環(huán)或內凹圓角凹切圓角過渡肩環(huán)內圓角小圓角大圓角尖角應力場〔3〕改進軸的外表質量：降低外表粗糙度值，采取外表強化措施。1〕將軸做成中間大兩頭小的階梯形，便于軸上零件可以從軸的兩端裝入。2〕為了便于裝配零件并去掉毛刺，軸端應制出45的倒角。4、軸的結構工藝性軸的結構工藝性：指軸的結構形式應便于加工和裝配軸上的零件，并且生產率高，本錢低。一般軸的結構越簡單，工藝性越好。因此，在滿足使用要求的前提下，軸的結構形式應盡量簡化。磨削砂輪越程槽退刀槽車螺紋3〕需要磨削加工的軸段，應留有砂輪越程槽。4〕需要切制螺紋的軸段，應留有退刀槽。車削5〕軸上有多處鍵槽時，應將鍵槽開在同一直線上，并采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。6〕軸徑相近處的圓角、倒角、鍵槽等尺寸應一致。四處錯誤正確答案三處錯誤正確答案軸系結構改錯錯誤1.左側鍵太長，套筒無法裝入2.多個鍵應位于同一母線上請完成如下圖的軸系設計。請選擇齒輪的裝配方向①①無定位軸肩②端蓋無密封③鍵槽太長無非定位軸肩⑤套筒太高⑥軸承沒定位⑦軸向定位不確定⑧軸承用錯或裝錯⑨無調整墊片⑩端蓋端面無凹坑加工量大②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩軸環(huán)太高軸向定位不確定無螺紋退刀朝槽軸承配合不利鍵槽太長套筒太高鍵槽位置不對5.各軸段直徑和長度確實定

◆首先按軸所受的扭矩估算軸徑，作為軸的最小軸徑dmin；因還不知道支反力的作用點，不能決定彎矩的大小與分布情況，故按軸所受的扭矩初步估算軸所需的直徑。◆從最小直徑處逐一確定階梯軸的直徑和長度。在某些情況下，也可憑經驗或參考同類機器用類比法來確定。各軸段直徑確實定注意：◆有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑；◆非配合直徑允許采用非標準值，但是最好取成整數(shù)；◆安裝標準件的軸徑，應按相應標準要求確定；◆有配合要求的零件要便于裝拆；◆應保證軸上零件能可靠的軸向固定；◆軸上螺紋局部的直徑必須符合螺紋的國家標準，車制螺紋的軸段應有退刀槽。軸各段長度確實定軸的各段長度主要是根據軸上零件的寬度及它們的相對位置來確定。1-軸端檔圈；2-V帶輪；3-軸承蓋；4-滾動軸承；5-套筒；6-平鍵；7-齒輪各軸段長度確實定軸的各段長度主要根據軸上零件的寬度及它們的相對位置來定。①各軸段與其上相配合零件寬度相對應②為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合局部的軸段長度一般應比輪轂長度短2~3mm。結構不合理?、郾ＷC零件所需的裝配空間、調整空間。應考慮軸上零件之間的距離及軸上零件與機架之間的距離軸的徑向尺寸確定1.箱體內壁位置確實定H=5~10mmA=b+2HA應圓整軸的軸向尺寸確定2.軸承座端面位置確實定C=δ+C1+C2+(5~10)mmδ--箱體壁厚C1、C2--螺栓扳手空間B=A+2C3.軸承在軸承座孔中位置確實定Δ值盡量小減小支點距離油潤滑時Δ=(3~8)mm脂潤滑時Δ=(10~15)mm4.軸的外伸長度確實定(1)當軸端安裝彈性套柱銷聯(lián)軸器時K值由聯(lián)軸器的型號確定(2)當使用凸緣式軸承蓋時K值由聯(lián)接螺栓長度確定(3)當軸承蓋與軸端零件都不需拆卸時,一般取K=5mm~8mm§9-3軸的計算一、軸的強度計算

1．按扭轉強度條件計算

2．按彎扭合成強度條件計算1．按扭轉強度條件計算實心軸的直徑為：軸的扭轉強度條件為：為了計及鍵槽對軸的削弱，可按以下方式修正軸徑有一個鍵槽有兩個鍵槽軸徑增大4%軸徑增大7%①只受轉矩或主要承受轉矩的傳動軸的強度計算

②在作軸的結構設計時先按扭轉強度計算來初估軸的直徑dmin

用于：2．按彎扭合成強度條件計算計算步驟如下：

②

軸的彎矩與扭矩分析①作出軸的計算簡圖此方法適用于轉軸的強度計算通過軸的結構設計，軸的主要結構尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷〔彎矩和扭矩〕已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度校核計算。α為考慮彎曲應力和扭轉切應力循環(huán)特性不同時的折合系數(shù)。③校核軸的強度軸的彎扭合成強度條件為：式中：[σ-1b]—對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力〔可查表選取〕，對于固定心軸應取[σ0b]，[σ0b]為脈動循環(huán)變應力時的許用彎曲應力，[σ0b]≈1.7[σ-1b]；扭轉切應力靜應力脈動循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力彎曲應力為對稱循環(huán)變應力a

≈0.3a

≈0.6a

=1設計公式：具體計算步驟①作軸的計算簡圖，求支反力。確定支反力的作用點〔近似取軸承寬度的1/2處)、確定軸上載荷的大小、方向及作用點，將軸上的載荷分解到水平面〔下標用H表示〕和垂直面內〔下標用V表示〕，分別求各面的支反力。②計算水平面彎矩及垂直面彎矩，分別繪制兩平面的彎矩圖。計算合成彎矩并繪制合成彎矩圖。③計算扭矩并繪制扭矩圖。④計算計算彎矩并繪制計算彎矩圖。確定危險截面，按彎扭合成校核軸的強度。疲勞強度校核二、軸的剛度校核計算

軸在載荷作用下，將產生彎曲或扭轉變形。假設變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至會喪失機器應有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉角θ以及扭轉角ф來度量，其校核公式為：y≤[y];θ≤[θ];ф≤[ф]。式中：[y]、[θ]、[ф]分別為軸的許用撓度、許用轉角和許用扭轉角。例題1例題1在圖示軸的結構圖中存在多處錯誤，請指出錯誤點〔標出序號〕，說明出錯原因，并加以改正。答案：①1處鍵槽應向左移，該軸段應設定位軸肩。②2處沒有密封氈圈，軸承蓋與軸之間應有間隙。③3處軸肩太高。④4處軸段長度應小于輪轂長度。⑤5處軸承左端沒有定位，少一套筒。例題2例題2在圖示軸的結構圖中存在多處錯誤，請指出錯誤點〔標出序號〕，說明出錯原因，并加以改正。⑤答案：①軸肩端面與軸承蓋的軸向間距太小。②軸承蓋與軸之間應有間隙。③軸承內環(huán)和套筒既裝不上，也拆不下。④軸承安裝方向不對。⑤軸承蓋內徑應大于軸承外環(huán)內徑。⑥與輪轂相配的軸段長度應小于輪轂長度。⑦軸承內環(huán)拆不下來。例題3例題3在圖示軸的結構圖中存在多處錯誤，請指出錯誤點〔標出序號〕，說明出錯原因，并加以改正。答案：(1)軸與端蓋接觸，無密封；(2)軸套與軸承外圓接觸；(3)套筒頂不住齒輪；(4)聯(lián)軸器未定位，聯(lián)軸器孔未打通；(5)彈性擋圈無用；(6)精加工面過長且裝拆軸承不便；(7)箱體端面加工面與非加工面沒有分開；(8)軸肩過高，無法拆卸軸承；(9)鍵過長，套筒無法裝入；(10)缺墊片，無法調整軸承游隙；(11)缺擋油環(huán)；

11567789101110例題4例題4在圖示軸的結構圖中存在多處錯誤，請指出錯誤點〔標出序號〕，說明出錯原因，并加以改正。答案：1〕彈性擋圈為多余零件；2〕裝軸承段應無鍵槽；3〕軸肩太高，不便拆卸；4〕應無軸環(huán)，齒輪無法從右裝入，改為套筒固定，或齒輪用過盈配合實現(xiàn)軸向固定；5〕應有鍵槽，周向固定；6〕此處應加工成階梯軸；7〕端蓋不應與軸接觸；8〕端蓋密封槽形狀應為梯形；9〕平鍵頂部與輪轂槽間應有間隙；10〕聯(lián)軸器無軸向固定，且與端蓋間隙太小，易接觸；11〕軸端部與端蓋間應有一定間隙；12〕應該有調整墊片。工程背景軸與軸上零件的連接稱為軸轂連接，其功能主要是實現(xiàn)軸上零件的周向固定并傳遞轉矩，有些還能實現(xiàn)軸向固定或軸向滑移。軸轂連接的方式很多，最常見、應用最廣泛的有鍵連接、花鍵連接、銷連接、無鍵連接等。9-4軸轂聯(lián)接一、鍵聯(lián)接

鍵連接主要用于軸與安裝在軸上的回零件〔如齒輪、帶輪、鏈輪等〕的軸轂之間的周向固定和傳遞轉矩，是應用最多的軸轂連接方式。鍵是標準件，其主要類型有平鍵、半圓鍵、楔鍵和切向鍵四種。

如圖，平鍵兩側面是工作面，平鍵上外表與輪轂槽底間留有間隙。這種鍵的定心性好，裝拆方便，應用廣泛。常用的平鍵有普通平鍵和導向平鍵和滑鍵?！惨弧场⑵芥I聯(lián)接1.普通平鍵——用于靜聯(lián)接，即軸與輪轂之間無軸向相對運動按其端部形狀，有三種結構形式1〕圓頭平鍵〔A型〕Llhb指狀銑刀加工鍵槽但軸上鍵槽端部應力集中較大，有效接觸長度l比

鍵的公稱長度L短l<L-b軸上鍵槽用指狀銑刀加工，軸槽與鍵的尺寸相符鍵在軸槽中固定可靠。工作面h2)方頭平鍵〔B型〕lLbl=L其優(yōu)點是軸上鍵槽用盤銑刀加工，軸的應力集中較小，鍵的有效接觸長度等于鍵的公稱長度但對于尺寸較大的鍵需用緊定螺釘將鍵固定在軸上鍵槽中。盤銑刀加工鍵槽

3)單圓頭平鍵〔C型〕l=L-b/2lLhb單圓頭平鍵具有A、B鍵的特點常用于軸端與輪轂類零件的聯(lián)接，。軸上鍵槽用指狀銑刀加工，軸槽與鍵的尺寸相符鍵在軸槽中固定可靠

導向平鍵是一種較長的平鍵，鍵用螺釘固定在軸的鍵槽中，軸上零件可沿鍵作軸向滑移。常用于軸上零件軸向位移量不大的場合。2.導向平鍵——用于動聯(lián)接〔即軸與輪轂之間有軸向相對運動〕。

3、滑鍵——用于動聯(lián)接，軸上銑出較長的鍵槽，滑鍵固定在輪轂上，軸上零件帶動鍵在軸上鍵槽中作軸向滑移。用于軸上零件軸向位移量較大的場合?！捕嘲雸A鍵工作面：兩側面；結構特點—軸上鍵槽是用半徑與鍵尺寸相同的外圓盤形銑刀加工的。

優(yōu)點是定心性和工藝性好，裝配方便，尤其適用于錐形軸與輪轂的連接缺點是軸上鍵槽較深，對軸的強度削弱較大，故一般只用于輕載的靜連接中?！踩常ㄦI連接楔鍵的上、下兩面為工作面。楔鍵的上外表和與它相配合的輪轂鍵槽底面均有1:100的斜度。裝配時將楔鍵打入，使楔鍵楔緊在軸和輪轂的鍵槽中，楔鍵的上、下外表受擠壓，工作時靠這個擠壓產生的摩擦力傳遞轉矩。楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種，鉤頭楔鍵的鉤頭是為了便于拆卸的。

楔鍵缺點是楔緊后，軸和輪轂的配合產生偏心和偏斜，因此楔鍵聯(lián)接一般用于定心精度要求不高和低轉速的場合。

設計鍵聯(lián)接時，先根據工作要求選擇鍵的類型，再根據裝鍵處軸徑d從標準〔表13-1〕中查取鍵的寬度b和高度h，并參照輪轂長度從標準中選取鍵的長度L，最后進行鍵聯(lián)接的強度較核。二、平鍵聯(lián)接的選擇與計算平鍵的尺寸鍵連接的強度計算靜聯(lián)接：鍵及鍵槽側面壓潰動聯(lián)接：工作面過度磨損失效形式平鍵聯(lián)接設計準那么

由于壓潰和磨損是平鍵連接的主要失效形式，因此鍵連接的計算只進行擠壓強度計算或耐磨性計算。除非有嚴重的過載，一般不會出現(xiàn)鍵的剪斷。由于輪轂上鍵槽深度較淺，輪轂材料的強度也最弱，所以平鍵連接的強度計算通常以輪轂為計算對象。

假設工作壓力沿鍵的長度和高度均勻分布，那么根據平鍵連接的受力情況〔如圖5-9所示〕平鍵連接受力情況

假定載荷在鍵的工作面上均勻分布，并假設kh/2。那么普通平鍵聯(lián)接的擠壓強度條件為對導向平鍵聯(lián)接應限制壓強p以防止過度磨損，即式中，T為傳遞的轉矩，N

mm；k為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k

0.5h，此處h為鍵的高度，mm；l為鍵的工作長度，mm，圓頭平鍵l=L-b，平頭平鍵

l=L，這里

L為鍵的公稱長度，mm；b為鍵的寬度，mm；d為軸的直徑，mm；[

p]為鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應力，MPa， 在設計使用中假設單個鍵的強度不夠，可采用雙鍵按180°對稱布置。考慮載荷分布不均勻性，在強度校核中應按1.5個鍵進行計算?；ㄦI聯(lián)接是由周向均布多個鍵齒的花鍵軸與帶有相應鍵齒槽的輪轂孔相配而成?；ㄦI齒的側面為工作面，工作時有多個鍵齒同時傳遞轉矩，