機械設計基礎 第五版 課件 CH10 軸及軸轂聯接

第十章軸及軸轂聯接——機械設計基礎§10-1概述§10-2軸的結構設計§10-3

軸的設計計算§10-4

軸轂聯接第十章軸及軸轂聯接

重點學習內容1.能對不同類型的軸進行強度計算。2.重點掌握軸的結構設計方法。3.掌握鍵聯接及花鍵聯接的類型、結構、特點和應用。4.掌握平鍵聯接尺寸的選擇方法，并能對平鍵聯接進行強度計算。軸是機械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回轉的機械零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運動和動力。

一、軸的分類

根據軸的受載情況，可分為心軸、傳動軸、轉軸。（1）心軸只承受彎矩不傳遞轉矩的軸。固定心軸（圖10-2a)轉動心軸（圖10-2b)§10-1概述（2）傳動軸（圖10-3汽車傳動軸）只傳遞轉矩，不承受或承受很小彎矩的軸。（3）轉軸

既承受彎矩又傳遞轉矩的軸。

（圖10-1齒輪減速器中的軸）

轉軸是機械中最常見的軸，應用最廣，本章主要討論轉軸的設計。心軸和傳動軸可視為轉軸的特例。直軸、曲軸，鋼絲軟軸。各種軸齒輪減速器中的軸二、軸的材料軸是重要零件，工作時產生應力多為變應力，一般選用機械性能較好的碳素鋼和合金鋼。主要考慮強度、剛度、較小的應力集中敏感性、良好的加工性能。（1）受力較小或不重要的軸：Q235-A，Q275-A等普通碳素鋼（2）受力較大用35，45，50等優(yōu)質碳鋼（3）對強度、耐磨性要求高選合金鋼40Cr35SiMn等,但并不能提高軸的剛度（4）鑄鐵，價格便宜、對應力集中敏感性低、吸振、易于得到復雜的形狀軸常用材料及其機械性能可參閱表l0-1三、設計軸的要求（1）足夠的強度（靜強度、疲勞強度）：在正常工作時不發(fā)生斷裂。（2）合理的結構（3）足夠的剛度：限制變形量（一般剛度夠時強度也夠）如機床主軸、電機轉子軸。（4）振動穩(wěn)定性要求：高速軸除強度、剛度要求外，要考慮?！?0-2軸的結構設計結構設計的目的：確定軸的合理外形和全部結構尺寸。影響軸結構的因素很多，主要考慮便于加工、裝拆以及定位和提高軸的強度和剛度等方面要求，所以軸沒有標準的結構形式。設計時，應針對不同情況進行具體分析。對軸結構設計的基本要求是：（1）軸和軸上零件有準確的工作位置（2）軸上各零件應有可靠的相對固定（3）良好的制造和安裝工藝性，軸上零件要易于裝拆（4）形狀、尺寸應有利于減少應力集中（5）軸的結構盡可能對稱，使其受力合理，并有利于節(jié)省材料，減輕質量。設計特點軸徑的初步估算—結構設計—較精確的強度驗算。其中以結構設計為重點。一、便于軸上零件的裝配圖10-6所示為單級減速器的主動軸。為便于軸上零件的裝拆，將軸做成階梯形，中間粗，兩端細。首先將平鍵1裝在軸上，再從左端依次裝入齒輪、套筒、左端軸承，從右端裝入右端軸承，然后將軸置于減速器箱體的軸承孔中，裝上左、右軸承蓋，再自左端裝入平鍵2和聯軸器。軸上零件一般均應作雙向固定，定位方法有：（1）軸肩、軸環(huán)二、保證軸上零件的準確定位和可靠固定1．軸向定位和固定應有r≤C1或R非定位軸肩定位軸肩或（2）套筒、圓螺母、雙螺母套筒—兩零件相對較近圓螺母—兩零件相對較遠圓螺母雙螺母（3）彈性擋圈、緊定螺釘只能承受較小的軸向力（4）軸端擋圈、圓錐面可承受較大軸向力軸肩B軸端擋圈l止動墊片止動銷軸端擋圈螺釘螺釘軸端擋圈裝配演示止動銷止動墊片注意：

1）軸肩、軸環(huán)定位時，為保證零件與定位面靠緊，軸上過渡圓角半徑或倒角須留意。

2）為保證固定可靠，與軸上零件相配合的軸段長度比輪轂寬度略短2～3mm。２．周向定位和固定傳遞扭矩和運動（１）鍵聯接、花鍵聯接（２）銷聯接、型面聯接（３）過盈配合聯接、緊定螺釘聯接綜合看三、具有良好的制造工藝性，軸上零件要易于裝拆1.鍵槽開在同一母線上，且寬度盡可能相同（圖10-6）2.軸上圓角、倒角盡量取相同的值3.需磨削的軸段，應留有砂輪越程槽；需切削螺紋軸段，應留有退刀槽（圖10-12）4.為便于加工和檢測，軸的直徑應取整數值；與滾動軸承相配合軸頸及有螺紋的軸段直徑應符合軸承、螺紋標準直徑5.為了便于裝配，軸端應加工出450倒角6.過盈配合零件的裝入端加工出導向錐面四、減少應力集中，改善軸的受力情況由軸的分類和應力狀態(tài)的分析看到，大多數軸受變應力作用，故提高軸的疲勞強度尤為重要。而影響疲勞強度主要因素有應力集中、表面質量等。1.減少應力集中2.改善軸的表面質量不合理結構F合理結構F3.改善軸的受力狀況減小應力集中實例：

ZQ350齒輪箱的高速軸在聯軸器與軸承過渡圓角角處往往被剪斷。這是因為聯軸器的軸段到軸承直徑處的過渡圓角半徑r太小，應力集中太大所致。改善軸的表面質量實例一：

常州戚墅堰機車廠生產的曲軸，圓角半徑處應力集中過大，一直沒有過關，后在圓角處采用滾壓工藝，使壽命提高了一倍。改善軸的表面質量實例二：

1974年東風船廠6E350柴油機減速箱的一根主軸，在試車過程中連續(xù)斷掉兩根，經理論驗算強度和剛度，是足夠的。但為什么會斷呢?經分析后，查明原因有兩點：(1)柴油機振動對軸的破壞影響估計不足；(2)軸表面粗糙度未達到圖紙要求。改進后經275h試車通過。這說明，考慮問題要從多方面分析。改善軸的表面質量實例三：

提高軸的疲勞強度問題。某校教師在重慶民生船廠發(fā)現，制成試驗用的增速器，經核算其中軸的安全系數為0.8。他們建議把軸從原來的調質處理改為高頻淬火，從而解決了問題。C為由軸的材料及承載情況確定的常數。見表10-2上式所求d作為軸的最小直徑進行軸的結構設計，若該處有一個鍵槽，d增大5%，有兩個鍵槽，d增大10%。一、按扭轉強度計算這種方法視軸只受轉矩，根據轉矩大小估算d，并用降低許用扭剪應力的方法來考慮彎矩的影響?！?0-3軸的設計計算—扭剪應力MPa—許用扭剪應力MPa

—抗扭截面系數mm3

—轉矩N.mm—傳遞的功率KW—轉速r/min—軸的直徑mm二、按經驗公式估算

對于一般減速裝置中的軸，也可用經驗公式估算軸的最小軸徑。

對于高速級輸入軸d=(0.8～1.2)D

D——與高速級軸相聯的電動機軸徑

對于各級低速軸d=(0.3～0.4)a

a——同級齒輪中心距三、按彎扭合成強度計算在初估軸徑及結構設計完成以后，即可確定軸上載荷大小、方向、作用點和軸的支承點位置。從而可求出支承反力，畫出彎矩圖和扭矩圖，這時就可按彎扭合成強度計算軸的直徑（多用來對已設計好的軸進行強度校核）。由彎矩圖和轉矩圖可初步判斷軸的危險剖面。對于一般的鋼制軸，可用第三強度理論求出危險剖面的當量應力

e，其強度條件為：

e—當量應力MPa

b—彎曲應力MPaM—危險截面上的合成彎矩N.mmW—危險截面上的抗彎截面系數mm3對于一般轉軸，

b為對稱循環(huán)，而

的應力特性常是不變或脈動，考慮到兩者循環(huán)特性不同的影響，將上式中的轉矩乘以折算系數，得校核軸的強度基本公式為：α—折算系數Me—當量彎矩N.mm

[

-1]b—對稱循環(huán)下許用彎曲應力設計式：對于一般用途的軸，按上述方法計算已足夠精確。對重要的軸，還要考慮影響軸疲勞強度的一些因素而作精確驗算。其內容可參閱有關書籍。設計注意：1）找危險截面：Me較大或d較小處

2）強度不足采取措施

a)增大軸徑，其它尺寸跟著變化

b)改用材料、熱處理方法四、軸的剛度計算概念軸受載后會產生彈性變形，機械中若軸的剛度不夠，會影響機器的正常工作。如機床的主軸變形太大時，將影響機床的加工精度，電機轉子軸彎曲變形太大時，將使轉子和定子的間隙改變而影響電機性能，所以軸必須有足夠的剛度。對于有剛度要求的軸，為使軸不因剛度不足而失效，設計時應根據軸的不同要求限制其變形量：分別為許用撓度、許用偏轉角和許用扭轉角，其值見有關參考書。五、軸的設計步驟

設計軸的一般步驟為：(1)選擇軸的材料(2)初步確定軸最細部分的直徑(3)軸的結構設計(4)軸的強度校核當校核不合格時，還要改變危險截面尺寸，進而修改軸的結構，直至校核合格為止。因此，軸的設計過程是反復、交叉進行的。軸的結構設計實例單級減速器輸出軸的結構及軸上零件的布置軸的裝配右軸承右端面到聯軸器左端面的距離取為習題1：軸的結構設計應滿足的基本要求是什么？答：軸的結構設計應滿足的基本要是：1)軸及軸上零件應有確定的位置和可靠固定；2)軸上零件應便于安裝，折卸和調整；3)軸應具有良好的加工工藝性；4)力求受力合理，有利提高疲勞強度和剛度。解答：1)軸肩過高擋住了內圈，軸承不便于折卸；2)兩邊均有軸肩，齒輪無法安裝；3)鍵的頂面應與輪轂槽底面有間隙，且輪轂槽應開通，軸上鍵槽處應有局部剖視；4)軸承不便于安裝，此處應該有過渡軸肩；5)此處的輪轂沒有確定的位置，且無軸向固定；6)鍵過長，且兩鍵不在同一方位，不便于加工；7)軸端過長，輪轂無法進行軸向固定。習題2：指出圖中結構設計的錯誤，在錯誤處標出序號，并按序號一一說明理由。習題3：試指出圖中結構不合理的地方。

鍵聯接是一種將軸和軸上轉動零件聯接起來的可拆聯接，主要用于軸和輪轂間的周向固定并傳遞轉矩。有些類型的鍵還能實現軸向固定或軸向動聯接。

松聯接：平鍵聯接和半圓鍵聯接。鍵聯接緊聯接：楔鍵聯接和切向鍵聯接?；ㄦI聯接§10-4

軸轂聯接一、鍵聯接的類型、特點和應用1.平鍵聯接兩側面是工作面，鍵的上表面和輪轂槽底之間留有間隙，是靠兩側面的擠壓傳遞轉矩。具有結構簡單、裝拆方便、加工容易，對中良好，應用廣泛，但不能實現軸向固定的特點。平鍵聯接按用途分為三類：普通平鍵、導向平鍵、滑鍵。（1）普通平鍵

用于靜聯接，即軸與輪轂間無相對滑動。按端部形狀不同分為A型（圓頭）、B型（方頭）、C型（半圓頭）三種。A型鍵槽的加工B型鍵槽的加工（2）導向平鍵和滑鍵聯接當輪轂在軸上需沿軸向移動而構成動聯接時，可采用導向平鍵或滑鍵。導向平鍵較長，用螺釘將鍵固定在軸槽中，輪轂沿鍵作軸向移動(見圖l0-22a)，為裝拆方便，制有起鍵螺釘。若移動距離較大時，可用滑鍵。它和輪轂相聯，沿軸上鍵槽移動(圖10-22b）。兩側面為工作面，對中良好，用于靜聯接。

軸槽用尺寸與半圓鍵直徑相同的盤形銑刀銑出，因此半圓鍵能在軸槽中擺動，尤其適用錐形軸端與輪轂的聯接，但軸槽較深，對軸的強度削弱大，只用于輕載。2.半圓鍵聯接楔鍵的上、下表面為工作面，靠擠壓產生的摩擦力傳遞轉矩，安裝時需將鍵楔緊，能承受一定的單向的軸向載荷。但由于楔鍵打入時，使軸和輪轂產生偏心，故用于定心精度不高，載荷平穩(wěn)和低速場合。3.楔鍵聯接楔鍵的安裝普通楔鍵鉤頭楔鍵4.切向鍵聯接切向鍵由一對普通楔鍵組成，裝配時將兩鍵楔緊。它的上下平行的兩窄面為工作面，依靠與軸和輪毀的擠壓傳遞轉矩。若軸正、反轉工作時，需采用兩個互成120０～130０的切向鍵。切向鍵聯接傳遞轉矩大，但對中性差，對軸的削弱較大，常用于軸徑大于100mm且對中性要求不高的重型機械中。二、平鍵聯接的選擇與強度校核1.平鍵聯接的選擇是標準件，直接從手冊中選取（1）按軸徑選鍵的截面尺寸bh（2）按輪轂長度B選鍵長，使L=B-（5～10）mm，并圓整為標準值2.平鍵聯接的失效形式壓潰、剪斷（很少出現）、磨損（動聯接）3.平鍵聯接的校核計算一般校核擠壓強度或耐磨性計算（限制壓強）擠壓強度條件耐磨性校核—鍵的工作長度。A型，C型若強度不夠,可用兩個普通平鍵相隔180°布置（為使軸與輪轂對中良好），強度計算按1.5個鍵計算（由于載荷分布不均）。規(guī)格用N×d×D×B分別表示鍵數，小徑、大徑、鍵齒寬。根據鍵數和尺寸不同分輕、中、重系列，重系列的鍵數多，