第九章 轴及轴毂联接
§9.1概述轴是组成机器的重要零件之一，主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力，
。一、轴的分类1、根据承受载荷不同分类 ：1）转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴。2）心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种，3）传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。2、根据轴线的形状不同分类二、轴的材料由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、 较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。轴的主要材料是碳钢和合金钢。1、碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢。2、合金钢：对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20 Cr 、 20CrMnTi 等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40 Cr3、对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。§ 9．2轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸，主要要求有：1）轴上零件的定位、固定；2）轴上零件的拆装、调整；3）轴的制造工艺性；4）轴上零件的结构和位置的安排。一、轴上零件的装配如图的齿轮轴,为了便于装配将轴做成阶梯形.将齿轮、左端轴承和联轴器从轴的左端装配，右端轴承从轴的右端装配二、保证轴 上零件的准确定位1、轴向定位1 ）轴肩与轴环定位方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；。这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般定位高度取为（ 0.07～0.1） d， 轴环宽度 b = 1.4h。2 ）套筒定位可以简化轴的结构，减小应力集中结构简单、定位可靠。多用于轴上零件间距离较小的场合。但由于套筒与轴之间存在间隙，所以在高速情况下不宜使用。3）弹性挡圈定位结构紧凑、简单、装拆方便，但受力较小，且轴上切槽会引起应力集中，常用于轴承的定位。4）轴端挡圈工作可靠，能够承受较大的轴向力，应用广泛。2、周向定位轴上零件的周向定位方法主要有键（平键、半圆键、楔键等）、花键、型面、过盈等等1）平键联接制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。2）花键联接承载能力高，定心好、导向性好，但制造较困难，成本较高。适用于传递转矩较大，对中性要求较高或零件在轴上移动时要求导向性良好的场合。3）过盈配合结构简单、定心好、承载能力高和在振动下能可靠的工作。但装配困难，且对配合尺寸的精度要求较高第九章 轴及轴毂联接§9.1概述轴是组成机器的重要零件之一，主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。一、轴的分类1、根据承受载荷不同分类 ：1）转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴。2）心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种，3）传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。2、根据轴线的形状不同分类二、轴的材料由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、 较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。轴的主要材料是碳钢和合金钢。1、碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢。2、合金钢：对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20 Cr 、 20CrMnTi 等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40 Cr3、对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。§ 9．2轴的结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸，主要要求有：1）轴上零件的定位、固定；2）轴上零件的拆装、调整；3）轴的制造工艺性；4）轴上零件的结构和位置的安排。一、轴上零件的装配如图的齿轮轴,为了便于装配将轴做成阶梯形.将齿轮、左端轴承和联轴器从轴的左端装配，右端轴承从轴的右端装配二、保证轴 上零件的准确定位1、轴向定位1 ）轴肩与轴环定位方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；。这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般定位高度取为（ 0.07～0.1） d， 轴环宽度 b = 1.4h，
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机械设计教程－九、轴及轴毂联接》(
https://www.unjs.com)。2 ）套筒定位可以简化轴的结构，减小应力集中结构简单、定位可靠。多用于轴上零件间距离较小的场合。但由于套筒与轴之间存在间隙，所以在高速情况下不宜使用。3）弹性挡圈定位结构紧凑、简单、装拆方便，但受力较小，且轴上切槽会引起应力集中，常用于轴承的定位。4）轴端挡圈工作可靠，能够承受较大的轴向力，应用广泛。2、周向定位轴上零件的周向定位方法主要有键（平键、半圆键、楔键等）、花键、型面、过盈等等1）平键联接制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。2）花键联接承载能力高，定心好、导向性好，但制造较困难，成本较高。适用于传递转矩较大，对中性要求较高或零件在轴上移动时要求导向性良好的场合。3）过盈配合结构简单、定心好、承载能力高和在振动下能可靠的工作。但装配困难，且对配合尺寸的精度要求较高4）销联接用于固定不太重要、受力不大，但同时需要周向或轴向固定的零件。三、轴的结构工艺性轴的形状应简单、便于加工。一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，以减少换刀次数和调整次数。需要磨削的轴段，应该留有砂轮越程槽，需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽，为了便于装配，轴端应加工出倒角。四、减小应力集中轴上的应力集中会严重削弱轴的疲劳强度，所以应该在轴剖面发生突变的地方制成适当的过渡圆角；相邻两轴段直径差不宜过大等措施。此外改善轴的表面质量降低表面粗糙度可以提高轴的疲劳强度§ 9.3轴的设计计算一、按弯扭转强度计算对于圆截面轴，扭转强度条件为：设计公式：其中扭转剪切应力， P 为轴传递的功率， n 轴的转速当截面开有键槽的时候应增大轴径 5 — 7%二、按弯扭合成进行强度计算可以用第三强度理论求出危险截面的当量应力，其强度大小为：设计公式为当量弯矩 Nmm ； d 为轴的直径 mm ；为弯曲应力 MPa 。对于不变的转矩，取对于脉动循环的转矩对于对称循环得转矩，取设计时应该注意：1）要合理选择危险剖面。由于轴的各剖面的当量弯矩和直径不同，因此轴的危险剖面在当量弯矩较大或轴的直径较小处，一般选取一个或二个危险剖面核算；2）若验算轴的强度不够，则可用增大轴的直径、改用强度较高的材料或改变热处理方法等措施来提高轴的强度；若比小很多时，是否要减小轴的直径，应该综合考虑其它因素而定。三、轴的设计步骤 ：1、选择轴的材料，确定许用应力2、利用公式估算轴的直径3、对轴的结构进行设计4、对轴按弯扭合成进行强度校核5、对轴进行疲劳强度安全系数校核§ 9.4轴毂联接一、键联接的类型两大类型：1类：松键联接 —— 1）平键；2）半圆键；3）花键平键 —— 普通平键；导向键与滑键。 普通平键： A 型、 B 型、 C 型2类：紧键联接1）楔键联接；2）切向键联接1．平键联接其特点是：键的两侧面是工作面，靠键与键槽的侧面挤压来传递扭矩；平键联接具有结构简单、装拆方便、对中良好等优点。采用 B 型平键时，轴上的键槽用盘铣刀铣出，键槽两端的应力集中较小。 C 型平键常用于轴端的联接。导向平键用于动联接，。其特点是键较长，键与轮毂的键槽采用间隙配合，故轮毂可以沿键作轴向滑动2．半圆键联接半圆键联接，轴上键槽用尺寸与半圆键相同的半圆键铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应毂上键槽的倾斜度。半圆键用于静联接，其两侧面是工作面。其优点是工艺性好，缺点是轴上的键槽较深，对轴的强度影响较大，所以一般多用于轻载情况的锥形轴端联接3．楔键联接楔键联接的特点是：键的上下两面是工作面，键的上表面和轮毂键槽底部各有1：100的斜度。工作时，主要靠键、轴和毂之间的摩擦力传递转矩，其缺点：是楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和倾斜。因此主要用于定心精度要求不高和低速的场合。4．切向键联接切向键联接：是由一对楔键组成。切向键的上下两面为工作面，工作时，靠工作面上的挤压应力及轴与毂间的摩擦力来传递转矩。用一个切向键时只能传递单向转矩，当要传递双向转矩时，必须使用两个切向键，两个切向键之间的夹角为120度。二、平键联接的强度计算键联接的设计首先需要根据联接的结构特点、使用要求和工作条件来选择平键类型，再根据轴径大小从标准中选出键的剖面尺寸bxh(b为键宽，h为键高)，然后参考轮毂宽度选取键的长度L，键的长度应符合标准规定的尺寸系列。最后进行强度校核计算。平键主要的失效型式是工作面被压坏。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，普通平键联接通常只按工作面的挤压强度进行校核计算。普通平键联接的强度条件式为：键的材料没有统一的规定，但是一般都采用抗拉强度不小于600 MPa 的钢，多为45钢。l 为键的工作长度A 型= L-b;B 型= L;C 型=三、 花键联接由轴和轮毂孔周向均布的多个键齿构成的联接称为花键联接。在工作时，靠侧面的挤压传递扭矩。与普通平键相比具有承载力高、轴和毂受力均匀、定心性和导向性好等优点。但加工需要专用设备和工具，成本较高。