任務(wù)十軸和軸轂聯(lián)接

1、第第10章章 軸和軸轂聯(lián)接軸和軸轂聯(lián)接 10.1 概述概述 10.2 軸的材料軸的材料 10.3 軸及軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸及軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 10.5 軸轂軸轂聯(lián)接聯(lián)接10.1 概概 述述 10.1.1 軸的類型及其特點(diǎn) 1. 按中心線形狀不同分類 (1) 直軸： 中心線為一直線的軸稱為直軸。 在軸的全長上直徑都相等的直軸稱為光軸, 如圖10 -1(a)所示; 各段直徑不等的直軸稱為階梯軸, 如圖10 - 1(b)所示。 由于階梯軸上零件便于拆裝和固定, 又利于節(jié)省材料和減輕重量, 因此在機(jī)械中應(yīng)用最普遍。 在某些機(jī)器中也有采用空心軸(見圖10 - 1(c)的,

2、以減輕軸的重量或利用空心軸孔輸送潤滑油、 冷卻液等。 圖 10 - 1 直軸(a) 光軸; (b) 階梯軸; (c) 空心軸 (2) 曲軸： 中心線為折線的軸稱為曲軸, 如圖10 - 2所示。 它主要用在需要將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的機(jī)械中。 圖 10 - 2 曲軸 (3) 撓性軟軸： 能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳到任何位置的鋼絲軟軸稱為撓性軟軸, 如圖10 - 3 所示。 它由多組鋼絲分層卷繞而成(見圖10 - 4), 其特點(diǎn)是具有良好的撓性。 它常用于醫(yī)療器械和小型機(jī)具等移動(dòng)設(shè)備上。 圖 10 - 3 鋼絲軟軸 圖 10 - 4 鋼絲軟軸的結(jié)構(gòu) 2. 按承載情況不同分類 (1) 轉(zhuǎn)軸： 工

3、作中同時(shí)受彎矩和扭矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸。 轉(zhuǎn)軸在各種機(jī)器中最常見, 如減速箱中的齒輪軸(見圖10 - 5)。 (2) 傳動(dòng)軸: 只受扭矩不受彎矩或所受彎矩很小的軸稱為傳動(dòng)軸。 如汽車傳動(dòng)軸(見圖10 - 6)。 (3) 心軸： 只承受彎矩的軸稱為心軸。 心軸又分為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸和固定心軸, 前者如機(jī)車車軸(見圖10 - 7(a), 后者如自行車的前軸(見圖10 - 7(b)。 圖 10 - 5 轉(zhuǎn)軸 工作中同時(shí)受彎矩和扭矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸圖 10 - 6 傳動(dòng)軸 只受扭矩不受彎矩或所受彎矩很小的軸稱為傳動(dòng)軸 圖 10 - 7 心軸(a) 機(jī)車車軸; (b) 自行車前軸軸小結(jié)jb140101.swf只承受彎矩的

4、軸稱為心軸 10.1.2 軸設(shè)計(jì)的要求和一般步驟 1. 軸設(shè)計(jì)的基本要求 不同機(jī)械對軸有不同的設(shè)計(jì)要求, 基本包括以下三方面: (1) 合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性, 以保證零件具有可靠的軸向和周向定位, 并利于加工； (2) 具有足夠的強(qiáng)度, 以承受設(shè)計(jì)要求的工作載荷； (3) 具有足夠的剛度和良好的穩(wěn)定性。 2. 軸設(shè)計(jì)的一般步驟(1) 選擇軸的材料； (2) 初步估算軸的基本直徑； (3) 進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； (4) 進(jìn)行軸的強(qiáng)度、 剛度或穩(wěn)定性等驗(yàn)算； (5) 繪制軸的工作圖。 10.2 軸的材料軸的材料 1. 碳素鋼 碳素鋼比合金鋼價(jià)廉, 對應(yīng)力集中不敏感, 并可用熱處理的方法改善其力學(xué)

5、性能。 一般機(jī)械中常用35、 45、 50鋼等優(yōu)質(zhì)碳素鋼, 并進(jìn)行正火或調(diào)質(zhì)處理, 其中以45鋼用得最為廣泛。 不重要的、 受力較小的軸可采用Q235、 Q275等碳素結(jié)構(gòu)鋼。 2. 合金鋼 合金鋼具有較高的力學(xué)性能和良好的熱處理工藝性, 但對應(yīng)力集中比較敏感, 且價(jià)格較貴, 多用于高速、 重載及有特殊要求的軸材料。 對于耐磨性要求較高的軸, 可選用20Cr、 20CrMnTi等低碳合金鋼, 進(jìn)行滲碳淬火處理。 對于在高溫、 高速和重載條件下工作的軸, 可選用38CrMoAlA、 40CrNi等合金結(jié)構(gòu)鋼。 由于在一般工作溫度下, 碳素鋼和合金鋼的彈性模量相差無幾, 因此, 不能用合金鋼代替碳

6、素鋼來提高軸的剛度。 軸的毛坯通常用鍛件和熱軋圓鋼。 對于某些結(jié)構(gòu)外形復(fù)雜的軸可采用鑄鋼或球墨鑄鐵, 后者具有吸震性、 耐磨性好、 價(jià)格低廉、 對應(yīng)力集中敏感性差等優(yōu)點(diǎn)。 表10 - 1列出了幾種軸的常用材料及其力學(xué)性能。 表10 - 1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 10.3 軸及軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸及軸系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、軸系的結(jié)構(gòu)簡介二、軸的結(jié)構(gòu)簡介jb1403.swf （一） 零件在軸上的軸向軸向固定 零件在軸上的軸向固定方法很多, 如圖10 - 8 所示, 選擇時(shí)要綜合考慮零件在軸上的位置、 軸向力的大小、 具體的安裝條件等。 （1）. 軸肩和軸環(huán) 階梯軸上常采用軸肩或軸環(huán)定位, 如圖10

7、 - 8所示。 軸肩或軸環(huán)是階梯軸上截面變化的部分, 由定位面和過渡圓角組成。 軸肩結(jié)構(gòu)簡單, 能承受較大的軸向力, 應(yīng)用較多。 圖 10 8 軸肩和軸環(huán) 表10 - 2 軸肩圓角半徑 （2）. 套筒 在軸的中部, 當(dāng)兩個(gè)零件間距離較小時(shí), 常采用套筒作相對固定, 如圖10 - 9所示。使用套筒可簡化軸的結(jié)構(gòu), 避免在軸上制出螺紋、 環(huán)形槽等, 能有效地提高軸的疲勞強(qiáng)度, 但增加了一些重量, 故套筒不應(yīng)太長。 且因套筒與軸的配合較松, 所以也不宜用于高速軸。 圖 10 - 9 套筒的使用 （3） 圓螺母 圓螺母可承受較大的軸向力, 但在螺紋處有應(yīng)力集中, 會(huì)降低軸的疲勞強(qiáng)度, 故其多用于固定裝

8、在軸端的零件, 一般采用細(xì)牙螺紋。 為防止圓螺母松脫, 可采用加止動(dòng)墊圈或用雙圓螺母(見圖10 - 10)。 圖 10 10 圓螺母 （4）. 擋圈 擋圈通常與軸肩聯(lián)合使用定位, 常用的有螺釘鎖緊擋圈、 彈性擋圈和軸端擋圈三種。圖 10 - 11 軸上零件的軸向固定方法 （二） 零件在軸上的周向周向固定 為了傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩, 防止軸上零件與軸作相對轉(zhuǎn)動(dòng), 必須有可靠的周向固定。 轉(zhuǎn)動(dòng)零件與軸的周向固定所形成的聯(lián)結(jié), 稱為軸轂聯(lián)結(jié)。 軸轂聯(lián)結(jié)的形式很多, 常用的周向固定方法有鍵、 花鍵, 成形、 銷, 彈性環(huán)、 過盈等聯(lián)結(jié), 如圖10 - 13所示。 圖 10 - 13 軸上零件常用的周向固定方

9、法圖 10 - 13 軸上零件常用的周向固定方法 （三） 軸的結(jié)構(gòu)工藝性 設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)時(shí), 應(yīng)使軸的結(jié)構(gòu)形狀便于加工、 裝配和維修。 例如, 對于需要磨削的軸段, 應(yīng)留有砂輪越程槽, 如圖10 - 14所示； 對于需要切削螺紋的軸段, 應(yīng)留有退刀槽, 如圖10 - 15 所示。 砂輪越程槽通常寬24 mm、 深0.51 mm； 螺紋退刀槽與螺紋牙高度有關(guān), 槽的尺寸可參看有關(guān)設(shè)計(jì)手冊、 圖冊。 圖 10 - 14 砂輪越程槽 圖 10 - 15 螺紋退刀槽 為便于零件在軸上的裝配, 軸端應(yīng)加工成45(或30、 60)倒角。 過盈配合部分的零件裝入端常加工出半錐為10(或30)的導(dǎo)向錐面(見圖1

10、0 - 16)； 對于受變載荷的重要零件, 則應(yīng)加工出圓角。 圖 10 - 16 引導(dǎo)錐 （四）提高軸強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)措施 1. 改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu), 減小應(yīng)力集中 為了減少應(yīng)力集中, 階梯形軸相鄰軸段的直徑不宜相差太大, 過渡部分的圓角應(yīng)盡可能取大些, 必要時(shí)可將過渡部分結(jié)構(gòu)增設(shè)一階梯軸段, 借以緩和軸的截面變化。 重要結(jié)構(gòu)中可采用卸荷槽B(見圖10 - 17(a)、 過渡肩環(huán)(見圖10 - 17(b)或凹切圓槽(見圖10 - 17(c)。 在軸與軸上零件的過盈配合處, 在零件輪轂上開卸荷槽B(見圖10 - 17(d), 也能減小過盈配合處的局部應(yīng)力。 圖 10 - 17 減輕圓角應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu) 圖 1

11、0 - 17 減輕圓角應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu) 2. 提高軸的表面質(zhì)量 當(dāng)軸上裝有接觸式密封元件時(shí), 須降低接觸部位的表面粗糙度, 保證耐磨性。 軸的表面粗糙度對其疲勞強(qiáng)度有很大影響, 粗糙的軸表面容易產(chǎn)生疲勞裂紋, 引起應(yīng)力集中。 因此, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意提高軸的表面質(zhì)量, 采用表面強(qiáng)化處理, 如碾壓、 噴丸、 滲碳淬火、 氮化、 氰化等熱處理和化學(xué)處理, 都可顯著提高軸的疲勞強(qiáng)度。 3. 改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)和布置, 減小軸所承受的載荷 圖10 - 18所示卷筒的兩種結(jié)構(gòu)中, 圖(a)中卷筒制成的兩段短輪轂比圖(b)中卷筒的長輪轂結(jié)構(gòu)合理, 不僅減小了軸所承受的最大彎矩Mmax, 提高了軸的強(qiáng)度和剛度,

12、而且能減小輪轂的精加工面。 圖 10 - 18 卷筒輪轂的結(jié)構(gòu) 例如, 當(dāng)動(dòng)力需用兩個(gè)或兩個(gè)以上的輪輸出時(shí), 將輸入輪布置在輸出輪的中間, 就可減少軸的轉(zhuǎn)矩。 如圖10 - 19所示, 若按圖(a)布置, 則軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為輸入轉(zhuǎn)矩T1+T2； 若將輸入輪布置在中間, 如圖(b)所示, 則軸傳遞的最大轉(zhuǎn)矩減小為T1或T2。 圖 10 - 19 零件的合理布置 10.4 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 一、 軸的計(jì)算簡圖 在進(jìn)行軸的強(qiáng)度和剛度計(jì)算時(shí), 為便于分析和計(jì)算, 常通過必要的簡化, 找出軸的合理簡化模型, 即軸的計(jì)算簡圖。 通常將軸簡化為一鉸鏈支座的梁, 軸和軸上零件的自重可忽略不計(jì), 軸上

13、分布載荷按圖10 - 20所示方法簡化。 作用在軸上的扭矩通常從傳動(dòng)件輪轂中點(diǎn)計(jì)算。 軸的支座反力的作用點(diǎn)隨軸承類型、 布置方式不同而異, 可按圖10 - 21確定, 圖中a、 b、 e的值可查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。 圖 10 - 20 軸的計(jì)算簡圖(a) 一般情況; (b) 過盈情況 圖 10 - 21 軸上支點(diǎn)的簡化(a) 向心軸承; (b) 角接觸軸承; (c) 兩個(gè)向心軸承; (d) 滑動(dòng)軸承 二、 軸的強(qiáng)度計(jì)算 1. 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算 對于傳動(dòng)軸, 可只按扭矩計(jì)算軸的直徑； 對于轉(zhuǎn)軸, 常用此法估算軸的最小直徑, 然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 對于圓截面軸, 扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為 ndPWTP362 .

14、01055. 9(10 - 1) 式中, 為軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力, 單位為MPa； T為軸傳遞的扭矩, 單位為Nmm； P為軸傳遞的功率, 單位為kW； n為軸的轉(zhuǎn)速, 單位為r/min； d為軸的直徑, 單位為mm； 為許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力, 單位為MPa, 其值查表10 - 3選??； Wp為軸抗扭截面系數(shù), 單位為mm3, 對圓截面軸Wp0.2d3。 由式(10 - 1), 可推出軸的設(shè)計(jì)公式為 33362 . 01055. 9nPCnPd(10 - 2) 式中, C為由軸的材料和承載情況確定的常數(shù), 見表10 - 3。 表10 - 3 常用材料的 和C值 2. 按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算 在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步

15、完成后, 通常要對轉(zhuǎn)軸進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度校核。 對于一般鋼制的轉(zhuǎn)軸, 可用第三強(qiáng)度理論寫出彎扭組合強(qiáng)度條件為beedTMWM13221 . 0)(10 - 3) 由上式可推得軸的計(jì)算公式為 311 . 0beMd(10 - 4) 式中, e為當(dāng)量應(yīng)力, 單位為MPa； d為軸的直徑, 單位為mm； Me為當(dāng)量彎矩, 單位為Nmm，22)( TMMeM為危險(xiǎn)截面上的合成彎矩, 單位為Nmm， 22VHMMM MH為水平面上的彎矩, 單位為Nmm； MV為垂直面上的彎矩, 單位為Nmm； W為軸危險(xiǎn)截面抗彎截面系數(shù), 對圓截面軸, W0.1d3； 為由扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力性質(zhì)而定的折算系數(shù)。 對于不變的扭轉(zhuǎn)剪

16、應(yīng)力, 3 . 011bb當(dāng)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí), 6 . 001bb 對于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸, 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力可視為對稱循環(huán)變應(yīng)力, =1。 設(shè)計(jì)時(shí), 即使轉(zhuǎn)矩大小不變, 但考慮到啟動(dòng)、 停車等因素, 一般按脈動(dòng)循環(huán)計(jì)算。當(dāng)轉(zhuǎn)矩變化規(guī)律不明時(shí), 也按脈動(dòng)循環(huán)處理。 不同材料的軸在對稱循環(huán)、 脈動(dòng)循環(huán)和靜應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力見表10 - 4。 表10 - 4 軸的許用彎曲應(yīng)力 3 軸的剛度計(jì)算 軸受載后會(huì)產(chǎn)生彈性變形。 機(jī)械中， 若軸的剛度不夠, 則會(huì)影響機(jī)器的正常工作。 如機(jī)床的主軸變形太大時(shí), 將影響機(jī)床的加工精度； 電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的彎曲變形太大時(shí), 將使轉(zhuǎn)子和定子的間隙改變而影響電

17、機(jī)性能。 所以, 軸必須有足夠的剛度。 軸的剛度主要是指彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度, 前者用撓度y和偏轉(zhuǎn)角來度量(見圖10 - 22), 后者用扭轉(zhuǎn)角來度量(見圖10 - 23), 其值可按材料力學(xué)中的公式進(jìn)行計(jì)算。 圖 10 - 22 軸的撓度和偏轉(zhuǎn)角 圖 10 - 23 軸的扭轉(zhuǎn)角 對于有剛度要求的軸, 為使軸不因剛度不足而失效, 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)軸的不同要求限制其變形量: yy, , 。 y、 、 分別為許用撓度、許用偏轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角, 其值參見有關(guān)參考書。 例10 - 1 試設(shè)計(jì)斜圓柱齒輪減速器中的輸出軸(見圖10 - 24)。 已知傳遞功率P=20 kW, 輸出軸轉(zhuǎn)速n=390 r/min,

18、從動(dòng)齒輪的分度圓直徑d2=370.302 mm, 螺旋角=103511(左旋), 壓力角n=20, 輪轂長度為80 mm, 采用6211型深溝球軸承, 單向轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 10 - 24 減速器傳動(dòng)簡圖 圖 10 - 25 軸的結(jié)構(gòu)草圖 圖 10 - 26 軸的結(jié)構(gòu)簡圖及受力圖 70.570.5105.5ABTCFt2646 NFa495 NFr980 NFt2646 NRHB1323 NRHA1323 NMHC93.27 NmFa495 NFr980 NRVA160 NRVB1140 NMVC280.37 NmMVC111.28 NmMC2123.12 NmMC193.95 NmT490 NmT

19、294 NmMeC318.74 Nm93.95 Nm294 Nm(a)(b)(c)(d )(e)(f)(g)(h)(i)10.5 軸轂軸轂聯(lián)接聯(lián)接有關(guān)鍵的類型、結(jié)構(gòu)等jb091001.swf有關(guān)平鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算等jb091002.swf有關(guān)花鍵聯(lián)接等jb091003.swf有關(guān)鍵、軸、輪轂等尺寸設(shè)計(jì)例鍵6-1.swf有關(guān)軸的加工cdz.wmv結(jié)束結(jié)束思考與練習(xí)思考與練習(xí) 1. 軸分哪幾種？ 各承受什么載荷？ 試各舉一例說明。 2. 為何大多數(shù)軸呈階梯形？ 3. 舉例說明軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。 4. 軸上零件的周向和軸向定位方法各有哪些？ 一般使用在什么場合? 5. 指出圖13 - 27所示軸的結(jié)構(gòu)

20、中有哪些不合理之處？ 并畫出改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)圖。 圖 13 - 27 題圖13 - 5 6. 軸的強(qiáng)度的計(jì)算方法有幾種？各在什么情況下使用？ 7. 試述軸的強(qiáng)度校核方法和步驟。 8. 什么叫軸的危險(xiǎn)截面？ 如何選擇軸的危險(xiǎn)截面？ 9. 按第三強(qiáng)度理論進(jìn)行彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算時(shí)為什么要引入系數(shù)？ 10. 軸的最小直徑如何確定？此直徑應(yīng)放在軸的哪一部分？ 11. 按疲勞強(qiáng)度進(jìn)行軸的精確校核時(shí), 主要考慮哪些因素？ 各個(gè)系數(shù)的意義是什么？其值如何確定？ 如果軸的疲勞強(qiáng)度不夠, 那么應(yīng)采取哪些措施？ 在什么情況下還要進(jìn)行軸的安全系數(shù)校核計(jì)算？ 12. 什么情況下進(jìn)行軸的剛度計(jì)算？如何計(jì)算？ 13. 已知圖13 - 28所示軸傳遞的功率P=5.5 kW, 軸的轉(zhuǎn)速為500 r/min, 單向回轉(zhuǎn), 試按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件估算軸的最小直徑, 并估計(jì)軸承處及齒輪處的軸徑。 圖 13