第十三章 軸及軸轂聯(lián)接

第十三章軸及軸轂聯(lián)接

§13—1概述

一、軸的用途與分類

1、功用：1）支承回轉(zhuǎn)零件；2）傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力

2、分類：

按承載情況分：

轉(zhuǎn)軸——扭矩和彎矩

心軸——只受彎矩

傳動(dòng)軸——主要受扭矩

按軸線形狀分

直軸：階梯軸

光軸曲軸：

空心軸和鋼絲軟軸(變速器的轉(zhuǎn)速傳到儀表板)

二.軸的材料（見表13-1）軸的材料種類很多，選擇時(shí)應(yīng)主要考慮如下因素：

1.軸的強(qiáng)度、剛度及耐磨性要求；

2.軸的熱處理方法及機(jī)加工工藝性的要求；

3.軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性等。

軸的常用材料是碳素鋼和合金鋼。

碳素鋼比合金鋼價(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低，可通過熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好，故應(yīng)用最廣，一般用途的軸，多用含碳量為0.25～0.5%的中碳素鋼。尤其是45號(hào)鋼，對(duì)于不重要或受力較小的軸也可用Q235A等普通碳素鋼。合金鋼具有比碳素鋼更好的機(jī)械性能和淬火性能，但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，且價(jià)格較貴，多用于對(duì)強(qiáng)度和耐磨性有特殊要求的軸。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，經(jīng)滲碳處理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金鋼，有良好的高溫機(jī)械性能，常用于在高溫、高速和重載條件下工作的軸。

值得注意的是：由于常溫下合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，因此當(dāng)其他條件相同時(shí)，如想通過選用合金鋼來提高軸的剛度是難以實(shí)現(xiàn)的。

球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵因其具有良好的工藝性，不需要鍛壓設(shè)備，吸振性好，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性低，近年來被廣泛應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的曲軸等。只是鑄件質(zhì)量難于控制。

軸的毛坯多用軋制的圓鋼或鍛鋼。鍛鋼內(nèi)部組織均勻，強(qiáng)度較好，因此，重要的大尺寸的軸，常用鍛造毛坯。

軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工作能力計(jì)算

二.設(shè)計(jì)軸的要求：足夠的強(qiáng)度，剛度，合理的結(jié)構(gòu)，有的還要求有良好的振動(dòng)穩(wěn)定性§13—2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要求：

①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置

②軸上零件應(yīng)有可靠的相對(duì)固定

③軸應(yīng)具有良好的制造工藝性和安裝工藝性等

④形狀和尺寸應(yīng)有利于避免應(yīng)力集中

軸的結(jié)構(gòu)和形狀取決于下面幾個(gè)因素：（1）軸的毛坯種類：（2）軸上作用力的大小及其分布情況；（3）軸上零件的位置、配合性質(zhì)及其聯(lián)接固定的方法；（4）軸承的類型、尺寸和位置；（5）軸的加工方法、裝配方法以及其他特殊要求?？梢娪绊戄S的結(jié)構(gòu)與尺寸的因素很多，設(shè)計(jì)軸時(shí)要全面綜合的考慮各種因素。

一、便于軸上零件的裝配軸身1、零件的軸向定位和固定

1）軸肩和軸環(huán)

定位軸肩：r軸<R孔或r軸<C孔軸肩或軸環(huán)的高度h必須大于R孔或C孔軸肩高度<滾動(dòng)軸承內(nèi)圈高度h=（0.07d＋3）～（0.1d＋5）mm軸環(huán)寬度b≈l.4h非定位軸肩：h=1.5-2mm,r<=(D-d)/2二、保證軸上零件的準(zhǔn)確定位和可靠固定2）套筒

軸用圓螺母

錯(cuò)誤

正確要求軸肩高度<滾動(dòng)軸承內(nèi)圈高度當(dāng)用軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、軸端擋圈進(jìn)行零件的軸向定位時(shí)，為保證軸向定位可靠，要求L軸<L轂4）軸端擋圈

錯(cuò)誤

正確正確5）軸承端蓋

6）彈性擋圈

7）鎖緊擋圈、緊定螺釘或銷

軸承端蓋與機(jī)座間加墊片，以調(diào)整軸的位置

8）圓錐面（+擋圈、螺母）

2、零件的周向定位

1）鍵2）花鍵3）緊定螺釘、銷

4）過盈配合三、良好的制造工藝性和裝配工藝性

1）軸肩圓角r和倒角高度C

2）軸端倒角

3）砂輪越程槽

4）螺紋退刀槽

5）多個(gè)鍵槽

四.減小應(yīng)力集中，改善軸的受力情況

1.減小應(yīng)力集中

2.提高軸的表面質(zhì)量五.軸上零件的裝拆和調(diào)整

1.中間粗兩端細(xì)

2.軸肩高度1-3mm（定位軸鍵大）

3.軸承定位軸肩高度<軸承內(nèi)圈高度軸系結(jié)構(gòu)改錯(cuò)四處錯(cuò)誤正確答案三處錯(cuò)誤正確答案兩處錯(cuò)誤1.左側(cè)鍵太長，套筒無法裝入2.多個(gè)鍵應(yīng)位于同一母線上請(qǐng)完成如圖所示的軸系設(shè)計(jì)。請(qǐng)選擇齒輪的裝配方向一、軸的基本直徑估算及各段直徑和長度的確定

開始設(shè)計(jì)軸時(shí)，通常還不知道軸上零件的位置及支點(diǎn)情況，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成后，才能對(duì)軸進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度計(jì)算。因此，一般在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對(duì)軸的直徑進(jìn)行估算（然后按結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核)。

1.選材并按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸徑：

強(qiáng)度條件

設(shè)計(jì)公式

§13—3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算放大軸徑：一個(gè)鍵槽：3~5%

二個(gè)鍵槽：7~10%

軸上有鍵槽時(shí)：取標(biāo)準(zhǔn)植用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的傳動(dòng)軸的強(qiáng)度計(jì)算

②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前按扭矩初估軸的直徑dmin

——軸的直徑，mm

——軸傳遞的功率，KW

——軸的轉(zhuǎn)速，r/min——決定于材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的系數(shù)。通常A=110~160,當(dāng)材質(zhì)好、彎矩較小、無沖擊和過載時(shí)取小值；反之取大值。2、各軸段直徑確定

②軸上螺紋及花鍵部分直徑應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)①與標(biāo)準(zhǔn)零件相配合軸徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)植(如軸承)3、各軸段長度

②轉(zhuǎn)動(dòng)零件與靜止零件之間必須有一定的間隙③軸頭長度比相應(yīng)零件輪轂寬度小1-2mm

①各軸段與其上相配合零件寬度相對(duì)應(yīng)③與一般零件配合部分直徑應(yīng)與配合零件孔一致，并取標(biāo)準(zhǔn)尺寸按軸上零件安裝、定位要求確定各段軸徑，經(jīng)驗(yàn)值

4、畫出彎矩圖扭矩圖設(shè)計(jì)公式：（mm）5、按第三強(qiáng)度理論求出當(dāng)量彎矩并畫出當(dāng)量彎矩圖

四、軸的設(shè)計(jì)步驟：設(shè)計(jì)軸的一般步驟為：（1）選擇軸的材料根據(jù)軸的工作要求，加工工藝性、經(jīng)濟(jì)性，選擇合適的材料和熱處理工藝。（2）初步確定軸的直徑按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式，計(jì)算出軸的最細(xì)部分的直徑。（3）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求：①軸和軸上零件要有準(zhǔn)確、牢固的工作位置；②軸上零件裝拆、調(diào)整方便；③軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。④盡量避免應(yīng)力集中；根據(jù)軸上零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先要預(yù)定出主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系，它是軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，擬定裝配方案，應(yīng)先考慮幾個(gè)方案，進(jìn)行分析比較后再選優(yōu)。原則：1）軸的結(jié)構(gòu)越簡單越合理；2）裝配越簡單越合理。（4）軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1、作軸的空間受力簡圖（將分布看成集中力，）軸的支承看成簡支梁，支點(diǎn)作用于軸承中點(diǎn)，將力分解為水平分力和垂直分力2、求水平面支反力RH1、RH2作水平內(nèi)彎矩圖3、求垂直平面內(nèi)支反力RV1、RV2，作垂直平面內(nèi)的彎矩圖4、作合成彎矩圖5、作扭矩圖6、作當(dāng)量彎矩圖——為將扭矩折算為等效彎矩的折算系數(shù)∴與扭矩變化情況有關(guān)

——扭矩對(duì)稱循環(huán)變化=——扭矩脈動(dòng)循環(huán)變化——不變的扭矩7、校核

危險(xiǎn)截面軸的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式

8、校核軸的剛度y≤[y];θ≤[θ];ф≤[ф]。（需要?jiǎng)偠扔?jì)算的軸類零件要進(jìn)行剛度計(jì)算）如果計(jì)算所得d大于軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)d結(jié)構(gòu)，則應(yīng)重新設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)。

見教材224頁例13-1例13.1圖示為一電動(dòng)機(jī)通過一級(jí)直齒圓柱齒輪減速器帶動(dòng)帶傳動(dòng)的簡圖。已知電動(dòng)機(jī)功率為30KW,轉(zhuǎn)速n=970r/min,減速器效率為0.92，傳動(dòng)比i=4,單向傳動(dòng)，從動(dòng)齒輪分度圓直徑d2=410mm,輪轂長度105mm,采用深溝球軸承。試設(shè)計(jì)從動(dòng)齒輪軸的結(jié)構(gòu)和尺寸。

單級(jí)齒輪減速器簡圖解：（1）求輸出軸的轉(zhuǎn)速與輸出功率。

n2=n1/i=970/4=242.5r/min

P2=0.92*P1=0.92*30=27.6KW

（2）選擇軸的材料和熱處理方法。

軸采用45鋼正火處理。查表σb=600MPa。

（3）估算軸的最小直徑

(4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及繪制結(jié)構(gòu)草圖(5)按彎、扭組合作用驗(yàn)算軸的強(qiáng)度(6)鍵槽設(shè)計(jì)及其公差(7)確定軸的各處倒角、圓角，公差(8)繪制軸的工作圖軸轂聯(lián)接：實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件周向固定的聯(lián)接鍵是一種標(biāo)準(zhǔn)件，通常用于聯(lián)接軸與軸上旋轉(zhuǎn)零件與擺動(dòng)零件，起周向固定零件的作用以傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)成扭矩，而導(dǎo)鍵、滑鍵、花鍵還可用作軸上移動(dòng)的導(dǎo)向裝置?！?3—4軸轂聯(lián)接1、平鍵平鍵的兩側(cè)面是工作面，上表面與輪轂上的鍵槽底部之間留有間隙，鍵的上、下表面為非工作面。工作時(shí)靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞扭矩，故定心性較好。

普通平鍵與輪轂上鍵槽的配合較緊，屬靜聯(lián)接。導(dǎo)向平鍵和滑鍵與輪轂的鍵槽配合較松，屬動(dòng)聯(lián)接。根據(jù)用途，平鍵又可分為普通平鍵

導(dǎo)向平鍵

滑鍵軸上鍵槽可用指狀銑刀或盤狀銑刀加工，輪轂上的鍵槽可用插削或拉削。一、鍵聯(lián)接的類型特點(diǎn)和應(yīng)用

軸

鍵

鍵

槽公稱直徑d公稱尺寸b*h公稱尺寸b

寬

度

b

寬

度半徑r

較松鍵聯(lián)接一般鍵聯(lián)接較緊鍵聯(lián)接

軸t

轂t1

軸H9轂D10軸N9轂JS9軸和轂

P9公稱尺寸極限偏差公稱尺寸極限偏差最小最大自6-82*22+0.025

0+0.060+0.020-0.004-0.029+0.0125-0.0125-0.006-0.0311.2+0.1

01+0.1

0

0.080.16>8-103*331.81.4>10-124*44+0.030

0+0.078+0.0300-0.030+0.016-0.016-0.012-0.0422.51.8>12-175*553.02.30.160.25>17-226*663.52.8>22-308*78+0.036

0+0.098+0.0400-0.036+0.018-0.018-0.015-0.0514.0+0.2

03.3+0.2

0

0.250.40>30-3810*8105.03.3>38-4412*812+0.043

0+0.120+0.0500-0.043+0.0215-0.0215-0.018-0.0615.03.3>44-5014*9145.53.8>50-5816*10166.04.3>58-6518*11187.04.4>65-7520*1220+0.052

0

+0.140+0.0650-0.052+0.026-0.026-0.022-0.0747.54.9>75-8522*14229.05.40.400.60平鍵聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)、尺寸和公差注：1、表中的基本尺寸系原標(biāo)準(zhǔn)中的公稱尺寸。

2、（d-t）和（d+t）兩組組合尺寸的偏差按相應(yīng)的t和t1偏差選取，但（d-t）偏差應(yīng)取負(fù)號(hào)；

3、鍵的長度系列：6、8、10、12、14、15、18、20、22、25、28、32、36、40、45、51、56、63、70、80、90、100、

110、125、140、160、180、200、220、250、320、360mm。

4、普通平鍵標(biāo)記示例：平頭普通平鍵（B型）b=18mm,h=11mm,L=100mm,標(biāo)記：鍵B18×100GB1096-79。A型的A可省去不寫。2．半圓鍵聯(lián)接

鍵呈半圓形，其側(cè)面為工作面，鍵能在軸上的鍵槽中繞其圓心擺動(dòng)，以適應(yīng)輪轂上鍵槽的斜度，安裝方便。常用與錐形軸端漁輪故的聯(lián)接。4．切向鍵由兩個(gè)斜度為1:100的楔鍵組成。一個(gè)切向鍵只能傳遞一個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩，傳遞雙向轉(zhuǎn)矩時(shí)，須用互成120°～130°角的兩個(gè)鍵。詳細(xì)說明楔鍵的上、下表面為工作面，兩側(cè)面為非工作面。鍵的上表面與鍵槽底面均有1:100的斜度。工作時(shí)，鍵的上下兩工作面分別與輪轂和軸的鍵槽工作面壓緊，靠其摩擦力和擠壓傳遞扭矩。3．楔鍵聯(lián)接詳細(xì)說明詳細(xì)說明1.尺寸選擇：1)根據(jù)鍵聯(lián)接的工作要求和使用特點(diǎn)，選擇平鍵的類型2)按照軸的公稱直徑d，從國家標(biāo)準(zhǔn)中選擇平鍵的尺寸bXh3)根據(jù)輪轂長度選擇鍵長L:鍵的長度L應(yīng)略小于輪轂的長度B，L=B-(5~10)mm。鍵長L應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)長度系列二.平鍵聯(lián)接的選擇和計(jì)算2.強(qiáng)度計(jì)算：1)失效形式：鍵與被聯(lián)接件較弱工作面被壓潰（一般沒有剪切）磨損（動(dòng)聯(lián)接）2)強(qiáng)度計(jì)算擠壓強(qiáng)度條件：耐磨性計(jì)算：l:鍵的工作長度：A型B型