第十九章 軸、軸轂連接及連軸器

第十章軸、軸轂連接及連軸器

一概述

1軸的用途及分類

軸是機(jī)械系統(tǒng)中的重要零件，其功用是支承轉(zhuǎn)動(dòng)零件和傳遞扭矩。軸按受載情況可以分三種類型，

即心軸、傳動(dòng)軸及轉(zhuǎn)軸。心軸工作時(shí)只受彎矩不受扭矩。當(dāng)工作時(shí)心軸轉(zhuǎn)動(dòng)則稱為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，如圖a所示火車車廂輪軸；當(dāng)工作時(shí)心軸不轉(zhuǎn)動(dòng)則稱為固定心軸，如圖b所示起重支承滑輪軸。傳動(dòng)軸工作時(shí)只傳遞扭矩不受彎矩或受很小彎矩，如圖2所示汽車傳動(dòng)軸。轉(zhuǎn)軸工作時(shí)同時(shí)受彎矩和扭矩，如圖3所示減速器中的輸入軸和輸出軸。2軸的材料軸的失效多為疲勞破壞，因此要求軸的材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度及剛度，對(duì)應(yīng)力集中敏感性應(yīng)低，同時(shí)應(yīng)考慮良好的工藝性及經(jīng)濟(jì)性。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼制軸的毛坯多用軋制圓鋼和鍛鋼。

1．碳素鋼

碳素鋼較合金鋼價(jià)廉，對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小，故應(yīng)用較廣。常用的有30、35、40、45和50等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其中45鋼最為常用。為改善其機(jī)械性能，常進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理?；瑒?dòng)軸承的支承軸頸部分應(yīng)進(jìn)行表面淬火以提高其耐磨性。對(duì)于受力較小和不重要的軸可用Q235等普通碳素鋼。

2．合金鋼

合金鋼具有較好的機(jī)械性能和熱處理性能，但對(duì)應(yīng)力集中較敏感而價(jià)格也較高。當(dāng)要求強(qiáng)度高、尺寸小、重量輕、以及耐磨性好，或有耐高溫耐腐蝕等特殊要求時(shí)可采用合金鋼。常用中碳合金鋼有40Cr，40MnB，35SiMn等，低碳合金鋼有20Cr，20CrMnTi等。

3．合金鑄鐵和球墨鑄鐵鑄鐵具有良好的吸振性和耐磨性，對(duì)應(yīng)力集中敏感性較低，易于得到合理外形，如曲軸、凸輪軸等。缺點(diǎn)是沖擊韌性差，鑄造軸的質(zhì)量不易控制。

第二節(jié)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要決定于軸系結(jié)構(gòu)。軸系結(jié)構(gòu)是指軸與被支承零件、軸與軸承及其支座(軸承座或箱體支座)，以及與軸相關(guān)的其它零部件的裝配總成。具體進(jìn)行軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮軸的受載情況、軸上零件的布置與固定方式、軸承類型與尺寸、軸的工藝結(jié)構(gòu)等因素。

圖所示一級(jí)圓柱齒輪減速器輸出軸的軸系結(jié)構(gòu)。軸上被支承零件是大齒輪和聯(lián)軸器。與軸相關(guān)零件有定位套筒及透蓋。兩支承采用向心球軸承及箱體支座。從軸的右端依次裝入大齒輪、定位套筒、滾動(dòng)軸承、透蓋及聯(lián)軸器等。左端裝入左端軸承。為裝拆方便及軸上零件定位需要，通常轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)為由兩端向中部漸次增大直徑的階梯形狀。由于軸徑有突變，從而引起應(yīng)力集中。為減少應(yīng)力集中，軸徑變化處須有適當(dāng)?shù)膱A角或采用錐柱面過(guò)渡。

與軸承相配合的軸段稱為軸頸，與被支承零件配合的軸段稱為軸頭，連接軸頭與軸頸的軸段稱為軸身。

軸上被支承零件的軸向定位與固定是借助于軸環(huán)或軸肩與其它固定零件配合實(shí)現(xiàn)的。軸上不起定位作用但方便于零件的裝拆的軸肩稱為非定位軸肩，當(dāng)相鄰兩段軸徑相差較大時(shí)宜采用錐柱面過(guò)渡。軸環(huán)定位方便可靠，通常用于受軸向力較大的零件的軸向定位；一般軸肩定位不能承受較大的軸向力而主要起定位作用。與滾動(dòng)軸承配合處的軸肩結(jié)構(gòu)與軸承類型有關(guān)，當(dāng)受有軸向力采用向心推力軸承時(shí)，要求定位面緊密相靠貼，為保證配合要求采用磨削加工時(shí)須留有砂輪越程糟。以上結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖定位軸肩相關(guān)尺寸與非定位軸肩自由表面過(guò)渡圓角半徑須查手冊(cè)確定。滾動(dòng)軸承軸肩的圓角半徑另有規(guī)定須查手冊(cè)確定。

套筒定位．圖適用于零件間距離較短的場(chǎng)合。當(dāng)無(wú)法采用套筒或套筒過(guò)長(zhǎng)時(shí)宜采用圓螺母與止推墊片固定圖a或雙圓螺母固定圖b。用上述各種方法定位時(shí)，輪轂寬度均應(yīng)略大于配合軸段的長(zhǎng)度，以保證定位側(cè)面相互緊靠。加工螺紋部分應(yīng)留有退刀槽。軸端擋圈固定圖僅適用于軸端零件的軸向固定。緊定螺釘固定圖和彈性擋圈固定圖只適用于承受不大軸向力的場(chǎng)合。軸上零件的周向固定通常采用平鍵連接。當(dāng)傳遞載荷很大時(shí)可采用花鍵連接。有關(guān)軸的結(jié)構(gòu)尺寸有些已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)須查閱有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。第三節(jié)軸的強(qiáng)度計(jì)算

傳動(dòng)軸只傳遞扭矩，按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算；心軸只受彎矩，按彎曲強(qiáng)度計(jì)算；對(duì)于轉(zhuǎn)軸則按彎、扭合成強(qiáng)度計(jì)算。．設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸時(shí)，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未確定之前，支承跨距是未知的，故支承反力和彎矩大小無(wú)法計(jì)算。通常的設(shè)計(jì)方法是，初步按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑，然后根據(jù)軸上零件的布置與定位、采用軸承的類型與尺寸、軸的工藝因素等進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。從而確定軸的支承跨距，然后計(jì)算支承反力和所受彎矩，最后對(duì)軸進(jìn)行彎、扭合成強(qiáng)度計(jì)算。對(duì)某些特別重要的軸，有時(shí)需進(jìn)行安全系數(shù)校核計(jì)算(有關(guān)計(jì)算方法可查閱其它資料)。

一、軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算

當(dāng)所傳遞扭矩和軸徑已知時(shí)，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算公式為當(dāng)軸上有一個(gè)鍵槽時(shí)d值增大3％；一個(gè)斷面上有兩個(gè)鍵槽時(shí)增大7％。

對(duì)于空心軸，可用下式計(jì)算

對(duì)于轉(zhuǎn)軸，可利用上述公式初步估算軸的最小直徑dmin然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步確定軸的幾何形狀和尺寸。

二、軸的彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸的結(jié)構(gòu)初步確定后，這時(shí)軸的支承跨距和軸上載荷的大小，方向及作用點(diǎn)的位置和載荷種類均已確定，然后進(jìn)行軸的受力分析，按照彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸的危險(xiǎn)斷面(有時(shí)是幾個(gè)危險(xiǎn)斷面)的直徑，一般計(jì)算順序如下

1．畫出軸空間受力簡(jiǎn)圖。2．畫水平面上的受力簡(jiǎn)圖和水平面彎矩圖Mx3．畫垂直面上的受力簡(jiǎn)圖和垂直面彎矩圖Mx。4．以公式M=求合成彎矩M，并畫合成彎矩圖。5．畫扭矩圖T。6．以公式Me=求出當(dāng)量彎矩并畫當(dāng)量彎矩圖。

式中，a是根據(jù)扭矩性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)。因一般由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力常與彎曲應(yīng)力變化性質(zhì)不同，故在計(jì)算時(shí)需計(jì)入這種應(yīng)力特性差異的影響，為此引入系數(shù)a值。式中，[σ+1]b，[σ0]b，和[σ-1]b分別為材料在靜應(yīng)力，脈動(dòng)循環(huán)和對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用彎曲應(yīng)力，其值可查表19—3。轉(zhuǎn)軸所受的扭剪應(yīng)力，在理論上雖然是靜應(yīng)力，但實(shí)際上由于機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，以及不可避免的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的存在，因此扭剪應(yīng)力是變化的，一般取為脈動(dòng)的扭矩，計(jì)算時(shí)a≈0．6。7．按當(dāng)量彎矩M進(jìn)行強(qiáng)度校核和設(shè)計(jì)計(jì)算。強(qiáng)度條件為轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)計(jì)算公式為空心軸可用下式計(jì)算§4軸轂連接

軸轂連接是指軸與軸上零件的周向固定，通常采用鍵連接、花鍵連接、銷連接及過(guò)盈配合連接等方式。一、鍵連接鍵都是標(biāo)準(zhǔn)件。一般可根據(jù)連接的具體要求與工作條件按軸徑大小選用其類型與尺寸，必要時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(一)平鍵連接平鍵分為普通平鍵和導(dǎo)鍵。平鍵的兩側(cè)面為工作面，上平面與輪轂槽底間留有一定間隙，工作時(shí)靠鍵與鍵槽的側(cè)面?zhèn)鬟f扭矩。普通平鍵端部可制成圓頭(A型)、方頭(B型)或半圓頭(C型)，如圖19—16所示。A型鍵槽是用端銑刀加工，鍵在鍵槽中軸向固定較好，但鍵槽引起軸的應(yīng)力集中較大；B型鍵槽用盤銑刀加工，對(duì)軸引起的應(yīng)力集中較小，c型鍵主要用于軸的端部。

導(dǎo)鍵用螺釘固定在軸槽內(nèi)，軸上零件的轂槽與鍵是間隙配合，故能沿軸向移動(dòng)。導(dǎo)鍵主要用于變速箱中的滑移齒輪與軸的連接。平鍵材料一般用45號(hào)鋼。當(dāng)輪轂用非鐵金屬或非金屬材料時(shí)，鍵可用20號(hào)鋼或Q235鋼制做。當(dāng)按軸徑d選定鍵的截面尺寸b×h后，參照鍵的長(zhǎng)度系列及輪轂寬B選擇鍵的長(zhǎng)度L，一般取L=B-(5～10)mm，必要時(shí)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

鍵連接的失效形式主要是強(qiáng)度較弱件(通常為輪轂)的工作面被壓潰，有時(shí)也可能出現(xiàn)鍵被剪斷。鍵連接的擠壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度可分別由下式計(jì)算當(dāng)需用兩個(gè)鍵共同承受載荷連接時(shí)，應(yīng)布置成180。。考慮到載荷分配不均勻，只按1．5個(gè)鍵進(jìn)行校核計(jì)算。

(一)半圓鍵連接半圓鍵也以兩側(cè)面為工作面實(shí)現(xiàn)周向固定。半圓鍵可在軸槽內(nèi)擺動(dòng)以適應(yīng)轂槽底面裝配方便。半圓鍵的軸槽較深，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱較大，只適于輕載連接和錐形軸端連接。(三)楔鍵連接楔鍵的上下面是工作面，楔鍵上表面有1：100的斜度，輪轂鍵槽底也是1：100的斜度。裝配時(shí)鍵的上下面楔緊在軸與軸轂之間，其工作面上產(chǎn)生很大預(yù)緊力N，工作時(shí)靠上下面產(chǎn)生的摩擦力傳遞扭矩，并能軸向固定零件和承受單方向的軸向力。

楔鍵楔緊時(shí)破壞了軸與軸上零件的對(duì)中性，所以不適宜要求運(yùn)動(dòng)精度高的連接。楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵，鉤頭楔鍵的鉤頭供拆鍵時(shí)使用。

二、花鍵連接

軸和零件轂孔周向均布的凸齒和凹槽，構(gòu)成花鍵連接。花鍵連接的工作面是齒側(cè)面，由于有多個(gè)鍵工作，因此花鍵連接有較高的承載能力。由于鍵與鍵槽為均布，所以有較好的定心性和導(dǎo)向性。齒軸一體，且齒槽較淺，齒根應(yīng)力集中較小，被連接件的強(qiáng)度削弱較少，適用于載荷大，定心要求較高的靜連接和動(dòng)連接。但花鍵加工需用專門設(shè)備，制造成本較高。(一)矩形花鍵鍵的齒側(cè)面為相互平行的平面，易于加工，可用磨削方法獲得較高精