機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 第五版 課件 CH10 軸及軸轂聯(lián)接

第十章軸及軸轂聯(lián)接——機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)§10-1概述§10-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§10-3

軸的設(shè)計(jì)計(jì)算§10-4

軸轂聯(lián)接第十章軸及軸轂聯(lián)接

重點(diǎn)學(xué)習(xí)內(nèi)容1.能對(duì)不同類型的軸進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。2.重點(diǎn)掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。3.掌握鍵聯(lián)接及花鍵聯(lián)接的類型、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和應(yīng)用。4.掌握平鍵聯(lián)接尺寸的選擇方法，并能對(duì)平鍵聯(lián)接進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。軸是機(jī)械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回轉(zhuǎn)的機(jī)械零件（如齒輪、帶輪等），并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。

一、軸的分類

根據(jù)軸的受載情況，可分為心軸、傳動(dòng)軸、轉(zhuǎn)軸。（1）心軸只承受彎矩不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。固定心軸（圖10-2a)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸（圖10-2b)§10-1概述（2）傳動(dòng)軸（圖10-3汽車傳動(dòng)軸）只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受或承受很小彎矩的軸。（3）轉(zhuǎn)軸

既承受彎矩又傳遞轉(zhuǎn)矩的軸。

（圖10-1齒輪減速器中的軸）

轉(zhuǎn)軸是機(jī)械中最常見的軸，應(yīng)用最廣，本章主要討論轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)。心軸和傳動(dòng)軸可視為轉(zhuǎn)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(shí)產(chǎn)生應(yīng)力多為變應(yīng)力，一般選用機(jī)械性能較好的碳素鋼和合金鋼。主要考慮強(qiáng)度、剛度、較小的應(yīng)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(zhì)碳鋼（3）對(duì)強(qiáng)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(jià)格便宜、對(duì)應(yīng)力集中敏感性低、吸振、易于得到復(fù)雜的形狀軸常用材料及其機(jī)械性能可參閱表l0-1三、設(shè)計(jì)軸的要求（1）足夠的強(qiáng)度（靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度）：在正常工作時(shí)不發(fā)生斷裂。（2）合理的結(jié)構(gòu)（3）足夠的剛度：限制變形量（一般剛度夠時(shí)強(qiáng)度也夠）如機(jī)床主軸、電機(jī)轉(zhuǎn)子軸。（4）振動(dòng)穩(wěn)定性要求：高速軸除強(qiáng)度、剛度要求外，要考慮?！?0-2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的：確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。影響軸結(jié)構(gòu)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(qiáng)度和剛度等方面要求，所以軸沒有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)不同情況進(jìn)行具體分析。對(duì)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求是：（1）軸和軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置（2）軸上各零件應(yīng)有可靠的相對(duì)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(yīng)有利于減少應(yīng)力集中（5）軸的結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱，使其受力合理，并有利于節(jié)省材料，減輕質(zhì)量。設(shè)計(jì)特點(diǎn)軸徑的初步估算—結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—較精確的強(qiáng)度驗(yàn)算。其中以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。一、便于軸上零件的裝配圖10-6所示為單級(jí)減速器的主動(dòng)軸。為便于軸上零件的裝拆，將軸做成階梯形，中間粗，兩端細(xì)。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(lián)軸器。軸上零件一般均應(yīng)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(zhǔn)確定位和可靠固定1．軸向定位和固定應(yīng)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(duì)較近圓螺母—兩零件相對(duì)較遠(yuǎn)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(dòng)墊片止動(dòng)銷軸端擋圈螺釘螺釘軸端擋圈裝配演示止動(dòng)銷止動(dòng)墊片注意：

1）軸肩、軸環(huán)定位時(shí)，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(zhǎng)度比輪轂寬度略短2～3mm。２．周向定位和固定傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)（１）鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接（２）銷聯(lián)接、型面聯(lián)接（３）過盈配合聯(lián)接、緊定螺釘聯(lián)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(yīng)留有砂輪越程槽；需切削螺紋軸段，應(yīng)留有退刀槽（圖10-12）4.為便于加工和檢測(cè)，軸的直徑應(yīng)取整數(shù)值；與滾動(dòng)軸承相配合軸頸及有螺紋的軸段直徑應(yīng)符合軸承、螺紋標(biāo)準(zhǔn)直徑5.為了便于裝配，軸端應(yīng)加工出450倒角6.過盈配合零件的裝入端加工出導(dǎo)向錐面四、減少應(yīng)力集中，改善軸的受力情況由軸的分類和應(yīng)力狀態(tài)的分析看到，大多數(shù)軸受變應(yīng)力作用，故提高軸的疲勞強(qiáng)度尤為重要。而影響疲勞強(qiáng)度主要因素有應(yīng)力集中、表面質(zhì)量等。1.減少應(yīng)力集中2.改善軸的表面質(zhì)量不合理結(jié)構(gòu)F合理結(jié)構(gòu)F3.改善軸的受力狀況減小應(yīng)力集中實(shí)例：

ZQ350齒輪箱的高速軸在聯(lián)軸器與軸承過渡圓角角處往往被剪斷。這是因?yàn)槁?lián)軸器的軸段到軸承直徑處的過渡圓角半徑r太小，應(yīng)力集中太大所致。改善軸的表面質(zhì)量實(shí)例一：

常州戚墅堰機(jī)車廠生產(chǎn)的曲軸，圓角半徑處應(yīng)力集中過大，一直沒有過關(guān)，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(zhì)量實(shí)例二：

1974年東風(fēng)船廠6E350柴油機(jī)減速箱的一根主軸，在試車過程中連續(xù)斷掉兩根，經(jīng)理論驗(yàn)算強(qiáng)度和剛度，是足夠的。但為什么會(huì)斷呢?經(jīng)分析后，查明原因有兩點(diǎn)：(1)柴油機(jī)振動(dòng)對(duì)軸的破壞影響估計(jì)不足；(2)軸表面粗糙度未達(dá)到圖紙要求。改進(jìn)后經(jīng)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(zhì)量實(shí)例三：

提高軸的疲勞強(qiáng)度問題。某校教師在重慶民生船廠發(fā)現(xiàn)，制成試驗(yàn)用的增速器，經(jīng)核算其中軸的安全系數(shù)為0.8。他們建議把軸從原來的調(diào)質(zhì)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(shù)。見表10-2上式所求d作為軸的最小直徑進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，若該處有一個(gè)鍵槽，d增大5%，有兩個(gè)鍵槽，d增大10%。一、按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算這種方法視軸只受轉(zhuǎn)矩，根據(jù)轉(zhuǎn)矩大小估算d，并用降低許用扭剪應(yīng)力的方法來考慮彎矩的影響?！?0-3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算—扭剪應(yīng)力MPa—許用扭剪應(yīng)力MPa

—抗扭截面系數(shù)mm3

—轉(zhuǎn)矩N.mm—傳遞的功率KW—轉(zhuǎn)速r/min—軸的直徑mm二、按經(jīng)驗(yàn)公式估算

對(duì)于一般減速裝置中的軸，也可用經(jīng)驗(yàn)公式估算軸的最小軸徑。

對(duì)于高速級(jí)輸入軸d=(0.8～1.2)D

D——與高速級(jí)軸相聯(lián)的電動(dòng)機(jī)軸徑

對(duì)于各級(jí)低速軸d=(0.3～0.4)a

a——同級(jí)齒輪中心距三、按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算在初估軸徑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，即可確定軸上載荷大小、方向、作用點(diǎn)和軸的支承點(diǎn)位置。從而可求出支承反力，畫出彎矩圖和扭矩圖，這時(shí)就可按彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算軸的直徑（多用來對(duì)已設(shè)計(jì)好的軸進(jìn)行強(qiáng)度校核）。由彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖可初步判斷軸的危險(xiǎn)剖面。對(duì)于一般的鋼制軸，可用第三強(qiáng)度理論求出危險(xiǎn)剖面的當(dāng)量應(yīng)力

e，其強(qiáng)度條件為：

e—當(dāng)量應(yīng)力MPa

b—彎曲應(yīng)力MPaM—危險(xiǎn)截面上的合成彎矩N.mmW—危險(xiǎn)截面上的抗彎截面系數(shù)mm3對(duì)于一般轉(zhuǎn)軸，

b為對(duì)稱循環(huán)，而

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

[

-1]b—對(duì)稱循環(huán)下許用彎曲應(yīng)力設(shè)計(jì)式：對(duì)于一般用途的軸，按上述方法計(jì)算已足夠精確。對(duì)重要的軸，還要考慮影響軸疲勞強(qiáng)度的一些因素而作精確驗(yàn)算。其內(nèi)容可參閱有關(guān)書籍。設(shè)計(jì)注意：1）找危險(xiǎn)截面：Me較大或d較小處

2）強(qiáng)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(jì)算概念軸受載后會(huì)產(chǎn)生彈性變形，機(jī)械中若軸的剛度不夠，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機(jī)性能，所以軸必須有足夠的剛度。對(duì)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：分別為許用撓度、許用偏轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角，其值見有關(guān)參考書。五、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(2)初步確定軸最細(xì)部分的直徑(3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(4)軸的強(qiáng)度校核當(dāng)校核不合格時(shí)，還要改變危險(xiǎn)截面尺寸，進(jìn)而修改軸的結(jié)構(gòu)，直至校核合格為止。因此，軸的設(shè)計(jì)過程是反復(fù)、交叉進(jìn)行的。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例單級(jí)減速器輸出軸的結(jié)構(gòu)及軸上零件的布置軸的裝配右軸承右端面到聯(lián)軸器左端面的距離取為習(xí)題1：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求是什么？答：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要是：1)軸及軸上零件應(yīng)有確定的位置和可靠固定；2)軸上零件應(yīng)便于安裝，折卸和調(diào)整；3)軸應(yīng)具有良好的加工工藝性；4)力求受力合理，有利提高疲勞強(qiáng)度和剛度。解答：1)軸肩過高擋住了內(nèi)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(yīng)與輪轂槽底面有間隙，且輪轂槽應(yīng)開通，軸上鍵槽處應(yīng)有局部剖視；4)軸承不便于安裝，此處應(yīng)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(zhǎng)，且兩鍵不在同一方位，不便于加工；7)軸端過長(zhǎng)，輪轂無法進(jìn)行軸向固定。習(xí)題2：指出圖中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，在錯(cuò)誤處標(biāo)出序號(hào)，并按序號(hào)一一說明理由。習(xí)題3：試指出圖中結(jié)構(gòu)不合理的地方。

鍵聯(lián)接是一種將軸和軸上轉(zhuǎn)動(dòng)零件聯(lián)接起來的可拆聯(lián)接，主要用于軸和輪轂間的周向固定并傳遞轉(zhuǎn)矩。有些類型的鍵還能實(shí)現(xiàn)軸向固定或軸向動(dòng)聯(lián)接。

松聯(lián)接：平鍵聯(lián)接和半圓鍵聯(lián)接。鍵聯(lián)接緊聯(lián)接：楔鍵聯(lián)接和切向鍵聯(lián)接。花鍵聯(lián)接§10-4

軸轂聯(lián)接一、鍵聯(lián)接的類型、特點(diǎn)和應(yīng)用1.平鍵聯(lián)接兩側(cè)面是工作面，鍵的上表面和輪轂槽底之間留有間隙，是靠?jī)蓚?cè)面的擠壓傳遞轉(zhuǎn)矩。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝拆方便、加工容易，對(duì)中良好，應(yīng)用廣泛，但不能實(shí)現(xiàn)軸向固定的特點(diǎn)。平鍵聯(lián)接按用途分為三類：普通平鍵、導(dǎo)向平鍵、滑鍵。（1）普通平鍵

用于靜聯(lián)接，即軸與輪轂間無相對(duì)滑動(dòng)。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(dǎo)向平鍵和滑鍵聯(lián)接當(dāng)輪轂在軸上需沿軸向移動(dòng)而構(gòu)成動(dòng)聯(lián)接時(shí)，可采用導(dǎo)向平鍵或滑鍵。導(dǎo)向平鍵較長(zhǎng)，用螺釘將鍵固定在軸槽中，輪轂沿鍵作軸向移動(dòng)(見圖l0-22a)，為裝拆方便，制有起鍵螺釘。若移動(dòng)距離較大時(shí)，可用滑鍵。它和輪轂相聯(lián)，沿軸上鍵槽移動(dòng)(圖10-22b）。兩側(cè)面為工作面，對(duì)中良好，用于靜聯(lián)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(dòng)，尤其適用錐形軸端與輪轂的聯(lián)接，但軸槽較深，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱大，只用于輕載。2.半圓鍵聯(lián)接楔鍵的上、下表面為工作面，靠擠壓產(chǎn)生的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，安裝時(shí)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(shí)，使軸和輪轂產(chǎn)生偏心，故用于定心精度不高，載荷平穩(wěn)和低速場(chǎng)合。3.楔鍵聯(lián)接楔鍵的安裝普通楔鍵鉤頭楔鍵4.切向鍵聯(lián)接切向鍵由一對(duì)普通楔鍵組成，裝配時(shí)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(zhuǎn)矩。若軸正、反轉(zhuǎn)工作時(shí)，需采用兩個(gè)互成120０～130０的切向鍵。切向鍵聯(lián)接傳遞轉(zhuǎn)矩大，但對(duì)中性差，對(duì)軸的削弱較大，常用于軸徑大于100mm且對(duì)中性要求不高的重型機(jī)械中。二、平鍵聯(lián)接的選擇與強(qiáng)度校核1.平鍵聯(lián)接的選擇是標(biāo)準(zhǔn)件，直接從手冊(cè)中選取（1）按軸徑選鍵的截面尺寸bh（2）按輪轂長(zhǎng)度B選鍵長(zhǎng)，使L=B-（5～10）mm，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2.平鍵聯(lián)接的失效形式壓潰、剪斷（很少出現(xiàn)）、磨損（動(dòng)聯(lián)接）3.平鍵聯(lián)接的校核計(jì)算一般校核擠壓強(qiáng)度或耐磨性計(jì)算（限制壓強(qiáng)）擠壓強(qiáng)度條件耐磨性校核—鍵的工作長(zhǎng)度。A型，C型若強(qiáng)度不夠,可用兩個(gè)普通平鍵相隔180°布置（為使軸與輪轂對(duì)中良好），強(qiáng)度計(jì)算按1.5個(gè)鍵計(jì)算（由于載荷分布不均）。規(guī)格用N×d×D×B分別表示鍵數(shù)，小徑、大徑、鍵齒寬。根據(jù)鍵數(shù)和尺寸不同分輕、中、重系列，重系列的鍵數(shù)多，