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1、第十四章 轴和轴毂连接【教学目的要求】1、熟悉轴的类型、材料2、掌握轴的结构设计3、熟悉轴的强度计算，了解刚度计算5、掌握轴毂连接方法【教学重点难点】1、轴的结构设计 2、轴毂连接【授课时数】学时【教学方法】讲授、课件教学、课堂练习【教学内容】概述轴是组成机器的重要零件之一，各种作回转（或摆动）运动的零件（如齿轮、带轮等）都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。一、轴的分类和用途轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。常用的分类方法有两类： 1）根据轴线的形状不同分类；2）根据承受载荷不同分类。、（1）、直轴直轴按外形可以分为光轴和阶梯轴，如图
2、14-5所示。阶梯轴便于轴上零件的拆装和定位。（）、曲轴常用于往复式机械中，例如内燃机、空气压缩机等。可以实现直线运动与旋转运动的转换。如图14-6所示（3）、钢丝软轴（挠性轴）它不受任何空间的限制，可以将扭转或旋转运动灵活地传到任何所需的位置，常用于医疗设备、操纵机构、仪表等机械如图14-7所示、（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，如图142、3所示。（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14-4所示的汽车中连接变速箱与后桥之
3、间的传动轴。二、轴的材料及选择轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。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，其中以45钢使用最广。对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用Q235、Q275等普通碳素钢。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20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40Cr（或用35SiMn、40MnB代替）、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等进行热处理。合金钢比碳素钢机械强度高，热处理性能好。但对应力集中敏感性高，价格也较高
4、。设计时应特别注意从结构上避免和降低应力集中，提高表面质量等。在一般工作温度下，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差不大，故在选择钢的种类和热处理方法时，所依据的主要是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲刚度和扭转刚度等。轴的常用材料见教材P273表.。2轴的结构设计一、轴的结构：轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。如图14-8所示二、轴的结构和形状取决于下面几个因素：（1）轴的毛坯种类：（2）轴上作用力的大小及其分布情况；（3）轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素
5、很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。要求：轴和轴上零件要有准确的工作位置 轴上零件应有可靠的相对固定 轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性等 形状和尺寸应有利于避免应力集中 三、轴的刚度、强度轴的强度与工作应力的大小和性质有关。因此在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面：、 使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。 、 尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。、 改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。 、 改进轴上零件的结构敢可以减小轴上的载荷如图1412所示。四、零件在轴上的固定、轴上零件的轴向定位与固定1）轴肩和轴环（轴中间高两边低轴向尺寸
6、小的环）最常用，轴向传力大。2）套筒轴上相邻零件定位，套筒不宜过长，由于套筒与轴配合较松3）轴用圆螺母传动力大，简单，但有应力集中（细牙），要防松，要求为轴向定位可靠。4）轴端档圈轴端零件的定位，应用较广5）轴承端盖对轴承外圈轴向定位，从而使轴有确定的轴向工作位置6）弹性档圈结构简单，定位方便，但有应力集中，适于轻载7）锁紧档圈、紧定螺钉或销结构简单、但承载能力低，可同时兼作周向定位（仪器、仪表中较常用）8）圆锥面（+档圈、螺母）适于轴端零件定位。兼作周向定位（靠摩擦）、轴上零件的周向固定1）键常用；2）花键承载大，定位精度高，适于动联接；3）紧定螺钉、销同时实现轴向定位，传力不大处；5）过盈
7、配合五、轴的结构工艺性1）轴肩圈角r避免应力集中，查标准（手册）2）轴端倒角C45便于装配、去毛刺。3）砂轮越程槽磨削。4）螺纹退刀槽切制螺纹。5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸（均有标准）。圆角半径r也尽量一致。6）轴端中心孔。3轴的强度计算一、 按轴的扭转强度计算适用：用于只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算；结构设计前按扭矩初估轴的直径d minT转矩，N.mm；P功率，kWn转速，r/mind轴的直径，mmC轴的材料系数，与轴的材料和载荷情况有关。二、按弯扭合成强度计算条件：已知支点、距距，M可求时1、画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面分力，并求
8、出水平面和垂直面上的支反力。2、分别作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图3、计算出合成弯矩，绘出合成弯矩图。4、作出转矩（）图。5、计算当量弯矩，绘出当量弯矩图。 为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数弯矩引起的弯曲应力为对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转剪应力往往为非对称循环变应力三、轴的刚度计算轴的刚度有弯曲刚度和扭转刚度两种，下面分别讨论这两种刚度的计算方法。、 轴的弯曲刚度校核计算应用材料力学的计算公式和方法算出轴的挠度y或转角，并使其满足下式yy、 轴的扭转刚度校核计算应用材料力学的计算公式和方法算出轴每米长的扭转角，并使其满足下式轴的设计通常现场对一般轴的设计方法有类比法和设计计算法
9、两种。、 类比法这种方法是根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出轴的零件图。有类比法设计轴一般不进行强度计算。、 设计计算法用设计计算法设计轴的一般步骤为：（1） 根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。（2） 按扭转强度估算轴的最小直径。（3） 设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。具体内容包括以下几点：1） 根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式：2） 确定各轴段的直径；3） 确定各轴段的长度；4） 根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角、退刀槽等的尺寸。（4） 按弯矩合成进行轴的强度校核。一般在轴上选取2-3个危险截面进行强度校核。（5） 修改轴的结构后再进行校
10、核计算。（6） 绘制轴的零件图。例141 设计图1420所示的钭齿圆柱齿轮减速器的从动轴（轴）。已知传递功率P=8 KW，从动齿轮的转速n=280，分度圆直径d=265，圆周力F=405N齿轮轮毂宽度为，工作时单向运转，轴承采用深沟球轴承。 解(1)选择轴的材料，确定许用应力由已知条件知减速器传递的功率属中小功率，对材料无特殊要求，故选用钢并调质处理。由表查得强度极限,再由表142得许用弯曲应力60MPa.(2)按扭转强度估算轴径考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽存在，故将估算直径加大3%-5%，取为33.6837.91。由设计手册取标准直径d=35(3)设计轴的结构并绘制结构草图见图
11、1421所示(4)按弯扭合成强度校核轴径1）现出轴的受力图（1421b）2)作水平面内的弯矩图（1421c）。支点反力为1030N（计算略）截面处的弯矩为60776Nmm（计算略） 截面处的弯矩为29870Nmm（计算略） 3）作垂直面内的弯矩图（1421d）A、B支反力分别为-73.65N、837.5N 截面左侧弯矩为：-4345Nmm（计算略） 截面处的弯矩为：24287.5Nmm（计算略） 4）作合成弯矩图（图14-21e）5）作转矩图（图14-21f）6）求当量弯矩7）确定危险截面及校核强度8）绘制轴的零件图 略 5轴毂连接常见的轴毂连接有键连接、花键连接等。轴毂连接主要是用来实现轴和
12、轮毂之产的周向固定并用来传递运动和轩矩，有些还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向移动（导向）。一、 键连接键可分为平键、半圆键、楔键和切向键等类型，其中以平健最为常用。键已标准化。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；平键联接不能承受轴向力，因而对轴上的零件不能起到轴向固定作用。常用的平键有：普通平键和导向平键。平键联接具有结构简单、装拆方便、对中良好等优点。（1） 普通平键普通平键主要用于静联接。普通平键按端部形状不同分为A型（圆头）、B型（平头）、C型（半圆头）三种型式。如图14-22所示。采用A、C型平键时，轴上的键槽用键槽铣刀铣出，键在槽中固定良好，但当
13、轴工作时，轴上键槽端部的应力集中较大。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。轮毂上的键槽一般用插刀或拉刀加工。导向平键导向平键用于动联接。按端部形状分A型和B型两种型式，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（例如变速箱中滑移齿轮与轴的动联接）。为了防止键松动，需要用螺钉将键固定在轴上的键槽中。为了便于拆卸，键上制有起键螺孔。2半圆键联接半圆键联接如图14-2所示。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
14、，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楔键联接和切向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。装配时，通常是先将轮毂装好后，在把键放入并打紧，使键楔紧在轴与毂的键槽中。工作时，主要靠键、轴和毂之间的摩擦力传递转矩，同时还可以承受单向的轴向载荷，对轮毂起到单向轴向定位作用。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。楔键分为普通楔键和钩头楔键两种，如图14-27。普通楔键也有A型、B型、C型三种型式。钩头键的钩头供拆卸用，如果安装在外露的轴端时，应注意加装
15、防护罩。切向键联接如图14-28所示。是由一对斜度为1：100的楔键组成。装配时，先将轮毂装好，然后将两楔键从轮毂两端装入键槽并打紧，使键楔紧在轴与毂的键槽中。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。由于切向键的键槽对轴的削弱较大，因而只用于直径大于100mm的轴上。切向键联接能传递很大的扭矩，主要用于对中要求不高的重型机械中。二、花键连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。与平键相类似，在工作时，齿的工作面为齿的侧面，靠工作面的挤压传递扭矩。由于是多齿传递载荷，所以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。花键联接可用于静联接或动联接。按其齿型的不同，可以分为矩形花键和渐开线花键两类。对于花键联接，其定心面的粗糙度要求1.6以上。对于大径为14125mm的矩形花键，GB1144-87规定用小径定心，可以通过磨削消除热处理变形，获得较高的定心精度。渐开线花键的两侧曲线为渐开线，其压力角规定有30和45两种。渐开线花键根部强度较大，应力集中小，承载能力大。这两种花键的规格尺寸都已经标准化，在设计时可以参考相关的标准和规范进行。