第9章 轴和轴毂联接设计

第9章轴系零部件和连接零件

一、

轴的分类及材料

功用：安装、固定和支承机器中的回转零件，使其具有确定的工作位置，并传递运动和动力。§9-1

轴和轴毂连接1．轴的类型按轴线形状不同：轴可分为直轴和曲轴两大类。直轴：有光轴和阶梯轴之分。

光轴是全轴各处直径相同的轴，工艺性好，易加工，但轴上零件不易定位。阶梯轴的各段直径不同，便于零件的装拆、定位和紧固。直轴一般为实心轴，当有结构要求或为减轻重量时，可制成空心轴。

曲轴：将回转运动转换为直线运动或将直线运动转换为回转运动。§9-1轴和轴毂连接按承受的载荷不同转轴既承受弯矩又承受扭矩心轴仅承受弯矩转动心轴如火车轮轴固定心轴如自行车轴传动轴主要承受扭矩如汽车变速箱至后桥的传动轴如减速器中的轴特殊用途的轴：

由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可把回转运动和转矩灵活地传递到任何位置。钢丝软轴。§9-1

轴和轴毂连接自行车的前轮轴

固定心轴§9-1

轴和轴毂连接铁路机车轮轴

转动心轴§9-1

轴和轴毂连接点击图动画演示汽车中联接变速箱与后桥之间的轴传动轴§9-1

轴和轴毂连接减速器中的轴转轴§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接

为了保证轴的正常工作，轴应具备足够的强度和刚度，同时应具备合理的结构，即应保证轴上零件能正常定位和固定，且便于加工和装配等。①对于一般用途的轴，设计时只考虑强度和结构方面的要求；②对要求有较高旋转精度的轴，还应满足刚度要求；

③高速转动的轴，除上述要求外，还需进行振动稳定性的计算。

轴的设计要求

轴的设计步骤：（1）合理选择轴的材料及热处理方法；（2）按轴的扭转强度估算轴的最小轴径（或用类比方法确定）；（3）确定轴上零件的相对位置及装配方案；（4）进行轴的结构设计；（5）校核轴的强度及其它必要的校核计算；（6）绘制轴的工作图。轴的设计流程：已知条件选轴材料初算轴径结构设计计算弯矩校核计算完善设计修改轴径§9-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接①主要受交变弯曲、扭转或弯曲、扭转应力的复合作用②轴与轴上零件有相对运动时相互间存在摩擦和磨损③轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷④多数轴会承受一定的过载载荷轴的工作条件轴的失效形式①疲劳断裂②过量变形甚至断裂③表面过度磨损对轴材料的性能要求①良好的综合机械性能②高的疲劳强度③对应力集中的敏感性低；④具有良好的工艺性轴的材料常采用碳素钢和合金钢。碳素钢：（1）价廉；（2）对应力集中的敏感性低；（3）可通过热处理改善其综合力学性能。优质碳素结构钢，如35、40、45和50钢，其中45钢尤为常用。受载较小和不重要的轴，可采用普通碳素结构钢，如Q235等。

§9-1

轴和轴毂连接合金钢：强度高，淬火性能好，但对应力集中较敏感，价格贵。应用：（1）大功率；（2）尺寸及重量小场合；（3）轴颈较高耐磨性场合；（4）高温或低温条件下工作的轴。

球墨铸铁或可锻铸铁：具有良好的制造工艺性，而且价廉、吸振性较好，对应力集中敏感性低，故适于制造结构形状复杂的轴，但铸造质量较难控制。

QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等，采用合金钢必须采取相应的热处理点击此处链接轴的常用材料及主要机械性能§9-1

轴和轴毂连接

铸铁的吸振性强，耐磨性好，切削性好，对应力集中敏感性较低，价格便宜。但铸铁的冲击韧性低，工艺过程不易控制，轴的质量不够稳定。（1）合金钢对应力集中较敏感，结构设计时应尽量减少应力集中。选材时注意：（2）一般工作温度下（如低于200°C），碳素钢和合金钢的弹性模量相差不多，因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高轴的刚度。如轴刚度不够，只能增大截面积来解决（3）钢轴的毛坯常用轧制件或锻件。锻件的内部组织均匀，强度较高，故重要的轴宜采用锻件毛坯制造。（4）形状复杂的轴，如凸轮轴、曲轴、空心轴等，有时也可采用铸钢或铸铁制造，经过铸造成型。§9-1

轴和轴毂连接对于转轴，在轴上零件的位置和支点跨距确定之前，尚无法计算弯矩，故只能按扭转强度估算轴的最小直径，并用降低许用扭转剪应力的方法来考虑弯矩的影响。强度条件为：式中：τT、[τT]—扭转剪应力和许用扭转剪应力，MPa；T—转矩，N.mm；WT—抗扭截面模量，WT≈0.2d3，mm3；P—轴传递的功率，kW；n—轴的转速，r/min。二、轴径的估算方法

1、按扭转强度估算轴径§9-1

轴和轴毂连接注：当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时，A取小值；否则A取较大值。§9-1

轴和轴毂连接满足扭转强度条件的轴径估算式为：式中：A为由轴的材料和承载情况确定的常数。轴的材料Q235，20Q275，354540Cr，35SiMn[τT]/MPa12~2020~3030~4040~52A158~134134~117117~106106~97常用材料的[τT

]值和A值

计算出的轴径，一般作为轴的最小处的直径，确定时应注意下列几点：（1）轴上装配标准件处，其轴段直径必须符合标准件的标准直径系列值（如联轴器、滚动轴承等）；（2）应考虑键槽对轴的强度削弱。如该处有一个键槽，则直径的计算值应加大5%，若有两个键槽，则应加大10%；（3）有定位要求的轴段，轴的直径应满足定位要求；（4）非配合轴段的直径，可不取标准值，但一般应取成整数。2、按经验公式估算对于高速级输入轴的最小轴径可按与其相联的电动机轴径D估算，d

＝(0．8～1．2)D；相应各级低速轴的最小直径可按同级齿轮中心距a估算，

d＝(0．3～0．4)a。§7-1

轴和轴毂连接§9-1

轴和轴毂连接轴的各段名称轴的结构图轴颈轴环轴肩轴头轴颈轴身轴头轴颈：轴与轴承配合的部位。轴头：轴与轮毂配合的部位。轴身：轴头与轴颈间的轴段。轴肩：轴径变化处形成的台阶。轴环：起联接和定位作用的环带。9

轴和轴毂连接

根据轴上零件装拆、定位及加工等要求，合理地确定轴的外形结构和全部尺寸。三、轴的结构设计①轴应便于加工，轴上零件要易于装拆(制造、装拆要求)；

②轴上零件要有准确的工作位置(定位)；

③各零件要牢固而可靠地固定(固定)；

④轴的结构便于加工，尽量减少应力集中和提高轴的强度和刚度。

轴的结构应满足下列要求：

§9-1

轴和轴毂连接轴上零件的定位与固定

为了保证轴和轴上零件具有准确而可靠的工作位置，轴上零件和轴本身都应进行准确的定位和可靠的固定。定位：保证轴上零件和轴具有准确的安装位置；固定：保证轴和轴上零件在运转中保持固定的相对位置不变。轴向定位与固定周向定位与固定§9-1

轴和轴毂连接1.轴上零件的轴向固定目的：为了使零件能够在轴线方向定位和承受轴向载荷。①轴肩和轴环

结构简单，方便可靠，可承受较大轴向力，最为常用。§9-1

轴和轴毂连接②套筒

多用于轴上两个零件之间距离不大，或不便于加工出轴肩的地方。应保证套筒与被定位零件可靠接触。注意：l=B－（2～3)mm§9-1

轴和轴毂连接③轴端挡圈

注意：l轴=l毂－（2～3)mm§9-1

轴和轴毂连接④圆锥面

⑤圆螺母

§7-1

轴和轴毂连接⑥弹性挡圈

⑦紧定螺钉与锁紧挡圈

§9-1

轴和轴毂连接2．轴上零件的周向固定目的：使零件能同轴一起转动并传递转矩。

①平键联接②花键联接§9-1

轴和轴毂连接③过盈配合联接④销联接⑧为便于拆卸滚动轴承，轴肩高度一般应小于轴承内圈高度。§9-1

轴和轴毂连接四、轴的结构工艺性①轴的台阶数尽可能少，轴肩高度尽可能小；②合理选择不同轴段的配合性质、加工精度和表面粗糙度；③需要磨削或切制螺纹的轴段应留砂轮越程槽和螺纹退刀槽；④轴端、轴头、轴颈的端部都应有倒角，以便装配和保证安全；⑤轴上的圆角和倒角尺寸一致，以便减少刀具数目和加工时的换刀次数。⑥对过盈配合表面的压入端，加工成导向锥面，以便装配时压入零件。⑦各轴段上键槽尺寸规格应尽可能相同并符合键的标准，同时所有键槽应设置在轴的同一母线上。

§9-1

轴和轴毂连接轴上键槽的布置砂轮越程槽和退刀槽倒角和导向锥面①阶梯轴相邻段的直径不宜相差太大。②轴肩处的过渡圆角应尽可能大。若轴肩处过渡圆角半径受结构限制难以增大，则可改用凹切圆角或过度肩环结构。③结构上应尽量减少应力集中源，轴上开设的孔、槽、切口、凹坑都是应力集中源，应尽量避免。无法避免时，应将孔、槽边缘倒圆。④合理选择键联接。花键联接应力集中低于平键，普通平键中B型键应力集中低于A型键；⑤减小轴与零件过盈联接的应力集中。可采用增大配合处轴径和车制减载槽等措施。①强化轴的表面，如辗压、喷丸、渗碳、渗氮、高频淬火等。②适当降低轴表面的粗糙度值；§9-1

轴和轴毂连接五、提高轴的强度和刚度（1）减小应力集中，提高轴的疲劳强度

（2）提高轴的表面质量

§9-1

轴和轴毂连接（3）改善轴的受力状况①轴上受力较大的零件应尽可能装在靠近轴承处以减小弯矩值。②合理布置轴上传动零件的位置，减小轴的受载。③改进轴上零件结构，减小轴的受载§9-1

轴和轴毂连接四、轴毂联接:轴与回转零件(如齿轮、带轮、联轴器等)的轮毂之间的联接。

功用：

实现轴上零件的周向固定并传递转矩。

键联接、花键联接、销联接、过盈联接、成型联接等。型式：一、键联接1.键联接的类型键是标准件。特点是结构简单，装拆方便，工作可靠。

主要类型有平键、半圆键、楔键、切向键等。§9-1

轴和轴毂连接（1）平键联接。

平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩。使用时不能实现轴向固定。根据用途，平键又可分为：普通平键、导向平键和滑键。普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接；导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接。§7-1

轴和轴毂连接普通平键按其端部结构形状的不同分为：①圆头普通平键(A型)②方头普通平键(B型)③单圆头普通平键(C型)A型B型C型

圆头平键用于指状铣刀加工的轴槽，键在槽中固定良好，但轴上槽引起的应力集中较大；

方头平键用于盘形铣刀加工的轴槽，轴的应力集中较小，多用螺钉固定；半圆头平键常用于轴端。

当轴向移动距离较大时，导向平键的长度过大，制造困难，宜选用滑键。§9-1

轴和轴毂连接导向平键和滑键都应用于轴上零件轴向移动的场合。

导向平键使用时，用螺钉固定在轴上的键槽中，轴上零件沿键作轴向移动。

滑键使用时，通常固定在轮毂上，轴上零件和键一起在轴上的键槽中作轴向移动。导向平键滑键§9-1

轴和轴毂连接（2）半圆键联接在半圆键联接中，轴上的键槽是用尺寸相同的半圆键槽铣刀铣出的，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应轮毂键槽的斜度。半圆键工作时，也是靠键的侧面来传递转矩。半圆键联接工艺性好，装配方便；但轴上槽较深对轴的强度削弱大。一般用于轻载静联接中，适用于锥形轴端的联接。§9-1

轴和轴毂连接（3）楔键联接键的上表面与轮毂键槽的底面各有1:100的斜度，键楔入键槽后具有自锁性，可在轴、轮毂孔和键的接触表面上产生很大的楔紧力，工作时靠摩擦力实现轴上零件的周向固定并传递转矩，同时可实现轴上零件的单向轴向固定，传递单方向的轴向力。楔键联接会使轴上零件与轴的配合产生偏心，故适用于精度要求不高和转速较低的场合。常用的有普通楔键和钩头楔键。§9-1

轴和轴毂连接（4）切向键联接切向键由一对普通楔键组成，装配时将两键楔紧，窄面为工作面，其中与轴槽接触的窄面过轴线，工作压力沿轴的切向作用，能传递很大的转矩。一对切向键只能传递单向转矩，传递双向转矩时，需用两对切向键，互成120°~135°分布。切向键对中性较差，键槽对轴的削弱大，适用于载荷很大，对中性要求不高的场合，如重型及矿山机械。§9-1

轴和轴毂连接2.键联接的组合安装和选择（1）键的组合安装平键与半圆键安装时为松联接，楔键和切向键为紧联接。单键强度不足时可采用措施：a、若结构允许，可适当增加毂宽和键长以提高联接承载能力；b、若结构受限制时，可使用双键组合安装联接。①平键要求双键安装时，通常使两键相隔180°布置；

②半圆键要求双键安装时，通常使两键布置在同一母线上；③楔键要求双键安装时，通常使两键相隔90°～120°布置；④切向键双键安装时，通常使两键相隔120°～135°布置。§9-1

轴和轴毂连接（2）普通平键的选择键一般采用抗拉强度不低于590MPa

的钢材料，常用45钢。

b×h根据轴径d由标准中查得，键的长度参考轮毂的长度确定，一般应略短于轮毂长，并符合标准中规定的尺寸系列。平键的尺寸主要是键的截面尺寸b×h和键长L。（方头平键）§9-1

轴和轴毂连接3．平键联接的强度计算

对于普通平键联接（静联接），其主要失效形式是工作面的压溃，有时也会出现键的剪断，但一般只作联接的挤压强度校核。

对于导向平键联接和滑键联接，其主要失效形式是工作面的过度磨损，通常按工作面上的压力进行条件性的强度校核计算。（圆头平键）（单圆头平键）式中：§9-1

轴和轴毂连接[σp

]、[p]为材料的许用挤压应力与许用压力如果计算结果的强度不够时，可采取的措施：