莱职院机械设计基础教案第13章 轴和轴毂联接

第20页共20页第13章轴和轴毂联接（一）教学要求掌握轴结构设计特点，及轴的强度计算方法，了解轴的疲劳强度计算和振动（二）教学的重点与难点轴的弯扭合成法强度计算方法（三）教学内容挂图、模型、轴实物（四）教学内容16.1.1概述

16.1.2轴的结构设计

16.1.3轴的强度计算

16.1.4轴的材料及选择

16.1.5轴的设计

16.1.6轴毂联接

传动零件必须被支承起来才能进行工作，支承传动件的零件称为轴。轴本身又必须被支承起来，轴上被支承的部分称为轴颈，支承轴颈的支座称为轴承。

轮毂与轴之间的联接称为轴毂联接，常用的有键联接和花键联接，还有销联接、过盈配合联接等，这些联接均属于可拆联接。本章仅讨论阶梯轴的设计计算和键联接。13.1概述

轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功用是支承旋转零件、传递转矩和运动。一、轴的分类（转轴、心轴、传动轴）1.心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴（固定心轴）、铁路机车轮轴（旋转心轴）。自行车的前轮轴铁路机车的轮轴2.传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴。

例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。3.转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。工作时既承受弯矩又承受转矩。减速器轴根据轴线的形状的不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。曲轴挠性钢丝轴13.2轴的结构设计拆装轴上各段的名称

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很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。

对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构设计时的已知条件有：机器的装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺寸等。13.2.1轴的强度、刚度轴的强度与工作应力的大小和性质有关。在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面。1.使轴的形状接近于等强度条件。2.尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中。3.改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。4.改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。13.2.2零件在轴上的固定1.周向固定（键、花键、销和过盈配合等）2.轴向固定（轴肩、轴环、螺母、套筒及轴端挡圈定位等）轴肩定位圆螺母定位弹性挡圈固定止动垫圈固定紧定螺钉固定轴端压板13.2.3轴的加工和装配工艺性思考题13.1试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。13.3轴的强度计算13.3.1轴的扭转强度计算

开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。

设轴在转矩T的作用下，产生剪应力τ。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为：式中：

由上式求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽，可将值增大3%—5%，如有两个键槽可增大7%—10%。13.3.2轴的弯扭合成强度计算

完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷的大小、方向、作用点、载荷种类及支点反力等就已确定，可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。

进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点上。具体的计算步骤如下：1）画出轴的空间力系图。（分解为水平面分力和垂直面分力）2）作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图。3）计算合成弯矩M。4）作出转矩图T。5）计算当量弯矩，绘出当量弯矩图由第三强度理论6）校核危险截面的强度。根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核，公式如上。13.4轴的材料及选择轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：

1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；

2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；

3.轴的材料来源和经济性等。

轴的常用材料是碳钢和合金钢。

碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。

合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。

值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。

低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火，可提高其耐磨性，常用于韧性要求较高或转速较高的轴。

球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。

轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，常用锻造毛坯。轴的常用材料机械性能见表。13.5轴的设计设计轴的一般步骤为：1）选材2）按扭转强度估算轴的最小直径3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图（确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。）4）按弯扭合成进行轴的强度校核。一般选2—3个危险截面进行校核。若危险截面强度不够或强度裕度太大，则必须重新修改轴的结构。例13.1图示为一电动机通过一级直齿圆柱齿轮减速器带动带传动的简图。已知电动机功率为30KW,转速

n=970r/min,减速器效率为0.92，传动比i=4,单向传动，从动齿轮分度圆直径d2=410mm,轮毂长度

105mm,采用深沟球轴承。试设计从动齿轮轴的结构和尺寸。单级齿轮减速器简图解：（1）求输出轴的转速与输出功率。

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

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

（2）选择轴的材料和热处理方法。

轴采用45钢正火处理。查表σb=600MPa。

（3）估算轴的最小直径4)轴的结构设计及绘制结构草图(5)按弯、扭组合作用验算轴的强度（6)键槽设计及其公差(7)确定轴的各处倒角、圆角，公差(8)绘制轴的工作图13.6轴毂联接

常见的轴毂联接有键联接、花键联接等。轴毂联接主要是用来实现轴和轮毂（如齿轮、带轮、蜗轮、凸轮等）之间的周向固定并用来传递运动和转矩。键联接是一种应用很广泛的可拆联接，主要用于轴与轴上零件的周向相对固定，以传递运动或转矩。13.6.1键联接1.平键联接（1）普通平键联接

普通平键联接是平键中最主要的形式。普通平键可分为A型、B型和C型三种。平键的尺寸（2）导向平键联接导键：工作原理：导键引导传动零件；类型：A、B型(由螺钉固定于轴上)；应用：轴向位移较小处。（3）滑键联接滑键：工作原理：导槽引导传动零件和键；类型：如图13.3(由各种方式固定于轮毂上)；应用：轴向位移较大处。2.半圆键联接工作原理：靠侧面受挤压，传递载荷；工作面：两侧面；非工作面：上下表面（起自位作用）；结构加工：键槽由盘形铣刀铣出，键为半圆形；应用：锥形轴端与轮毂的联接两键布置成一条直线松键联接的特点：优点：制作简易，装拆方便，定心性好，用于高精度处缺点：不能实现轴上零件轴向固定。3.斜键联接楔键键联接和切向键(1)楔键工作原理：靠上下面压紧产生承受载荷（联接处的偏压也承受载荷）工作面：上下表面；非工作面：两侧面；结构（加工）：上面由1：100斜面，下面平行轴线；应用：两键时1200布置（合力小，偏心小）。(2)切向键工作原理：挤压力沿轴切向方向产生的力矩承受载荷（也可承受不大的单向轴向力）；结构：两键配合面各有1：100斜度，成对组装，组合后上下表面为工作面；应用：只承受单向转矩；正反转矩都承受，相隔布置两对切向键。斜键联接的特点：优点：简单、方便；缺点：定心精度低，在冲击、振动、变载下易松动。13.6.2花键联接

如果使用一个平键，不能满足轴所传递的扭矩的要求时，可在同一轴毂联接处均匀布置两个或三个平键。而且由于载荷分布不均的影响，在同一轴毂联接处均匀布置2（3）个平键时，只相当