第11章轴及其连接

第11章目录第11章轴及其连接轴的分类和材料1轴的结构设计2轴的强度计算3轴毂联接4常用联轴器和离合器5第一节轴是机器中的重要零件之一，其主要功用是支承旋转零件，并传递运动和动力。11.1.1轴的分类根据承载情况不同，轴可分为心轴、转轴和传动轴三类。(1)心轴工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。自行车前轮轴固定心轴火车车轮轴转动心轴(1)心轴工作时只承受弯矩而不传递转矩的轴。(2)转轴工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的轴。减速器中的轴齿轮轴(2)转轴工作时既承受弯矩又传递转矩的轴，是机器中最常见的轴。减速器中的轴齿轮轴(3)传动轴工作时传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。汽车变速箱与后桥之间的传动轴传动轴根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。直轴阶梯轴光轴根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。曲轴根据轴线形状不同，轴又可分为直轴、曲轴和钢丝软轴。钢丝软轴11.1.2轴的材料轴工作时产生的应力多是循环变应力，所以轴的损坏常为疲劳破坏，因此轴的材料应具有足够高的强度和韧性，对应力集中敏感性小和良好的工艺性，有的轴还有耐磨性的要求等。碳素钢35、40、45、50钢等，其中45钢最常用，一般要经正火、调质或表面淬火热处理。合金钢20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、38SiMnMo等。采用合金钢必须进行相应的热处理。球墨铸铁或可锻铸铁QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。第二节轴的结构设计就是确定轴的合理形状和尺寸。影响轴的结构的因素有很多，如轴上零件的布局及其在轴上的固定方法；轴上载荷的大小及其分布情况；轴承的类型、尺寸和布置情况；轴的加工和装配工艺性等。因此，轴的结构没有标准形式。设计时，必须针对不同的情况确定轴的结构。轴的结构设计要求轴和轴上零件要有确定的轴向工作位置及恰当的周向固定。轴上零件要易于装拆和调整。轴应具有良好的制造工艺性。轴受力合理，有利于提高轴的强度和刚度。轴的形状及尺寸有利于减小应力集中等。轴的组成轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成。轴颈轴头轴身轴上零件的装配齿轮套筒左端轴承左端轴承端盖左端轴承端盖右端轴承链轮轴端挡圈11.2.1轴上零件的固定为了保证轴上零件能正常工作，其轴向和周向都必须固定。1.轴向定位与固定为了保证零件在轴上有确定的轴向位置，防止零件轴向窜动并能传递轴向力，轴上零件必须轴向定位与固定。常用的定位方法有轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈、锁紧挡圈、圆锥面、弹性挡圈和紧定螺钉等。零件的轴向定位举例rhDdbRhDdC1轴肩r轴环2.周向固定为了防止轴上零件与轴之间的相对转动，可靠地传递运动和转矩，必须进行零件的周向固定。周向固定的方法很多，常用的有键连接、花键连接、型面连接、销连接、过盈连接等。在运动精度要求较高的场合(如有运动协调性要求等)，周向定位要求精确并可调整，周向定位比轴向定位更重要。第三节轴的工作能力主要取决与强度和刚度。轴的强度不够，会出现断裂或因过大的塑性变形而失效。轴的刚度不够时，会产生度过大的弯曲变形和扭转变形，影响机器的正常工作。高速轴还应考虑其振动稳定性。11.3.1按扭转强度条件计算这种方法是只按轴所承受的扭矩来计算轴的强度。若轴上还承受着不大的弯矩，则采用降低许用应力的方法来考虑弯矩的影响。在做轴的结构设计时，通常按扭转强度条件初步估算轴受扭段的最小直径。对于不重要的轴，也可以作为最后计算结果。由材料力学可知，轴受扭矩时的强度条件为3TT3T955010[]0.2TPWdn得到333T9550100.2[]Pdn当轴的材料选定后，[T]已知，可将上式简化为3PdCn按上式计算出的轴径，一般作为轴上承受扭矩段的最小直径。轴上若有键槽，将削弱轴的强度，因此应适当加大轴径。一般当有一个键槽时，轴径增加4%~5%；有两个键槽时，增加7%~10%。计算得到的直径应圆整为标准直径。11.3.2按弯扭合成强度条件计算轴的各部分尺寸和结构确定后，必要时可按工程力学中第三强度理论进行校核。主要步骤1)绘出轴的计算简图(受力图)。2)绘出轴的水平面弯矩MH图。3)绘出轴的垂直面弯矩Mv图。22HVMMM4)计算出合成弯矩，绘出合成弯矩图。5)计算当量弯矩Me，绘出当量弯矩图。22e()MMT为折算系数，对称变化扭矩1；脉动变化扭矩0.6；不变扭矩0.3。7)计算轴的直径。在当量弯矩Me作用下，求出危险截面的当量应力e，强度条件为于是e31b0.1[]Md若轴的截面有键槽，应适当加大轴径。当校核计算出的轴径比初估并经过结构化所得轴径稍小，表明原定轴径安全，否则，应按校核计算所得轴径作适当修改。eee1b3[]0.1MMWd11.3.3轴的刚度计算轴在载荷作用下会发生弯曲和扭转变形，严重时将影响到轴和轴上零件的正常工作。因此，在设计重要的轴时，需对轴的刚度进行校核。轴的刚度分为扭转刚度和弯曲刚度。弯曲刚度用轴的挠度y或偏转角度量；扭转刚度用扭转角度量。设计准则分别为y[y]或[]或[]y或以及可根据力学中的有关方法计算，[y]、[]和[]的具体数值可从机械设计手册中查得。第四节轴与轴上零件的连接称为轴毂连接，其功能主要是使轴上零件与轴周向固定以传递转矩。常用的轴毂连接有键连接、花键连接、过盈连接、销连接、螺钉连接和型面连接等。11.4.1键连接1.键连接的类型键连接是应用最多的轴毂连接方式，有多种类型，均有国家标准。2.平键连接的计算设计平键连接时，首先根据工作条件确定键的类型，再由轴径d从标准中查得键的截面尺寸—键宽b和键高h，然后按轮毂宽度B确定键长L。轮毂宽度B一般可取为(1.5~2)d，键长LB(5~10)mm。导向平键的键长按轮毂长度及滑动距离而定。键长L必须符合国家标准中规定的长度系列。khTb平键连接工作时键及键槽的工作面受挤压，键又受剪切。普通平键的主要失效形式是工作面被压溃，个别情况也会出现键被剪断；导向平键连接主要失效形式是工作面过度磨损。平键连接常按工作面上的挤压应力或压强进行校核计算。pA型B型设压力在工作面上均匀分布，普通平键连接的挤压应力p、导向平键连接的压强p应分别满足的条件为A型B型pp2000[]FTkldkl2000[]TppdklkhTbp第五节联轴器和离合器都是机械中的常用部件，主要用于将两固定轴轴向连接并传递运动和转矩。联轴器所连接的两轴，只能在机器停车后经过装拆才能彼此接合或分开；而离合器可根据需要在机器运转过程中使两轴接合或分离。两轴轴线的相对位移x轴向位移y径向位移y综合位移偏角位移1.刚性联轴器刚性联轴器由刚性连接元件组成，元件之间不能相对运动，不能补偿两轴间的相对位移，不能缓冲吸振，用于被连接的两轴能严格对中，并在工作时不发生相对位移的场合。(1)套筒联轴器用键连接用销连接特点结构简单，制造简单，径向尺寸小，成本较低。被连接的两轴必须严格同心，不能缓冲和吸振，装拆时需作轴向位移，有时不太方便。通常用于传递较小转矩的场合。(2)凸缘联轴器特点结构简单，制造成本低，工作可靠，能传递较大的转矩。被连接的两轴必须严格对中，不能缓冲和吸振，一般用于转矩较大，两轴能很好对中以及冲击较小的场合。2.挠性联轴器在不能避免两轴相对位移的情况下，应采用挠性联轴器来补偿被连接两轴的位移和偏斜。挠性联轴器可分为无弹性元件挠性联轴器和有弹性元件挠性联轴器两类。挠性联轴器补偿两轴偏移的方法依靠连接元件间的相对可移性使两个半联轴器发生相对运动，从而补偿被连接两轴安装时的对中误差以及工作时的相对位移。在联轴器中安置弹性元件，弹性元件受载时产生弹性变形，从而使两半联轴器发生相对运动。(1)无弹性元件联轴器1)滑块联轴器十字滑块联轴器特点结构简单，径向尺寸小，但工作面易磨损，适用于低速和冲击较小的场合。2)齿轮联轴器特点具有良好的补偿两轴偏移的能力，能传递很大的转矩，工作安全可靠，安装精度要求不高，有良好的补偿轴间相对位移的能力。但结构复杂、自重大、成本较高，在重型机械中应用广泛。3)万向联轴器特点结构紧凑，工作可靠，维护方便，能连接交角较大的相交轴或距离较大的两平行轴，应用广泛。(2)有弹性元件的挠性联轴器这类挠性联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴的线位移和角位移，而且具有缓冲和吸振能力，适用于受变载荷、频繁起动、经常正反转以及两轴不便于严格对中的场合。1)弹性套柱销联轴器特点结构简单，更换方便，易于制造，能补偿两轴轴线间的相对位移和偏斜。适用于连接载荷平稳、经常正反转或起动频繁、传递中小转矩的轴。2)弹性柱销联轴器特点传递转矩的能力较大，结构简单，安装制造方便，耐久性好，适用于轴向窜动量较大，正反转变化较多和起动频繁的场合。3.联轴器的选择(1)联轴器的类型选择联轴器多已标准化和系列化。对于已标准化的联轴器，可先根据机械的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等选择合适类型。一般来说，对载荷平稳、低速、刚性大，同轴度好，无相对位移的轴选用刚性联轴器；对刚性小，有相对位移的轴宜选用挠性联轴器，以补偿其安装误差。如当两轴径向位移大时选用滑块联轴器；而当两轴角位移较大或相交两轴的连接可选用万向联轴器。大功率的重载传动可选用齿轮联轴器；对高速、有冲击、振动和对中较差的轴应选用弹性联轴器。(2)联轴器型号的确定确定联轴器的类型后，可根据传递的转矩、转速、轴的结构形式和尺寸等要求，确定联轴器型号和结构尺寸，并保证所选型号的许用转矩Tn不小于其计算转矩Tc。TcKATTn11.5.2常用离合器离合器的类型很多，按其结合元件工作原理，可分为嵌合式和摩擦式两类。嵌合式离合器特点结构简单，传递的转矩大，能保证被连接的两轴同步运转，尺寸紧凑；接合时有刚性冲击，只宜在停车或转速差很小时离合。摩擦式离合器特点接合平稳，过载时可自行打滑，能在任何不同的转速下离合，但主、从动轴不能严格同步，接合时产生摩擦热，摩擦元件易磨损。按离合方法的不同，离合器又可分为操纵离合器和自动离合器。1.牙嵌离合器其牙型有矩形、梯形、锯齿形和三角形。梯形牙应用较广。特点外廓尺寸小，结构简单，连接后不会发生相对滑动，也不产生摩擦热，因此特别适用于不允许有温升的高精度机床和类似机械中，只宜在两轴不转动或转差很小时进行接合，否则牙齿可能因受撞击而折断。2.圆盘摩擦式离合器特点单圆盘摩擦离合器结构简单，分离彻底，散热性好，但传递的转矩较小。多圆盘摩擦离合器能传递较大的转矩，径向尺寸较小，但中间摩擦片冷却比较困难。多圆盘摩擦离合器单圆盘摩擦离合器多圆盘摩擦离合器单圆盘摩擦离合器2.圆盘摩擦式离合器特点单圆盘摩擦离合器结构简单，分离彻底，散热性好，但传递的转矩较小。多圆盘摩擦离合器能传递较大的转矩，径向尺寸较小，但中间摩擦片冷却比较困难。摩擦离合器工作过程3.超越离合器具有利用主、从动部分的旋转方向或转速大小的变化而自行离合功能的离合器。特点结构紧凑，接合及分离平稳，可以高速下工作，但对制造精度要求较高。