机械设计基础第十一章

第十一章轴及轴毂联接§11.1轴的类型及常用材料§11.2轴的结构设计§11.3轴毂联接§11.1概述机器上所安装的旋转零件，例如带轮、齿轮、联轴器和离合器等都必须用轴来支承，才能正常工作，因此轴是机械中不可缺少的重要零件。本章将讨论轴的类型、轴的材料和轮毂联接，重点是轴的设计问题，其包括轴的结构设计和强度计算。结构设计是合理确定轴的形状和尺寸，它除应考虑轴的强度和刚度外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多因素。一、轴的分类按轴受的载荷和功用可分为：1.心轴：只承受弯矩不承受扭矩的轴，主要用于支承回转零件。如.车辆轴和滑轮轴。（如自行车轴）2.传动轴：只承受扭矩不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴,主要用于传递转矩。如汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。3.转轴：同时承受弯矩和扭矩的轴，既支承零件又传递转矩。如减速器轴。减速器减速器轴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。曲轴和挠性钢丝轴属于专用零件。直轴按外形不同又可分为光轴和阶梯轴。曲轴光轴挠性软轴阶梯轴直轴形状简单，应力集中少，易加工，但轴上零件不易装配和定位，常用于心轴和传动轴。阶梯轴各轴段截面的直径不同，这种设计使各轴段的强度相近，而且便于轴上零件的装拆和固定。曲轴是往复式机械中的专用零件由几层紧贴在一起的钢丝绳构成，可以把旋转运动和转矩灵活的转到任何位置。能用于受连续振动的场合，具有缓和冲击的作用。二、轴的常用材料轴主要承受弯矩和扭矩。轴的失效形式是疲劳断裂，应具有足够的强度、韧性和耐磨性。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。轴的常用材料如下：1.碳素钢优质碳素钢具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，价格便宜，应用广泛。一般轴采用45钢，经过调质或正火处理；有耐磨性要求的轴段，应进行表面淬火及低温回火处理。轻载或不重要的轴，使用普通碳素钢Q235、Q275等。2.合金钢合金钢具有较高的机械性能，对应力集中比较敏感，淬火性较好，热处理变形小，价格较贵。多使用于要求重量轻和轴颈耐磨性的轴。例如：滑动轴承的高速轴，采用20Cr、20CrMnTi等。3.球墨铸铁球墨铸铁吸振性和耐磨性好，对应力集中敏感低，价格低廉，使用铸造制成外形复杂的轴。例如：内燃机中的曲轴。§11.2轴的结构设计一、轴的设计要求和一般设计步骤1、轴的设计基本要求（1）满足工作能力的要求一般的轴都应具有足够的疲劳强度。对于某些特殊用途的轴，如机床主轴，工作时不允许有过大的变形，还应满足刚度的要求。高速轴还应满足振动稳定性的要求。（2）满足结构的要求轴应具有合理的结构形状和尺寸，并具有良好的加工工艺性。不同机械对轴的设计有不同要求。对于一般机器的轴，则主要应满足强度核结构的要求。2、轴的一般设计步骤轴的设计一般应解决轴的结构和承载能力两方面的问题。具体的说，轴的设计步骤有：（1）按工作要求选择轴的材料和热处理方法；（2）初步估算轴的基本直径；（3）进行轴的结构设计，确定轴的各段直径和长度等结构尺寸；（4）进行必要的强度校核（强度、刚度、振动等）；（5）绘制轴的零件工作图。二、轴的结构设计如图所示，轴上与轴承配合的部分称为轴颈，与传动零件配合的部分称为轴头，连接轴颈与轴头的非配合部份称为轴身，起定位作用的阶梯轴上截面变化的部分称为轴肩。（一）初步估算轴的的直径开始设计轴时，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(后结构设计强度校核)。对于圆截面的实心轴，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:][2.01055.936dnPWTpnPAnPd363][1055.95计算轴的直径时，上式可以写成下式：式中P——轴传递的功率KWn——轴的转速r/minT——扭矩N·mmτ、[τ]——分别为扭转剪应力和许用扭转剪应力，单位为MPaWT——轴抗扭截面系数mmA——由轴的材料和承载情况确定的常数，参见教材表11—1。3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。当轴颈d≤100mm时，如轴上有一个键槽，可将值增大4%左右，如有两个键槽可增大7左右。（二）轴的结构设计的基本要求1、影响轴的结构和形状的几个因素：（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。2、轴的结构设计的基本要求①轴和轴上零件必须定位准确，固定可靠；②轴上的零件应便于装拆和调整；③轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性；④轴的受力合理，结构尽可能减少应力集中、有利于节约材料和减轻重量。（三）轴结构设计的基本方法1.轴和轴上零件的轴向定位及固定为保证轴正常工作，轴在机器中的位置应固定，零件在轴上应定位准确、固定可靠、轴在机器中的位置是靠固定轴承的位置得到的。零件在轴上的固定方法很多。（1）零件在轴上的轴向固定零件在轴上的轴向定位方法主要有：轴肩定位、套筒定位、圆螺母定位、轴端挡圈定位和轴承端盖定位等。1)轴肩和轴环：如教材图11-10所示。轴肩定位是最方便可靠的定位方法，但采用轴肩定位会使轴的直径加大，而且轴肩处由于轴径的突变而产生应力集中。因此，多用于轴向力较大的场合。要求r轴R孔或r轴C孔要求r轴R孔或r轴C孔错误正确定位轴肩：r轴R孔或r轴C孔轴肩或轴环的高度h必须大于R孔或C孔轴肩高度滚动轴承内圈高度H≈（0.07d＋3）～（0.1d＋5）mm轴环宽度b≈l.4h非定位轴肩：h=1.5-2mm,r=(D-d)/2错误正确要求轴肩高度滚动轴承内圈高度2）套筒在轴的中部，当两个零件间距离较小时，常采用套筒作相对固定（图11-11).使用套筒能使结构简单，定位可靠，轴上不需开槽﹑钻孔和切制螺纹。3）轴用圆螺母圆螺母用于轴上两零件距离较大，需要在轴上切制螺纹，对轴的强度影响较大。4）挡圈当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴L毂。当用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴L毂。错误正确正确①②③④IIIIIIIIIIII12①②③④IIIIIIIIIIII12弹性挡圈锁紧挡圈、紧定螺钉或销5）圆锥轴头轴端挡圈与轴肩、圆锥面与轴端挡圈联合使用，常用于轴端起到双向固定。装拆方便，多用于承受剧烈振动和冲击的场合。（2）零件在轴上的周向定位轴上零件的周向固定是为了防止零件与轴发生相对转动。常用的固定方式有：（1）键联接（2）过盈配合联接（3）销联接(4)弹性环联接1）键2）花键3）紧定螺钉、销4）过盈配合2、便于轴上零件的装拆和调整为了便于轴上零件的装拆，一般将轴做成阶梯轴。轴上零件的装配方向、顺序和相互关系不同，轴的结构形式不同。3、各轴段直径和长度的计算4、轴的结构工艺性轴的结构应便于加工与装配。形状力求简单，阶梯轴的级数尽可能少，而且各段直径不易相差太大。（1）对于需要磨削的轴段，应留有砂轮越程槽，（图11-17），对于需要切削螺纹的轴段，应有退刀槽。（图11-18）砂轮越程槽通常宽（2-4）mm，深（0.5-1）mm；螺纹退刀槽与螺纹牙高度有关，槽的尺寸可参看有关手册。（2）为便于加工，在同一轴上直径相差不大的轴段上的键槽，应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸，并应布置在同一加工直线上。（3）为便于零件在轴上的装配，轴端和各轴段端部都应有45°的倒角。(或30°、60°）过盈配合部分的零件装入端异常加工出半锥为10°（或30°）的导向锥面（图11-19）对于受变载荷的重要零件，则应加工出圆角。（4）同一轴上的圆角半径和退刀槽宽度尽量统一，以减少加工时使用刀具的规格和换刀次数。5、提高轴强度的结构措施轴大多在变应力下工作，结构设计时应减少应力集中，以提高轴的疲劳强度，这一点尤为重要。（1）改进轴的结构，减小应力集中（2）改善轴的受力情况，提高轴的疲劳强度（3）合理布置轴上传动零件（4）改善轴的表面质量§12.3轴毂联接轴与轴上的零件周向固定形成的联接称为轴毂联接。键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。轴毂联接的主要形式为键联接。一、键联接（一）平键联接平键的上表面与轮毂键槽顶面留有间隙，依靠键与键槽间的两侧面挤压力F，传递转矩T。所以两侧面为工作面。制造容易、装拆方便、定心良好，用于传动精度要求较高的场合。根据用途可将其分为如下三种:普通平键导向平键滑键详细说明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。1、普通平键用于静联接，其联接轴和轴毂的同心度高，多用于传动精度要求较高的情况。但他只能用于轴上零件的周向固定，而不能做轴向固定，更不能承受轴向力。2、导向平键与滑键导向平键联接当零件需要作轴向移动时，可采用导向平键联接。导向平键较普通平键长，为防止键体在轴中松动，用两个螺钉将其固定在轴上，其中部制有起键螺钉。滑键联接滑键与轴上的零件固定为一体，工作时二者一起沿长长的轴槽滑动，适应于轴上零件移动距离较大的场合。轴键键槽公称直径d公称尺寸b*h公称尺寸b宽度b宽度半径r较松键联接一般键联接较紧键联接轴t毂t1轴H9毂D10轴N9毂JS9轴和毂P9公称尺寸极限偏差公称尺寸极限偏差最小最大自6-82*22+0.0250+0.060+0.020-0.004-0.029+0.0125-0.0125-0.006-0.0311.2+0.101+0.100.080.168-103*331.81.410-124*44+0.0300+0.078+0.0300-0.030+0.016-0.016-0.012-0.0422.51.812-175*553.02.30.160.2517-226*663.52.822-308*78+0.0360+0.098+0.0400-0.036+0.018-0.018-0.015-0.0514.0+0.203.3+0.200.250.4030-3810*8105.03.338-4412*812+0.0430+0.120+0.0500-0.043+0.0215-0.0215-0.018-0.0615.03.344-5014*9145.53.850-5816*10166.04.358-6518*11187.04.465-7520*1220+0.0520+0.140+0.0650-0.052+0.026-0.026-0.022-0.0747.54.975-8522*14229.05.40.400.60平键联接的标准、尺寸和公差注：1、表中的基本尺寸系原标准中的公称尺寸。2、（d-t）和（d+t）两组组合尺寸的偏差按相应的t和t1偏差选取，但（d-t）偏差应取负号；3、键的长度系列：6、8、10、12、14、15、18、20、22、25、28、32、36、40、45、51、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、320、360mm。4、普通平键标记示例：平头普通平键（B型）b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键B18×100GB1096-79。A型的A可省去不写。（二）半圆键联接键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端渔轮故的联接。详细说明楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽