机械设计基础(第14章)

第14章轴和轴毂联接重点：阶梯轴的结构设计与强度计算。平键连接的尺寸选择及强度校核。难点：能根据具体条件选择轴的材料、确定轴的形状和尺寸，进行强度计算，即如何进行“三边”设计法来进行轴的设计。如何根据工作条件及要求，适当地选用轴毂连接。14.1概述轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。14.1概述按照承受载荷的不同，轴可分为：除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。转轴─同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。心轴─只承受弯矩的轴，如火车车轮轴。传动轴─只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。按照轴线形状的不同，轴可分为曲轴和直轴两大类。轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。14.2轴的结构设计轴上各段的名称轴端轴头轴颈轴头轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。轴的结构和形状取决于：轴的毛坯种类轴上作用力的大小及分布情况轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的方法轴承的类型、尺寸和位置轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求轴身14.2轴的结构设计14.2.1轴的强度、刚度轴的强度与工作应力的大小和性质有关。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。14.2轴的结构设计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。14.2轴的结构设计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也可以减小轴上的载荷。14.2轴的结构设计14.2轴的结构设计14.2.2零件在轴上的固定周向固定为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴上零件的周向固定必须可靠。常用的周向固定方法有键、花键、销和过盈配合等联接。14.2轴的结构设计轴向固定零件在轴上的轴向定位要准确而可靠，以使其安装位置确定，能承受轴向力而不产生轴向位移轴肩由定位面和内圆角组成14.2轴的结构设计用轴肩或轴环固定零件时，常需采用其他附件来防止零件向另一方向移动。14.2轴的结构设计当轴向力不大而轴上零件间的距离较大时，可采用弹性挡圈固定。14.2轴的结构设计当轴向力很小，转速很低或仅为防止零件偶然沿轴向滑动时，可采用紧定螺钉固定。14.2轴的结构设计14.2.3轴的加工和装配工艺性轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上为使轴便于装配，轴端应有倒角对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面，轴肩高度不能妨碍零件的拆卸14.3轴的强度计算14.3.1轴的扭转强度计算这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。实心轴的直径为：33][2.01055.9][2.063nPCnPTdT][2.01055.936NdPWTT轴的扭转强度条件为为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有两个键槽轴径d＞100mm轴径增大3%轴径增大7%轴径d≤100mm轴径增大5%～7%轴径增大10%～15%14.3轴的强度计算14.3.2轴的弯扭合成强度计算危险截面需要强度校核建立力学模型具体计算步骤……完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷（转矩和弯矩）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。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中点上。14.3轴的强度计算计算步骤（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，并求出水平面和垂直面的支点反力。（2）分别作出水平免的弯矩图和垂直免上的弯矩图（3）计算出合成弯矩绘出合成弯矩图22VhMMM（4）作出转矩（T）图（5）计算当量弯矩，绘出当量弯矩图22aTMMe（6）校核危险截面的强度。][1.0)(1322beedTMWM14.3轴的强度计算14.3.3轴的刚度计算轴的计算51.轴的弯曲刚度校核计算轴的弯曲刚度条件为挠度y≤[y]偏转角θ≤[θ]2．轴的扭转刚度校核计算轴的扭转刚度以扭转角来度量。轴的扭转刚度条件为][[y]和[θ]分别为轴的许用挠度及许用偏转角。轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角θ来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。14.4轴的材料及选择碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。在一般工作温度下（低于200℃），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。轴的概述3轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。轴的常用材料及其部分机械性能（见下页）高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。14.4轴的材料及选择14.5轴的设计类比法设计计算法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。根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。按扭转强度估算出轴的最小直径。设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。包括根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式；确定各轴段的直径；确定各轴段的长度根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角等尺寸按弯扭合成进行轴的强度校核。修改轴的结构后再进行校核计算。绘制轴的零件图14.6轴毂联接常用的轴毂联接有键联接、花键联接等。14.6.1键联接轴毂联接主要是用来实现轴和轮毂之间的周向固定并用来传递运动和扭矩键联接1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，故定心性较好。普通平键应用极为广泛。轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。1．平键联接普通平键导向平键和滑键根据用途，平键又可分为14.6轴毂联接普通平键普通平键按端部形状的不同可分为圆头（A型）、方头（B型）、半圆头（C型）三种，具体结构如下图：点击查看三维图A型C型B型14.6轴毂联接导向平键和滑键导向平键和滑键用于动联接。当轮毂需要在轴上沿轴向移动时可采用这种键联接。当被联接零件滑移距离较大时，宜采用滑键。导向平键滑键14.6轴毂联接平键的尺寸14.6轴毂联接平键的失效平键联接工作时的主要失效形式为组成联接的键、轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃，极个别情况下也会出现键被剪断的现象。通常只须按工作面上的挤压强度进行计算。键被剪断平键联接的受力情况如图所示。假设载荷沿键的长度方向是均布的，平键联接的挤压强度条件为14.6轴毂联接导向平键联接的主要失效形式为组成键联接的轴或轮毂工作面部分的磨损，须按工作面上的压强进行强度计算，强度条件为][4jyjydhlT][4pdhlTp14.6轴毂联接2．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。常用与锥形轴端与轮毂的联接。3.楔键联接14.6轴毂联接楔键的上、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工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。普通楔键勾头楔键4．切向键由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120°～135°角的两个键。14.6轴毂联接14.6轴毂联接14.6.2花键联接由轴和轮毂孔沿四周方向均部的多个键齿构成的联接称谓花键联接。花键的标记为：N（键数）×d（小径）×D（大径）×B（键槽宽）