机械结构设计基础_06-07轴与轴毂连接

机械设计基础2第6章轴1.轴的功用和类型。2.轴的常用材料。3.轴的结构设计和强度计算。知识点：36.1概述传动零件（齿轮、带轮、链轮等）工作时，必须作转动，而转动时又必须有零件支承，一般把支承零件称为轴。轴是机器中使用最普遍的重要零件之一，其主要功用是支承传动零件，传递运动及动力。轴的设计主要包括材料选择、结构设计、强度计算和刚度计算等。6.1.1轴的功用与分类支承回转零件、传递运动及动力。1.功用1)按轴线形状不同，可将轴分为直轴、曲轴及挠性轴（软轴），其中直轴又可分为光轴及阶梯轴，其示意图如图6.1所示。2)按所受载荷不同，可将轴分为心轴、转轴及传动轴，其中心轴只承受弯矩，转轴既承受弯矩又承受转矩，传动轴只承受转矩（扭矩），如图6.2所示。2.类型46.1概述图6.1按轴线形状对轴的分类图6.2按所受载荷轴的分类56.1概述6.1.2轴的材料及选择66.1概述76.2轴的结构设计6.2.1轴上各部分的名称如图6.4所示，轴上安装轴承的部位称为轴颈，安装传动零件的部位称为轴头，连接轴颈与轴头的部分称为轴身，用作轴上零件轴向定位的台阶部分称为轴肩，轴上轴向尺寸较小直径最大的环形部分称为轴环，仅为了方便零件的安装而设置的阶梯称为非定位轴肩。6.2.2轴上零件的固定1）轴上零件的定位是为了保证轴上零件及轴工作时有确定的位置。2）轴向定位及固定的目的是：使之有准确可靠的规定位置。轴上零件的轴向定位及方法见表6.2。1.轴上零件的轴向定位及固定方法86.2轴的结构设计96.2轴的结构设计106.2轴的结构设计目的：传递运动和转矩并防止轴上零件相对轴的转动。常用方法：键、花键、销、过盈配合、型面配合等（见第7章轴毂连接）。2.轴上零件的周向固定6.2.3轴的各段分析1）有配合段：应选用标准直径。2）安装标准件段：应取相对应的标准直径。3）定位轴肩或轴环高度：h≈(0.07-0.1)d。4）非定位轴肩高度：为方便拆装和减小配合面擦伤，通常为1～2mm。5）滚动轴承定位轴肩高度：查阅《机械设计手册》的轴承安装尺寸章节。6）轴头段轴长：为保证定位准确，应短于轮毂2-3mm。116.2轴的结构设计6.2.4轴的结构工艺性1）形状力求简单，便于加工和检验。2）为减小应力集中，轴肩处应有过渡圆角，r应小于零件孔的圆角r1。3）为便于零件的安装，轴端应有倒角，多用45°（或30°、60°）。4）需磨削处，应设越程槽。5）若有螺纹处，应设退刀槽。6）键槽应在同一母线上。7）与零件过盈配合时，装入端需加工出导向圆锥面。8）轴两端应设中心孔。9）轴肩高度不能妨碍零件的拆卸。10）应能保证各零件装配时不损伤其他零件的配合表面。上述的4）、5）、6）、7）见图6.5。12图6.5轴的结构工艺6.2轴的结构设计136.2轴的结构设计6.2.5减小应力集中，改善受力状况轴的结构形状和轴上零件的固定，会使轴的某些部位引起应力集中，从而降低轴的强度，因此，设计时应注意以下几点：1.改善轴的受力状况，减小轴所受的弯矩或转矩为了减小轴所受的弯矩，轴上受力较大的零件应尽可能装在靠近轴承处，并应尽量不采用悬臂支承方式，且力求缩短支承跨度和悬臂长度。2.合理布置轴上零件，以减小最大转矩轴上零件的合理布置示意图如图6.6所示。14图6.6轴上零件的合理布置6.2轴的结构设计156.2轴的结构设计3.改进轴上零件结构，以减小轴承受的弯矩如图6.7所示的卷筒轴，把卷筒轮毂的结构改为图6.7的右图，不仅有效地减小了轴上的最大弯矩，提高了轴的强度和刚度，而且减小了轴孔配合的长度，获得了好的配合质量。图6.7轴上零件的合理结构166.2轴的结构设计4.改进轴的结构，以减少应力集中1）避免轴直径尺寸的急剧变化，相邻轴段直径差不能过大。2）直径尺寸突变处应设计出圆角，圆角半径尽可能取大些。3）尽量避免在轴上开孔和槽。4）如果受到相配合零件内孔倒角或圆角半径的限制，可采用减载槽、中间环、凹切圆角等结构，如图6.8（a）-图6.8（c）所示。5）零件与轴过盈配合时，应适当增大配合处的直径，或改进轮毂的结构，如轮毂孔边倒圆、在轴上车制减载槽等，如图6.8(d)-图6.8(f)所示。图6.8减小应力集中的方法176.2轴的结构设计5.改善轴表面质量，提高轴的疲劳强度具体包括以下两个方面。1）减小轴表面粗糙度值。2）对最大应力所在的表面进行强化处理，如滚压、喷丸、表面淬火等。6.2.6最小轴径的确定在开始设计时，由于轴承的支反力位置还不能确定（如轴承型号、尺寸、跨距等），无法按实际载荷进行设计，常根据轴传递的转矩，按扭转强度初步估算最小直径。1.计算法设轴在转矩T的作用下产生扭转剪应力τ。对圆截面实心轴，按其抗扭强度条件初步估算轴的最小直径。186.2轴的结构设计6.2.7轴的设计步骤具体步骤如下。1）选择轴的材料，确定许用应力。2)按扭转强度估算轴的最小直径。3)轴的结构设计。4)按弯扭组合校核轴的强度。5)绘制轴的零件图。2.经验法在一般的减速器中，可用经验公式估算轴的最小直径。例如，高速级输入轴直径可按与其相联的电动机轴的直径D估算，d=0.8～1.2D；各级低速轴的直径可按同级齿轮中心距a估算，d=0.3～0.4a。如轴上有一个键槽：d增大3%～7%；如轴上有两个键槽：d增大7%~10%。196.3轴的强度校核6.2.7轴的设计步骤在轴的结构设计完成后，轴上零件的位置就已确定，外载荷和支反力的作用点也已确定。这样，就可以算出支反力，绘出受力图、弯矩图、转矩图和当量弯矩图，按弯扭组合来验算轴的危险截面。弯扭组合强度公式为2.经验法在一般的减速器中，可用经验公式估算轴的最小直径。例如，高速级输入轴直径可按与其相联的电动机轴的直径D估算，d=0.8～1.2D；各级低速轴的直径可按同级齿轮中心距a估算，d=0.3～0.4a。如轴上有一个键槽：d增大3%～7%；如轴上有两个键槽：d增大7%~10%。206.3轴的强度校核21小结1.轴是用来支承做旋转运动的零件，以实现旋转运动并传递扭矩，是组成机器的重要零件。2.按承受载荷情况的不同，轴可以分为转轴、心轴、传动轴；按轴线形状不同，轴可以分为直轴、曲轴、挠性轴。3.轴的结构设计包括轴的外形设计和结构尺寸的确定。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。4.轴通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。进行轴的强度校核计算时按下列步骤进行：①先按扭转强度条件确定轴的最小直径，然后确定其他各轴段的直径和长度；②按弯扭组合强度条件对轴进行强度校核。6.3轴的强度校核22习题详见150页6.3轴的强度校核23第7章轴毂连接1.轴毂连接的作用是实现周向固定、轴向移动并传递运动和转矩。2.常用的有键连接、花键连接、销连接、过盈配合、型连接等。3.键连接的类型、特点及应用及键的选择和强度校核。4.花键连接和销连接的特点及应用。知识点：247.1键连接传动零件工作时，必须做转动，而转动时需有零件支承，支承零件称为轴。轮毂(齿轮、链轮、带轮等)要随轴一起转动，就必须有连接，轴与轮毂之间的连接称为轴毂连接。轴毂连接的作用是实现周向固定、轴向移动并传递运动和转矩。常用的有键连接、花键连接、销连接、过盈配合、型连接等。连接形式的选择根据传递转矩的大小、性质、对中精度、加工难易等确定。本章主要介绍键连接、花键连接和销联接。7.1.1键连接的类型、特点及应用键连接包括平键连接、半圆键连接、楔键连接和切向键连接。平键连接靠键与键槽侧面的挤压传递转矩。其结构简单，对中性好，拆装方便。但不能承受轴向力，对零件无法轴向固定。平键按用途可分为普通平键、导向平键和滑键三种。1.平键连接257.1键连接（1）普通平键普通平键属静连接，应用最广泛。根据头部形状不同，可分为圆头（A型）、方头（B型）和单圆头（C型）三种，如图7.1所示。1)A型平键。如图7.1(a)所示，常用于轴的中部，轴上的键槽用端面铣刀加工，如图7.2（a）所示。其在轴上的键槽中轴向固定较好，但键槽的应力集中较大。图7.1普通平键图7.2普通平键267.1键连接2）B型平键。如图7.1（b）所示，常用于轴端或轴的中部，轴上的键槽用圆盘铣刀加工，如图7.2（b）所示。其在轴上键槽两端的应力集中较小，但键在轴上的键槽中轴向固定不好，当键的尺寸较大时，需用紧定螺钉压紧。3）C型平键。只用于轴端连接。如图7.1（c）所示,轮毂上的键槽一般用插刀或拉刀加工。（2）导向平键导向平键属动连接，如图7.3所示，用于轮毂移动距离不大的场合。图7.3导向平键277.1键连接（3）滑键滑键属动连接，如图7.4所示，用于轮毂移动距离较大的场合。图7.4滑键287.1键连接半圆键属静连接,如图7.5所示。半圆键连接是靠键与键槽侧面的挤压传递转矩，两侧面为工作面，能绕几何中心摆动，以适应轮毂槽加工误差的斜度。其键槽的加工工艺性好，安装方便，结构紧凑，尤其适用锥形轴与轮毂的连接。但轴上键槽较深，强度削弱大。其主要用于轻载或辅助连接，当需两个半圆键时，键槽应布置在同一母线上。2.半圆键连接图7.5半圆键连接297.1键连接楔键属紧键连接，如图7.6所示。楔键连接是靠键与轴及轮毂槽底之间的摩擦力传递转矩，能轴向固定零件，并能承受单向轴向载荷。但楔紧后，轴与毂的中心易产生偏心和偏斜，在冲击、振动、变载时容易松动。其主要用于对中精度要求不高，载荷平稳且低速的场合。为了便于拆装，多用于轴端。楔键按形状不同可分为圆头楔键、方头楔键、钩头楔键等，如图7.6所示。3.楔键连接图7.6楔键连接307.1键连接切向键属紧键连接，如图7.7所示。切向键连接是靠键与轴及轮毂槽底的挤压传递转矩。其中一个工作面在过轴心线的平面内，使工作面上的压力沿轴的切向作用，因而能传递较大的转矩。但一个切向键只能传递单向转矩，若要传递双向转矩，则须使用两个切向键，并要相互成120°～135°布置。4.切向键连接图7.7切向键连接317.1键连接7.1.2键的选择和强度校核键是标准件，设计时应根据键连接的结构特点、使用要求、工作条件选择键的类型，根据轴的直径，选择标准尺寸，然后进行校核。主要考虑连接的结构、使用特性和工作要求。如传递转矩的大小；是否有冲击、振动；轮毂是否需要轴向移动、移动距离的大小；对中性要求的高低等。1.类型选择根据轴径d从标准中选择键的宽b和高度h（表7.1），键的长度L根据轴毂长度确定，L键=L毂－5～10mm，并符合标准长度系列。导向平键的长度则按轮毂长度及轴上零件的移动距离确定，也应符合标准长度系列。2.尺寸选择327.1键连接33平键连接（图7.8）的主要失效形式是键、轴、毂三者强度较弱的零件被压溃（静连接）或磨损（动连接）。普通平键连接按挤压强度公式：3.平键连接的强度校核7.1键连接图7.8平键连接的受力简图347.2花键连接和销连接7.2.1花键连接渐开线花键（图7.11）加工工艺与齿轮相同，制造精度高，齿根宽，应力集中小，承载能力大，但加工渐开线花键孔的拉刀制造复杂，成本较高。渐开线花键的定心方式为齿形定心，具有良好的自动对中作用，有利于各键齿均匀受力。花键连接的选用和强度校核与平键类似（详见《机械设计手册》）。图7.11渐开线花键连接357.2花键连接和销连接7.2.2销连接如图7.12所示，销主要用于定位，即固定零件之间的相对位置，它是组合加工和装配时的辅助零件，也可以传递不大的载荷。按形状不同，可分为圆柱销、圆锥销、开口销、带孔销轴等，它们均有国家标准，可根据使用要求选用。承受载荷的可作强度校核。图7.12部分销连接36圆柱销靠微量过盈固定在孔中，经多次拆装后定位精度会降低。圆柱销又可细分为圆柱销、螺纹圆柱销、内螺纹圆柱销、弹性圆柱销等（详见机械设计手册）。1.圆柱销图7.8平键连接的受力简图7.2花键连接和销连接圆锥销具有1∶50的锥度，小头直径为标准值。圆锥销安装方