轴及轴毂联接
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轴和轴毂联接
结构 轴——花键轴：沿轴向均布 多个键齿(外花键)
轮孔——花键孔：毂孔周向均布多个 键槽(内花键)
9.4轴毂联 接
三、型面联接 四、过盈联接 利用过盈配合 五、弹性环联接
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9.2轴的结构设计
例：分析图示轴系，确定轴各段直径和长度的主要依据。
9.2轴的结构 设计
轴承采用脂润滑。
9.2轴的结构设计
1.缺少密封装置； 2.缺少垫片， 不能调整轴承间隙；
3.缺少挡油环； 缺少键联接；
4.锥齿轮与轴
5.锥齿轮轴向固定不可靠；6.右 轴承不能装配；
7.右轴承外圈缺少固定； 8.左 轴承外圈缺少固定。
③ 铸铁 质难控制，可靠性较差
QT600—3、QT800— 选2 择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度 和耐磨性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。
9.2轴的结构设计
轴的结构应满足使用要求， 保证轴和轴上零件具有确 定的工作位置；应有利于 提高轴的强度和刚度；还 应具有良好的加工和装配 工艺性。
进行轴的结构设计时，首先要从传动要求和 传动路线来考虑轴上零件的布置，拟定合适 的装拆方案。
✓键槽不应开到圆角处；必须在轴上开横孔时，孔边要 倒圆，以避免应力集中过大。
✓改进轴上零件的结构可以减小轴所承受的弯矩，从而 提高轴的强度和刚度。
9.2轴的 结构设计
9.2轴的结构设计
3.轴的结构工艺性(重点)
✓满足加工、装拆的要求。 ✓安装轴上的零件时，应能使其无过盈地到达装配轴 段。 ✓为便于轴上零件的装配，轴端部、轴颈和轴头的端 部应有倒角，一般为45°。 ✓当零件和轴采用过盈配合时，轴上可设导向锥。
9.2轴的结构设计
9）箱体端面加工面与非加工面 没有分开；10）轴肩太高，无 法拆卸轴承；11）键过长，套 筒无法装入；12）无调整垫片， 无法调整轴承间隙；13）轴承 脂润滑无挡油环
轮孔——花键孔：毂孔周向均布多个 键槽(内花键)
9.4轴毂联 接
三、型面联接 四、过盈联接 利用过盈配合 五、弹性环联接
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9.2轴的结构设计
例：分析图示轴系，确定轴各段直径和长度的主要依据。
9.2轴的结构 设计
轴承采用脂润滑。
9.2轴的结构设计
1.缺少密封装置； 2.缺少垫片， 不能调整轴承间隙；
3.缺少挡油环； 缺少键联接；
4.锥齿轮与轴
5.锥齿轮轴向固定不可靠；6.右 轴承不能装配；
7.右轴承外圈缺少固定； 8.左 轴承外圈缺少固定。
③ 铸铁 质难控制，可靠性较差
QT600—3、QT800— 选2 择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度 和耐磨性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。
9.2轴的结构设计
轴的结构应满足使用要求， 保证轴和轴上零件具有确 定的工作位置；应有利于 提高轴的强度和刚度；还 应具有良好的加工和装配 工艺性。
进行轴的结构设计时，首先要从传动要求和 传动路线来考虑轴上零件的布置，拟定合适 的装拆方案。
✓键槽不应开到圆角处；必须在轴上开横孔时，孔边要 倒圆，以避免应力集中过大。
✓改进轴上零件的结构可以减小轴所承受的弯矩，从而 提高轴的强度和刚度。
9.2轴的 结构设计
9.2轴的结构设计
3.轴的结构工艺性(重点)
✓满足加工、装拆的要求。 ✓安装轴上的零件时，应能使其无过盈地到达装配轴 段。 ✓为便于轴上零件的装配，轴端部、轴颈和轴头的端 部应有倒角，一般为45°。 ✓当零件和轴采用过盈配合时，轴上可设导向锥。
9.2轴的结构设计
9）箱体端面加工面与非加工面 没有分开；10）轴肩太高，无 法拆卸轴承；11）键过长，套 筒无法装入；12）无调整垫片， 无法调整轴承间隙；13）轴承 脂润滑无挡油环
第9章 轴及轴毂连接
5）为便于零件的装拆而设计的非定位轴肩高度（半径差）h ≈1.5～2mm。
7) 用套筒、螺母、挡圈等定位时，轴段长度应小于相配零件宽度；
四、轴的结构工艺性(重点)
1、轴应设计成阶梯状，且中间粗两头细便于零件从两端装入；
2、与滚动轴承配合的轴肩高度或套筒高度应小于轴承内圈的厚度； 3、轴端应有倒角：c×45°——便于装配。 4、与传动件配合的轴头长度应略短于轮毂的宽度2~3mm，以便 于轴上零件固定可靠；
B
轴套
L
5、装配段不宜过长
6、退刀槽和越程槽
越程槽：保证砂轮能磨削到轴肩，保证轴肩的垂直度； 退刀槽：加工螺纹时，退刀槽可以保证刀具退出。 7、键槽布置
固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。
注意：各轴段直径d 和长度L的确定。
改错
1.缺少密封装置； 2.缺少垫片，不能调整轴承间隙； 3.缺少挡油环； 4.锥齿轮与轴缺少键联接； 5.锥齿轮轴向固定不可靠；6.右轴承不能装配； 7.右轴承外圈缺少固定； 8.左轴承外圈缺少固定。
按受载情况分
弯矩 心轴 转轴
√ √
转矩
× √ √
传动轴 ×
按轴的外形分
光轴
阶梯轴 空心轴 实心轴
形状简单， 加工方便， 轴上零件装 能满足定位 配定位困难 和装配方便 的需要
二、轴的材料
价格便宜，对应力 具有较高的机械强度，更 集中敏感性小，为 ① 碳素钢 好的淬火性能，所以，在 了保证机械性能， 常用30、40、45号钢 传递大功率、减轻重量、 应进行调质或正火 易做成复杂的外形，价 提高轴颈耐磨性时采用。 ② 合金钢 处理。 廉，具有良好的吸振性 40Cr、40CrNi、20Cr、20Cr2Ni4A、 和耐磨性，对应力集中 38SiMnMo 敏感性较低，但铸造品 质难控制，可靠性较差 ③ 铸铁 QT600-3、QT800-2 选择轴的材料和热处理方式时，主要考虑强度、 刚度和耐磨性，而不是轴的弯曲和扭转刚度。
《机械设计基础》第10章轴及轴毂联接PPT课件
（1）碳素结构钢，如Q235、Q275等。 （2）35、40等优质碳素钢，其中价廉物美的45
应用最普遍。
（3）合金钢，如35CrMo、40Cr等，比碳钢更好 的机械性能和淬透性，价格更高。
（4）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂 的轴，吸振性好，对应力敏感性低。
3.轴的毛坯形式 一般采用轧制的圆钢或锻件。
② 即使是塑性较好材料，经过多次应力循环后， 也会和脆性材料一样发生突然断裂，断裂前 没有明显的塑性变形。
③断口上呈现明显的两个区域： 光滑区和粗糙区。
（3）与特点对应的原因
交变应力超过一定限度并反复作用
最大应力处或材料薄弱处产生裂纹
裂纹扩展 脆性断裂
形成光滑区 形成粗糙区
2.疲劳极限（或持久极限） 指材料试样经过无穷多次应力循环而不发生破
第10章 轴及 轴毂联接
第10章 轴及轴毂联接
10.1 轴的类型及其材料 10.2 动载荷与交变应力 10.3 轴的结构设计 10.4 轴的强度设计 10.5 轴毂连接
10.1 轴的类型及其材料
一、轴的功用及其类型
1.功用 1）支承回转运动零件；2）传递运动和动力 2.类型 ①按其结构形状分为光轴和阶梯轴。
R1或C1
表11.6.1 圆角半径R1和倒角C1/mm
＞10～ ＞18～ ＞30～ ＞50～ ＞80～
18
30
50
80
100
0.8
1.0
1.6
2.0
2.5
1.6
2.0
3.0
4.0
5.0
（2）套筒和圆螺母 套筒
应力集中，削弱强度
注意：轴上两零件相距较近时， 一般采用套筒；当两零件相距 较远时 ，可采用圆螺母。
应用最普遍。
（3）合金钢，如35CrMo、40Cr等，比碳钢更好 的机械性能和淬透性，价格更高。
（4）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂 的轴，吸振性好，对应力敏感性低。
3.轴的毛坯形式 一般采用轧制的圆钢或锻件。
② 即使是塑性较好材料，经过多次应力循环后， 也会和脆性材料一样发生突然断裂，断裂前 没有明显的塑性变形。
③断口上呈现明显的两个区域： 光滑区和粗糙区。
（3）与特点对应的原因
交变应力超过一定限度并反复作用
最大应力处或材料薄弱处产生裂纹
裂纹扩展 脆性断裂
形成光滑区 形成粗糙区
2.疲劳极限（或持久极限） 指材料试样经过无穷多次应力循环而不发生破
第10章 轴及 轴毂联接
第10章 轴及轴毂联接
10.1 轴的类型及其材料 10.2 动载荷与交变应力 10.3 轴的结构设计 10.4 轴的强度设计 10.5 轴毂连接
10.1 轴的类型及其材料
一、轴的功用及其类型
1.功用 1）支承回转运动零件；2）传递运动和动力 2.类型 ①按其结构形状分为光轴和阶梯轴。
R1或C1
表11.6.1 圆角半径R1和倒角C1/mm
＞10～ ＞18～ ＞30～ ＞50～ ＞80～
18
30
50
80
100
0.8
1.0
1.6
2.0
2.5
1.6
2.0
3.0
4.0
5.0
（2）套筒和圆螺母 套筒
应力集中，削弱强度
注意：轴上两零件相距较近时， 一般采用套筒；当两零件相距 较远时 ，可采用圆螺母。
轴和轴毂连接
14.2 轴的结构设计
2）轴上零件的其他定位方法
14.2 轴的结构设计
3、轴的结构工艺性
在满足使用要求的情况下，轴形状尽量简单，相邻轴段直径差不宜过大; 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
轴端、轴颈和轴肩的过渡部位应有倒角或过度圆角；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; 与标准零件相配合的轴径取为圆整值，轴头的直径应采用标准直径系列，以利于加工和 检验; 当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上；
二）按轴的受载情况不同分类
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。 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。如汽车的传动轴。 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。
F
d
F
Me
扭转
T
T
弯 曲
14.2 轴的结构设计
一、轴的结构
观看切向键的安装
14.3.2 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） 优点： ① 轴上零件与轴的对中性好； ② 轴的削弱程度较轻； ③ 承载能力强； ④ 导向性好。 缺点: 制造比较复杂、需专用设备，成本高。 花键联接多用于载荷较大，定心精度要求较高的联接中，如汽车，机床， 飞机等机器中。
A型
B型 A型 C型 B型 C型
14.3.1 键连接
普通平键
A型平键
B型平键
C型平键
Ø采用A、C型平键时，轴上键槽一般用指状铣刀铣出，采用B 型键时，键槽用盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。 A型键应用最广，C型键一般用于轴端。
第六章 轴与轴毂联接
轴的设计
第六章 轴及轴毂连接
二、初定轴径 （一）、类比法
参考同类机型，比较轴传递的功率、转速和工作条件 等初步确定轴的直径。
（二）、按扭转强度计算 dmin
T=9.55×106P/n τ T=T/w T N.mm w T ≈0.2d3
6
P 9.55 × 10 n ≤ [ τ ] MPa τ T= T 3 0 .2 d
d 2 = 1.7 d1 = 1.7 × 20 = 34mm
即d2＝34mm时与d1 等强度。 而今， d2＝60mm 故低速轴强度高。
第六章 轴及轴毂连接
那 根 轴 最 粗 ？
Ⅰ
Ⅱ
Ⅳ
Ⅲ
第六章 轴及轴毂连接
三、轴的强度计算 （一）确定支点和力作用点之间尺寸 几点假设：
1） 支点选择在轴承宽的中点。 2）带轮、齿轮等承受的载荷看成集中载荷，载荷作用在轮宽中点。 3）旋转零件之间、旋转零件与静止零件之间的距离由经验公式选取， 通常选取10～15mm。
（二）、半圆键
多用于轴端锥面 的辅助连接。传递较小的载 荷。
第六章 轴及轴毂连接
（三）、斜键
1:100 工作面
1:100的斜度。工作面为上下面。
1:100
普通斜键
钩头斜键
普通斜键：工作时打紧，靠上下面摩擦传递扭矩，并可传递单向轴向力； 特 点 ：适用于低速轻载、对中性较差，转动精度要求不高的场合。变载下易松 动。钩头只用于轴端连接，如轮子在中间，使用普通斜键，且键槽应比键长2倍才 能装入。且要装安全罩 。
第六章 轴及轴毂连接
9.55 × 10 6 P ⋅ d≥3 0.2[τ T ] n 9.55 × 10 6 令：A 0 = 3 0.2[τ T ] d ≥ A0
轴及轴毂联接
轴及轴毂联接§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。
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。
如汽车的传动轴。
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。
二、轴的材料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。
轴的材料从以下中选取：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。
例如：35、45、50等优质碳素钢。
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：汽轮发电机轴要求，在高速、高温重载下工作，采用27Cr2Mo1V、38CrMoAlA等。
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。
三、设计轴的要求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）选择轴的材料；（2）初步估算轴的直径；（3）进行轴的结构设计；（4）精确校核（强度、刚度、振动等）；（5）绘制零件的工作图§10—2 轴的结构设计如教材图10-6所示为一齿轮减速器中的的高速轴。
轴和轴毂连接(课堂PPT)
9
14.3 轴的结构设计
2、确定轴的各段长度 确定轴的各段长度，应注意以下几点： 1）当零件需要轴向定位时，则该处轴段的长度应比所装零 件的宽度小（2-3mm），以保证零件沿轴向可靠定位，如装 齿轮段 2）装轴承处的轴段长度一般与轴承宽度相同。 3）轴段长度的确定应考虑轴系中各零件之间的相互关系和 装拆工艺要求。
10
14.3 轴的结构设计
14.3.3 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。
11
D h r R
d D
h
C
r d
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
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。
n
其余各段轴的直径确定应注意以下几点：
1）应考虑键槽对轴的强度的影响，若该处有一个键槽，直 径增加3%-5%，若有两个键槽，直径增加7%-10%
2）装配标准件处，其轴段直径必须符合标准件的标准直径 系列值
3）有定位要求的轴段，轴的直径应满足定位要求。
4）非配合轴段直径，可不取标准值，但是一般应取整数。
相对固定。 2）轴应有良好的工艺性，便于制造和进行轴上零件的装
配及调整。 3）轴的结构要有利于减少应力集中。 4）受力合理，有利于减轻轴的重量和节省材料。
7
14.3 轴的结构设计
类比法 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。
设计计算法
轴和轴毂联接
B
采用这些方法固定轴上零件时，为保证
固定可靠，应使：与轮毂相配的轴段长度
比轮毂宽度短2～3 mm，即：l＝B - (2~3)
⑤弹性挡圈、紧钉螺钉、锁紧挡圈作轴向定位 特点：承受轴向力能力较差，适用于轴向力
不大的场合。
锁紧挡圈
6圆锥面定位 特点： ⑥多用于承受冲击
载荷和同心度要求较高的 轴端零件。
为了保证轴上零件的正常工作，其轴向和周向都必须固定， 以防止工作时，出现轴向窜动和周向转动而丧失传递运动和转 矩的功能。
1）、轴上零件的轴向定位和固定： 零件在轴上的轴向定位要准确、可靠。因此，必须使零件具有 确定的安装位置，以保证其承受轴向力作用时不会产生轴向位移。 零件在轴上的轴向定位方法，主要取决于它所承受轴向力的大小， 有轴肩、轴环、套筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、螺钉锁紧挡 圈、轴端挡圈以及圆锥面和轴端挡圈等。
⑦ 轴承盖 特点：可承受较大的轴向力，通常通过螺钉或
榫槽与箱体联接，通过轴承可对整个轴起轴向定 位作用
轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置
3 提高轴的强度和刚度
（1） 合理布置轴上传动零件的位置，以减小轴的载荷
尽量减小悬臂长度或不采用悬臂布置；轴上零件尽量靠 近支承，减小支承之间跨距，减小弯矩；轴上几个传动件 时，应合理布置其顺序，尽量将输入放中间，减小转矩。
K=5mm~8mm
§9-3 轴的计算
一、轴的强度计算 1．按扭转强度条件计算 2．按弯扭合成强度条件计算
1．按扭转强度条件计算 用于：①只受转矩或主要承受转矩的传动轴的强度计算
②在作轴的结构设计时先按扭转强度计算来初估轴的直径dmin
轴的扭转强度条件为： T
T WT
9550 103 0.2d 3
机械设计 轴及轴毂连接
轴的结构设计实例
单级减速器输出轴的结构及轴上零件的布置 轴的装配
右轴承右端面到联轴器左端面的距离取为
习题1：轴的结构设计应满足的基本要求是什么？
答：轴的结构设计应满足的基本要是： 1)轴及轴上零件应有确定的位置和可靠固定； 2)轴上零件应便于安装，折卸和调整； 3)轴应具有良好的加工工艺性； 4)力求受力合理，有利提高疲劳强度和刚度。
2.半圆键连接
两侧面为工作面，对中良好，用于静连接。 轴槽用尺寸与半圆键直径相同的盘形铣刀铣出，因此 半圆键能在轴槽中摆动，尤其适用锥形轴端与轮毂的 连接，但轴槽较深，对轴的强度削弱大，只用于轻载。
3.楔键连接
普通楔键 钩头楔键
楔键的上、下表面为工作面，靠 挤压产生的摩擦力传递转矩，安装时 需将键楔紧，能承受一定的单向的轴 向载荷。但由于楔键打入时，使轴和 轮毂产生偏心，故用于定心精度不高， 载荷平稳和低速场合。
对于一般转轴，b为对称循环，而的应力特性常是 不变或脉动，考虑到两者循环特性不同的影响，将上
式中的转矩乘以折算系数 ，得校核轴的强度基本
公式为：
e
1 W
M2
(T )2
1 0.1d 3
M2
(T )2
Me 0.1d 3
[
1]b
α—折算系数 Me—当量弯矩 N.mm Me M 2 (T )2 [-1]b—对称循环下许用弯曲应力
楔键的安装
3.切向键连接
切向键由一对普通楔键组成，装配时将两键楔紧。 它的上下平行的两窄面为工作面，依靠与轴和轮毁的 挤压传递转矩。若轴正、反转工作时，需采用两个互 成120０～130０的切向键。切向键连接传递转矩大，但 对中性差，对轴的削弱较大，常用于轴径大于100 mm 且对中性要求不高的重型机械中。
精品课件-轴及轴毂联接
5.5
+0.2
>50-58 16*10 16 0
+0.050 -0.043 -0.0215 -0.061
6.0
0
>58-65 18*11 18
7.0
>65-75 20*12 20 +0.052 +0.140 0
+0.026
-0.022
7.5
>75-85 22*14 22 0
+0.065 -0.052 -0.026
磨损（动联接）
2)强度计算
挤压强度条件：
l:键的工作长度：
A型 B型 C型 T-轴上传递的转矩（N.mm） d-轴的直径(mm) h-键的高度
-键、轴和轮毂中挤压强度最低的材料的许用应力 如果计算键的强度不够，在结构允许的条件下，可适当增加轮毂和键的长度 或间隔布置180°两个键。考虑到两个键的载荷分配不均匀性，在验算键的强 度时只按1．5个键计算。
轴的常用材料是碳素钢和合金钢。 碳素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%的中碳素钢。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。合金钢具有比碳素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。
-0.074
9.0
半径r 毂t1
公称尺 极限偏 最 最
寸
机械设计轴和轴毂联接
13.2 轴的结构设计
13.2.2 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。
Date: 2020/6/10
Page: 14
主讲：张晋
CH13 机械设计基础
13.2 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
轴的扭转强度条件为
T WT
9.55106 P 0.2d 3N
[ ]
实心轴的直径为： d 3 T 3 9.55106 P C3 P
0.2[ ]
0.2[T ]n
n
为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径
轴径d＞100mm 轴径d≤100mm
Date: 2020/6/10
有一个键槽 轴径增大3% 轴径增大5%～7%
轴端 轴头
轴颈 轴身 轴头
Date: 2020/6/10
Page: 9
主讲：张晋
CH13 机械设计基础
13.2 轴的结构设计
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。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。
Date: 2020/6/10
二、轴的分类
1、按承载分 （1）心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）
转动心轴：轴转动
固定心轴：轴固定
Date: 2020/6/10
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主讲：张晋
CH13 机械设计基础 分析火车轮轴属于什么类型？
分析自行车轴属于什么类型？
Date: 2020/6/10
13.2.2 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。
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主讲：张晋
CH13 机械设计基础
13.2 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
轴的扭转强度条件为
T WT
9.55106 P 0.2d 3N
[ ]
实心轴的直径为： d 3 T 3 9.55106 P C3 P
0.2[ ]
0.2[T ]n
n
为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径
轴径d＞100mm 轴径d≤100mm
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有一个键槽 轴径增大3% 轴径增大5%～7%
轴端 轴头
轴颈 轴身 轴头
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13.2 轴的结构设计
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。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。
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二、轴的分类
1、按承载分 （1）心轴：只承受弯矩（M），不传递转矩（T=0）
转动心轴：轴转动
固定心轴：轴固定
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第十四章轴和轴毂连接
第十四章轴和轴毂连接【教学目的要求】1、熟悉轴的类型、材料2、掌握轴的结构设计3、熟悉轴的强度计算，了解刚度计算5、掌握轴毂连接方法【教学重点难点】1、轴的结构设计2、轴毂连接【授课时数】８学时【教学方法】讲授、课件教学、课堂练习【教学内容】１４﹒１概述轴是组成机器的重要零件之一，各种作回转（或摆动）运动的零件（如齿轮、带轮等）都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。
因此，轴的主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。
一、轴的分类和用途轴有不同的分类方法，也有不同类型的轴。
常用的分类方法有两类：1）根据轴线的形状不同分类；2）根据承受载荷不同分类。
１、（1）、直轴直轴按外形可以分为光轴和阶梯轴，如图14--5所示。
阶梯轴便于轴上零件的拆装和定位。
（２）、曲轴常用于往复式机械中，例如内燃机、空气压缩机等。
可以实现直线运动与旋转运动的转换。
如图14--6所示它不受任何空间的限制，可以将扭转或旋转运动灵活地传到任何所需的位置，常用于医疗设备、操纵机构、仪表等机械如图14--7所示２、（1）、转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴。
（2）、心轴心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。
按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种，如图14—2、3所示。
（3）、传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。
例如图14--4所示的汽车中连接变速箱与后桥之间的传动轴。
二、轴的材料及选择轴的材料主要采用碳素钢和合金钢。
碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。
常用的有35、40、45、50钢，其中以45钢使用最广。
对于受力较小的或不太重要的轴，可以使用Q235、Q275等普通碳素钢。
合金钢：对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。
耐磨性要求较高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40Cr（或用35SiMn、40MnB代替）、40CrNi(或用38SiMnMo代替)等进行热处理。
第十章轴及轴毂联接
对于-般转轴，σW价为对称循环变应力;而ΤT的循环特性则随 转矩T的性质而定。考虑弯曲应力与扭应力变化情况的差异，
将上式中的转矩T乘以校正系数,即
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10-3轴的设计计算
e w W 1 z M 2 (T )2 M W z e 3 2 W M z e 0 M .1 d e 3 1W
能力的前提下，力求轴的尺寸小，重量轻，工艺性好。
10-2-1轴的组成
如图10 -4所示，轴上被轴承支承部分称为轴颈(①和⑤
处);与传动零件(带轮、齿轮、联轴器)轮毅配合部分称为轴
头(④和⑦处);联接轴颈和轴头的非配合部分叫轴身(⑥处)。
阶梯轴上直径变化处叫做轴肩，起轴向定位作用。图中⑥与
⑦间的轴肩使联轴器在轴上定位;①与②间的轴肩使左端滚动
直径选取。 (3)定位轴肩，其高度可按之前给定的原则确定。 (4)轴中装有过盈配合零件时(图10 -4中的轴段⑤)，该
零件毅孔与装配时需要通过的其他轴段(轴段⑥、轴段⑦)之 间应留有间隙，以便于安装。 2.轴段长度的确定 轴的各段长度主要是根据得到轴上零件的轴向尺寸及轴系 结构的总体布置来确定，设计时应满足的要求是:
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10-3轴的设计计算
(2)计算水平面MH并画出水平面弯矩图，如图10-18
(d)所示
(3)计算垂直面弯矩Mv并画出垂直面的弯矩图，如图
10-18 (f)所示
(4)计算合成弯矩。 M MH2 MV2 画出合成弯矩图，如
图10-18(c)所示
(5)计算轴的转矩T,画出转矩图，如图10-18 (b)所示
(2)轴上有磨削或需切螺纹处，应留砂轮越程槽和螺纹
退刀槽，如图10-13所示，以保证加工完整.
任务十轴和轴毂联接
图 10 - 13 轴上零件常用旳周向固定措施
图 10 - 13 轴上零件常用旳周向固定措施
（三） 轴旳构造工艺性
设计轴旳构造时, 应使轴旳构造形状便于加工、 装 配和维修。 例如, 对于需要磨削旳轴段, 应留有砂轮越 程槽, 如图10 - 14所示； 对于需要切削螺纹旳轴段, 应 留有退刀槽, 如图10 - 15 所示。 砂轮越程槽一般宽2～ 4 mm、 深0.5～1 mm； 螺纹退刀槽与螺纹牙高度有关, 槽旳尺寸可参看有关设计手册、 图册。
表10 - 4 轴旳许用弯曲应力
3 轴旳刚度计算
轴受载后会产生弹性变形。 机械中， 若轴旳刚度 不够, 则会影响机器旳正常工作。 如机床旳主轴变形太 大时, 将影响机床旳加工精度； 电机转子轴旳弯曲变形 太大时, 将使转子和定子旳间隙变化而影响电机性能。 所以, 轴必须有足够旳刚度。 轴旳刚度主要是指弯曲刚 度和扭转刚度, 前者用挠度y和偏转角θ来度量(见图10 22), 后者用扭转角φ来度量(见图10 - 23), 其值可按材料 力学中旳公式进行计算。
（四）提升轴强度旳构造措施
1. 改善轴旳构造, 减小应力集中
为了降低应力集中, 阶梯形轴相邻轴段旳直径不宜 相差太大, 过渡部分旳圆角应尽量取大些, 必要时可将 过渡部分构造增设一阶梯轴段, 借以缓解轴旳截面变化。 主要构造中可采用卸荷槽B(见图10 - 17(a))、 过渡肩环 (见图10 - 17(b))或凹切圆槽(见图10 - 17(c))。 在轴与 轴上零件旳过盈配合处, 在零件轮毂上开卸荷槽B(见图 10 - 17(d)), 也能减小过盈配合处旳局部应力。
1
b
1b
0.3
当转矩产生旳剪应力为脉动循环变应力时,
1b
第十一章 轴及轴毂联接
影响轴的结构设计的因素较多，其结构设计具有较 大的灵活性、多样性，没有一个统一的标准。
程序：考虑装拆 —定位固定方法与结构 —兼顾受力与制造
8
方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件， 加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理 。
9
二、 轴上零件的定位与固定
1) 轴向固定
(1) 轴肩和轴环
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一.按扭转强度计算(传动轴或初算轴径)
该方法适用于只承受扭矩的传动轴，亦可对转轴进行近似计算。 6 P 9.55 10 ( N .mm ) 转矩 T n 对于转轴 弯矩 M 由轴的结构而定 ( 跨距？力作用点？)
T [ T ] 解决办法：仅考虑 T 的强度条件 T WT 用降低 [ ]T 来考虑 M的影响 3 对于实心圆轴 (WT 0.2d ) 的强度条件为： T 9.55106 P T MPa 3 WT 0.2d n
27
2、半圆键联接
轴槽用与半圆键形状相同的铣刀加工，键能在槽 中绕几何 中心摆动，键的侧面为工作面，工作时靠 其侧面的挤压来传递扭矩。 优点：工艺性好，装配方便，适用于锥形轴与轮毂 的联接。 缺点：轴槽对轴的强度削弱较大。只适宜轻载联接。
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3、楔键联接
特点：适用于低速轻载、 精度要求不高。对 中性较差，力有偏 心。不宜高速和精 度要求高的联接， 变载下易松动。钩 头只用于轴端联接， 如在中间用键槽应 比键长2倍才能装 入。且要罩安全罩。
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1） 普通平键
2 ）薄型平键 键高约为普通平键的 60%~70% 。圆头、 方头、单圆头用于薄臂结构、空心轴 等径向尺寸受限制的联接。
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3）导向平键与滑键——用于动联接，即轴与轮毂 间有相对轴向移动的联接。