《机械设计基础》第10章轴及轴毂联接PPT课件
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机械设计基础轴PPT课件
心轴的弯曲强度条件：
w
M W
M 0.1d 3
w
设计公式：
式中
d
3
M
0.1
w
静应力状态下：
w 1 w
脉动应力状态下：
ห้องสมุดไป่ตู้
w
0
w
轴转动时：
w
1
w
第16页/共26页
三、转轴的强度计算
钢轴危险截面的当量弯曲应力强度条件：
Me M 2 (T )2
当量弯矩
ew
1 0.1d 3
T
T WT
T 0.2d 3
9.55106 0.2d 3n
p
T
设计公式：
d
3
T
0.2T
3
9.55 106
0.2T
3
p n
C3
P n
注： ①一般开一个键槽：
d 开1两.0个3键槽：
d 1.07
②上式为轴颈的初步估算值，是轴上受扭段的最小直径。
③将轴径取为标准值。
第15页/共26页
二、心轴的强度计算
例题
单级斜齿圆柱齿轮减速器 已知：轴上齿轮的分度圆直径，作用在齿轮上的切向力，径向力，
轴向力，传动不逆转，轴的材料为45钢，进行调质处理。 试校核：该轴的强度。
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例题（续）
第19页/共26页
例题（续）
解：这是一转轴：弯扭组合，
1．求水平面反力
FAH ,FBH
Ft ——产生扭矩，其余产生弯矩。
M c
0 FAH
80
FBH
80 FAH
FBH
FAH FBH Ft 0FAH = FBH = 2750N
机械设计基础 轴系PPT课件
3）连续正反转、载荷不稳定：切应力接近对称循环，r ＝ -1；
[ 1b 第] 2[1页/1共b ]25页1
6）确定危险截面。
7）强度条件：
c
M W
M 2 ( T )2 [ ] MPa
0.1d 3
d 3 M
mm
0.1 [ ]
式中： W —— 轴的抗弯截面系数； [σ] —— 轴的许用弯曲应力，见表 14-1。
四、轴设计的主要问题 失效形式： 1、疲劳破坏 2、变形过大 3、振动折断 4、塑性变形
疲劳强度校核 刚度验算（如机床主轴） 高速轴，自振频率与轴转速接近 短期尖峰载荷 验算屈服强度
第8页/共25页
设计的主要问题： 1、合理的结构设计 —→ 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，
周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整； 2、工作能力计算 a、有足够的强度
轴圆角半径 r ＜ 轴上零件倒角尺寸 c ＜ 轴肩高度 h 或：轴圆角半径 r ＜ 轴上零件圆角半径 R ＜ 轴肩高度 h
第13页/共25页
轴肩 定位轴肩： h ＝ ( 0.07 ～ 0.1 ) d ； d ：轴颈尺寸 非定位轴肩： h ＝ ( 1 ～ 2 ) mm
（2）周向固定 键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等 —— 轴毂联接
强度条件：
T WT
9.55106 0.2 d 3
P n
MPa
d 3 9.55106 P mm
0.2[ ]n
式中：WT —— 抗扭截面系数，mm3 [τ ] —— 许用切应力，MPa
第17页/共25页
公式应用： a）传动轴精确计算； b）转轴的初估轴径 dmin —— 结构设计，逐步阶梯化 di
α —— 根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。 σ —— 一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力） 1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变 r ＝ +1；
[ 1b 第] 2[1页/1共b ]25页1
6）确定危险截面。
7）强度条件：
c
M W
M 2 ( T )2 [ ] MPa
0.1d 3
d 3 M
mm
0.1 [ ]
式中： W —— 轴的抗弯截面系数； [σ] —— 轴的许用弯曲应力，见表 14-1。
四、轴设计的主要问题 失效形式： 1、疲劳破坏 2、变形过大 3、振动折断 4、塑性变形
疲劳强度校核 刚度验算（如机床主轴） 高速轴，自振频率与轴转速接近 短期尖峰载荷 验算屈服强度
第8页/共25页
设计的主要问题： 1、合理的结构设计 —→ 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，
周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整； 2、工作能力计算 a、有足够的强度
轴圆角半径 r ＜ 轴上零件倒角尺寸 c ＜ 轴肩高度 h 或：轴圆角半径 r ＜ 轴上零件圆角半径 R ＜ 轴肩高度 h
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轴肩 定位轴肩： h ＝ ( 0.07 ～ 0.1 ) d ； d ：轴颈尺寸 非定位轴肩： h ＝ ( 1 ～ 2 ) mm
（2）周向固定 键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等 —— 轴毂联接
强度条件：
T WT
9.55106 0.2 d 3
P n
MPa
d 3 9.55106 P mm
0.2[ ]n
式中：WT —— 抗扭截面系数，mm3 [τ ] —— 许用切应力，MPa
第17页/共25页
公式应用： a）传动轴精确计算； b）转轴的初估轴径 dmin —— 结构设计，逐步阶梯化 di
α —— 根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。 σ —— 一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力） 1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变 r ＝ +1；
机械设计基础第10章连接(键、花键-六)
第10章 连 接
§10－1 螺纹 §10－2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 §10－3 机械制造常用螺纹（略） §10－4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 §10－5 螺纹连接的预紧与防松
§10－6 螺栓连接的强度计算 §10－7 螺栓的材料和许用应力 §10－8 提高螺栓连接强度的措施 §10－9 螺旋传动 （略） §10－10 滚动螺旋简介（略） §10－11 键连接和花键连接
在重型机械中常采用切向键 ——一对楔键组成。
窄面 工作面
d 潘存云教授研制
斜度1：100
装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生 的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要 两对切向键分布成120~130 ˚ 。
二、平键联接的强度校核 1. 类型的选择 应根据各种平键的特点及具体应用情况来选择。 考虑：扭矩大小、对中性要求、轴上位置等情况。 2 . 尺寸的选择 键是一种标准件，主要尺寸：长L、宽b、高h b×h____按轴的直径由标准选取。表10－9 P156 L_____参照轮毂宽度B从标准中选取 一般： L=B－(5～10) mm 3. 材料的选择 键的材料常用45钢：σB≥ 600 MPa的碳素钢
MPa
表10-11 花键连接的许用挤压应力[σp ]和许用压强[p ]
连接工作方式
工作条件
[σp ] 或[p ] 齿面未经热处理 齿面经热处理
不良
35~50
40~70
静连接[σp ]
中等 良好
潘6存0云~教1授0研0制 80~120
100~140 120~200
动连接[p ] (空载下移动)
动连接[p ] (在载荷下移动)
二、平键联接的强度校核
1. 类型的选择 2 . 尺寸的选择 3. 材料的选择
§10－1 螺纹 §10－2 螺旋副的受力分析、效率和自锁 §10－3 机械制造常用螺纹（略） §10－4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件 §10－5 螺纹连接的预紧与防松
§10－6 螺栓连接的强度计算 §10－7 螺栓的材料和许用应力 §10－8 提高螺栓连接强度的措施 §10－9 螺旋传动 （略） §10－10 滚动螺旋简介（略） §10－11 键连接和花键连接
在重型机械中常采用切向键 ——一对楔键组成。
窄面 工作面
d 潘存云教授研制
斜度1：100
装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生 的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要 两对切向键分布成120~130 ˚ 。
二、平键联接的强度校核 1. 类型的选择 应根据各种平键的特点及具体应用情况来选择。 考虑：扭矩大小、对中性要求、轴上位置等情况。 2 . 尺寸的选择 键是一种标准件，主要尺寸：长L、宽b、高h b×h____按轴的直径由标准选取。表10－9 P156 L_____参照轮毂宽度B从标准中选取 一般： L=B－(5～10) mm 3. 材料的选择 键的材料常用45钢：σB≥ 600 MPa的碳素钢
MPa
表10-11 花键连接的许用挤压应力[σp ]和许用压强[p ]
连接工作方式
工作条件
[σp ] 或[p ] 齿面未经热处理 齿面经热处理
不良
35~50
40~70
静连接[σp ]
中等 良好
潘6存0云~教1授0研0制 80~120
100~140 120~200
动连接[p ] (空载下移动)
动连接[p ] (在载荷下移动)
二、平键联接的强度校核
1. 类型的选择 2 . 尺寸的选择 3. 材料的选择
机械设计基础轴毂联接
机械设计基础轴毂联接1. 简介轴毂联接是机械设计中常用的一种联接方式，主要用于连接轴和轮毂或其他旋转装置。
它既能传递力矩和转动，又能承受径向和轴向载荷，并提供一定的位置固定性。
轴毂联接在各种机械设备和工程项目中广泛应用，如汽车、飞机、机械加工等。
2. 轴毂联接类型2.1 键槽联接键槽联接是一种常见的轴毂联接方式，其原理是通过在轴和轮毂上切割相应的键槽，并在键槽中插入键来实现联接。
键槽联接具有简单、可靠的特点，在承受转矩时能够提供良好的力传递和位置固定性。
锥形联接是一种将轴和轮毂通过锥形形状进行联接的方法。
在锥形联接中，轴和轮毂的端面呈相应的锥度，通过将两者相互嵌套来实现联接。
锥形联接具有良好的力传递性能和固定性能，适用于较大的转矩传递。
2.3 胀紧联接胀紧联接是一种利用胀紧原理实现的轴毂联接方法。
它通过在轴和轮毂上钻孔，并在孔中安装膨胀套或螺栓等元件，使其通过膨胀或拉紧来实现联接。
胀紧联接具有简单、可靠的特点，适用于中小型设备和工程。
摩擦联接是一种利用摩擦力实现的轴毂联接方式。
在摩擦联接中，通过轴和轮毂的摩擦力来实现联接。
摩擦联接常用于带有摩擦制动装置的机械设备，如摩托车、自行车等。
3. 轴毂联接设计要点3.1 轴毂联接的强度计算在轴毂联接的设计中，需要进行强度计算以确保联接的可靠性和安全性。
强度计算应考虑联接所承受的转矩、径向力和轴向力等。
3.2 轴和轮毂的配合轴和轮毂的配合是轴毂联接设计的重要方面，配合不良会导致联接失效和损坏。
配合方式应根据实际需要选择，常见的配合方式有过盈配合、间隙配合和硬度配合等。
3.3 轴毂联接的固定方式轴毂联接需要一定的固定方式来保证联接的可靠性和稳定性。
常见的固定方式包括螺纹固定、焊接固定、胀紧固定等。
3.4 轴毂联接的检测与维护轴毂联接在使用过程中需要定期进行检测和维护，以确保联接的可靠性和安全性。
检测方法包括视觉检查、测量和无损检测等。
4. 总结轴毂联接是机械设计中常见的一种联接方式，通过不同的联接方法可以实现不同的需求。
机械设计基础第10章
预紧力Fa →产生拉伸应力σ
Fa
0.5
∴ 强度条件为： 1.3Fa [ ] e 2 d1 4
d1
按第四强度理论，当量应 力： e 2 3 2 1.3
1、承受横向工作载荷的普通螺栓强度
工作原理：依靠预紧力作用下 在被连接件之间产生的摩擦力 承受横向工作载荷。 摩擦力： F f F0 fm 保证连接可靠，要求：
§10-4 螺纹连接的基本类型及螺纹紧固件
一、螺纹连接的基本类型 1.螺栓连接： 普通螺栓连接：应用广泛，两被连接件不太厚， 便于从两边装配。 铰制孔用螺栓连接：受横向载荷。 2.双头螺栓连接：被连接件之一较厚，常拆卸。 3.螺钉连接：被连接件之一较厚,不常拆卸，且不易 做成通孔的场合。
4.紧定螺钉连接：用于固定两零件的相对位置，并可 传递不大的力和转矩。
—设计公式
d1—螺纹小径（mm） [σ]—许用拉应力 N/mm2 (MPa) Fa
二、紧螺栓连接
紧螺栓连接——承受横向工作载荷和承受轴向工作载荷两种情况
承受工作载荷前拧紧，在拧紧力矩T和轴向载荷Fa（预紧力F0 ） 作用下，螺栓发生拉扭变形，螺栓工作在复合应力状态。
1 2 d1 4 d2 Fa tan(ψ ' ) 螺纹摩擦力 Fa 2d 2 T1 2 tan(ψ ' ) 矩T1→产生 1 2 d1 WT d13 d1 剪应力τ 16 4
θ
一、受力分析
1、矩形螺纹
三点假设：
1.螺纹拧紧过程相当于滑块沿斜面上升的过程；
2.拧紧过程中螺纹各圈的变形量相等；
F Fa
3.力作用在螺纹中径上。
拧紧过程：
FR Fn
ρ
《机械设计基础》第10章轴及轴毂联接PPT课件
光轴
阶梯轴
②按轴的轴线形状可分为:直轴、曲轴、挠性轴
直轴
曲轴
挠性钢丝轴
③按轴功用和承载情况，可分为三种类型： 转轴—既传递扭矩又承受弯矩 心轴—只承受弯矩 传动轴—只传递扭矩
自行车前轴--心轴
汽车的传动轴
减速器轴—转轴 此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。
二、轴的材料
1.选择轴的材料时应主要考虑的因素： （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。 2.轴的常用材料
⑺刚度校核计算（略） ❖5.绘制轴的工作图。
10.5 轴毂连接
轴毂连接：实现轴和轴上零件周向固定的连接。 轴毂连接的主要形式：键连接和花键连接。
一、键连接、花键和销连接
（2）实例：
圆轴表面上任意一点A在任一瞬时的弯曲正应力为：
AM Iz yAM Iz Rsint
应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、 再从最小变到最大的变化过程。
(3)交变应力的参数
①最大应力σmax ②最小应力σmin
③循环特征系数 r min max
④平均应力
max min 2 m
➢截面C右侧的合成弯矩为：
M C 2 M h 2 C M v 2 2 C 9 . 6 2 3 8 2 . 1 2 1 1 8 . 9 2 N m 2 3
⑸绘制扭矩图 ➢齿轮与联轴器之间的扭矩为：
T 95P 4 995 1 4 0 9 4.7 7N 2 3 m
n 2
202
⑹确定危险截面，强度校核计算 ➢绘制当量弯矩图（图11.6.15f）因为轴为单向转动， 所以扭矩为脉动循环，折合系数为α=0.6，危险截 面C处的弯矩为 ：
《轴和轴毂连接》PPT课件
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12
一、轴上零件的装配方案
据轴上零件定位、加工要求以及不同的零件装配方案，参考 轴的结构设计的基本要求，得出如图所示的两种不同轴结 构。
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13
二、轴上零件的固定 1、轴上零件的定位 轴肩及轴环----阶梯轴上截面变化之处。
零件的轴向定位由轴肩（轴环）或套筒来实现。
特点：结构简单，定位可靠 ，可承受较大的轴向力 应用：齿轮、带轮、联轴器、 轴承等的轴向定位
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10
第二节 轴的结构分析
轴的结构分析：包括定出轴的合理的
外形和全部结构尺寸
1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆； (制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置； (定位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定； (固定) 4.改善应力状况，减小应力集中。
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11
轴的结构 轴主要由轴颈、 轴头、 轴身三部分组成(如图10-5)。 轴上被支承的部分为轴颈，如图中③， ⑦段； 安装轮毂的部 分称做轴头，如图中①，④段； 联接轴颈和轴头的部分称做 轴身，如图中②，⑥段。
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14
圆螺母
特点：定位可靠，装拆方便，可承受较大的轴向力
由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降
应用：常用于轴的中部和端部
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15
弹性挡圈
特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力。
应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位
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16
轴端压板 特点：可承受剧烈振动和冲击。 应用：用于轴端零件的固定，
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21
2 .各轴段长度的确定
1.尽可能结构紧凑，保证零件所需要的装配和调整空间如 L应根据轴承端盖和联轴器装拆要求定出
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（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。
光轴
阶梯轴
②按轴的轴线形状可分为:直轴、曲轴、挠性轴
直轴
曲轴
挠性钢丝轴
③按轴功用和承载情况，可分为三种类型： 转轴—既传递扭矩又承受弯矩 心轴—只承受弯矩 传动轴—只传递扭矩
自行车前轴--心轴
汽车的传动轴
减速器轴—转轴 此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。
二、轴的材料
1.选择轴的材料时应主要考虑的因素： （1）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。 2.轴的常用材料
（3）轴端挡圈和圆锥面 两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。
轴端挡圈和圆锥面
轴端挡圈和圆柱面
注意：主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高 或轴受振动的场合，且多用于轴端。
（4）弹性挡圈和紧定螺钉 结构简单，但只能承受较小的轴向力。
2.轴上零件的周向定位和固定
平键连接
花键连接
销连接
成形连接
过盈配合
⑤应力幅
a
max min
2
(4)交变应力的类型
对称循环应力r =-1
O
脉动循环应力r =0
非对称循环应力
-1< r <1且r≠ 0
静应力r =1
二、疲劳失效与持久极限
1.疲劳失效 （1）定义：在交变应力作用下发生的失效。 （2）特点：
① 破坏时的最大应力远低于材料在静应力下 的屈服极限；
(3)工艺要求 轴的结构应便于轴的加工和 轴上零件装拆（装配）。
(4)形状、尺寸要求 改善载荷分布和有利于减 少应力集中。
二、轴上零件的定位和固定
1.轴上零件的轴向定位和固定 （1）轴肩和轴环
轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构， 都对轴上零件起单向定位和固定作用。
正确结构 错误结构
轴径d R
三、轴的结构工艺性
1.轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定 通常做成阶梯轴。
2. 轴的结构应便于加工制造 （1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；
（2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；
（3）轴端和各轴段端部应有45º倒角，轴上的倒角 和圆角半径尽量一致；
（4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。
设计公式：
d3 9.0 5.2 5 [1]0 6
PC3 P
n
n
其中：功率P—KW；转速 n—r/min；直径d— mm； C —由轴的材料和受载情况决定的常数
3.轴的结构应便于减少应力集中 （1）尽量减少阶梯数； （2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角； （3）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹； （4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度数值。
过渡肩环
凹切圆角
卸荷槽
四、轴的尺寸
确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外， 还要考虑下面因素的影响：
（1）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴 承内径的标准； （2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准； （3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围 相适应；
（4）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规 定的标准尺寸。
10.4 轴的强度设计
一、按扭转强度估算轴的最小直径
校核公式：
W Tp9.50.2 5d13n60P[]
附：轴常用材料及机械性能表
轴的常用材料及其机械性能表
10.2 动载荷与交变应力
一、动载荷与交变应力
1. 动载荷 静载荷：大小和方向不随时间而变化的载荷。 动载荷（或变载荷）：载荷明显要随时间变化，或 者是短时间内有突变的载荷。
工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都 是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。 2. 交变应力 （1）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。
（2）实例：
圆轴表面上任意一点A在任一瞬时的弯曲正应力为：
AM Iz yAM Iz Rsint
应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、 再从最小变到最大的变化过程。
(3)交变应力的参数
①最大应力σmax ②最小应力σmin
③循环特征系数 r min max
④平均应力
max min 2 m
弯曲脉动循环： 0 1.3 31
注意：在对称循环交变应力作用下材料的疲劳极 限值最低，即对称循环的交变应力对构件 来说最危险。
10.3 轴的结构设计
一、概述
1.典型转轴结构实例
2.轴的结构设计的概念 确定轴的外形及全部结构尺寸。
3.一般轴结构设计的基本要求 (1)定位要求 要求轴和轴上零件要有准确 的工作位置。 (2)固定要求 要求轴上各零件的位置要可 靠地固定。
坏时，应力循环中最大应力的最高限。 试样材料的最大工作应力和寿命（即应力循环
次数）之间的关系可用如下疲劳曲线来表示。
失效区
实验得到的材料疲劳极限与静强度极限 之间的数量关系：
弯曲对称循环： 10.2( 7sb)
拉(压)对称循环： 1 0 .2(3 sb )
扭转对称循环： 10.1( 5sb)
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。
光轴
阶梯轴
②按轴的轴线形状可分为:直轴、曲轴、挠性轴
直轴
曲轴
挠性钢丝轴
③按轴功用和承载情况，可分为三种类型： 转轴—既传递扭矩又承受弯矩 心轴—只承受弯矩 传动轴—只传递扭矩
自行车前轴--心轴
汽车的传动轴
减速器轴—转轴 此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。
二、轴的材料
1.选择轴的材料时应主要考虑的因素： （1）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。 2.轴的常用材料
（3）轴端挡圈和圆锥面 两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。
轴端挡圈和圆锥面
轴端挡圈和圆柱面
注意：主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高 或轴受振动的场合，且多用于轴端。
（4）弹性挡圈和紧定螺钉 结构简单，但只能承受较小的轴向力。
2.轴上零件的周向定位和固定
平键连接
花键连接
销连接
成形连接
过盈配合
⑤应力幅
a
max min
2
(4)交变应力的类型
对称循环应力r =-1
O
脉动循环应力r =0
非对称循环应力
-1< r <1且r≠ 0
静应力r =1
二、疲劳失效与持久极限
1.疲劳失效 （1）定义：在交变应力作用下发生的失效。 （2）特点：
① 破坏时的最大应力远低于材料在静应力下 的屈服极限；
(3)工艺要求 轴的结构应便于轴的加工和 轴上零件装拆（装配）。
(4)形状、尺寸要求 改善载荷分布和有利于减 少应力集中。
二、轴上零件的定位和固定
1.轴上零件的轴向定位和固定 （1）轴肩和轴环
轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构， 都对轴上零件起单向定位和固定作用。
正确结构 错误结构
轴径d R
三、轴的结构工艺性
1.轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定 通常做成阶梯轴。
2. 轴的结构应便于加工制造 （1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；
（2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；
（3）轴端和各轴段端部应有45º倒角，轴上的倒角 和圆角半径尽量一致；
（4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。
设计公式：
d3 9.0 5.2 5 [1]0 6
PC3 P
n
n
其中：功率P—KW；转速 n—r/min；直径d— mm； C —由轴的材料和受载情况决定的常数
3.轴的结构应便于减少应力集中 （1）尽量减少阶梯数； （2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角； （3）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹； （4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度数值。
过渡肩环
凹切圆角
卸荷槽
四、轴的尺寸
确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外， 还要考虑下面因素的影响：
（1）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴 承内径的标准； （2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准； （3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围 相适应；
（4）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规 定的标准尺寸。
10.4 轴的强度设计
一、按扭转强度估算轴的最小直径
校核公式：
W Tp9.50.2 5d13n60P[]
附：轴常用材料及机械性能表
轴的常用材料及其机械性能表
10.2 动载荷与交变应力
一、动载荷与交变应力
1. 动载荷 静载荷：大小和方向不随时间而变化的载荷。 动载荷（或变载荷）：载荷明显要随时间变化，或 者是短时间内有突变的载荷。
工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都 是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。 2. 交变应力 （1）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。
（2）实例：
圆轴表面上任意一点A在任一瞬时的弯曲正应力为：
AM Iz yAM Iz Rsint
应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、 再从最小变到最大的变化过程。
(3)交变应力的参数
①最大应力σmax ②最小应力σmin
③循环特征系数 r min max
④平均应力
max min 2 m
弯曲脉动循环： 0 1.3 31
注意：在对称循环交变应力作用下材料的疲劳极 限值最低，即对称循环的交变应力对构件 来说最危险。
10.3 轴的结构设计
一、概述
1.典型转轴结构实例
2.轴的结构设计的概念 确定轴的外形及全部结构尺寸。
3.一般轴结构设计的基本要求 (1)定位要求 要求轴和轴上零件要有准确 的工作位置。 (2)固定要求 要求轴上各零件的位置要可 靠地固定。
坏时，应力循环中最大应力的最高限。 试样材料的最大工作应力和寿命（即应力循环
次数）之间的关系可用如下疲劳曲线来表示。
失效区
实验得到的材料疲劳极限与静强度极限 之间的数量关系：
弯曲对称循环： 10.2( 7sb)
拉(压)对称循环： 1 0 .2(3 sb )
扭转对称循环： 10.1( 5sb)