轴与联轴器

轴的设计步骤：
1）选材 2）估算轴的直径 3）轴的结构设计 4）轴的强度校核 5）必要时作刚度和稳定性校核
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四、轴的材料
选材要求:足够的强度、应力敏感性低、工艺性好。 1.钢： 碳素钢：优质碳素钢:35、50、45钢 普通碳素钢Q235、Q255、Q275 合金钢：20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn、35CrMo 2.球墨铸铁: QT500-5、QT600-2
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万向联轴器
当一轴固定时,另一轴 可以在任意方向偏斜 α 角,角位移α可达 40º ~45∘。 当主动轴以等角速度1 回转时,从动轴的角速度 2 将在一定范围 1 cos 2 1 / cos 内作周期性的变化,从而引起动载荷。
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2.紧联接

楔键联接 结构: 键侧与键槽有间隙 , 上下面楔紧 工作原理: 上下面为工作面，靠摩擦力传 递转矩 方头楔键、钩头楔键、圆头楔键

失效形式: 工作面压溃 特点: 简单, 且可实现轮毂在轴上单向轴向固定 楔紧产生偏心, 对中性差, 不适于高速及对中要求高的场合
多圆盘摩擦离合器
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超越离合器
是只能按一个转向传 递转矩,反向时自动分 离.宜于高速转动,但 制造精度要求高。
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三、带式制动器
带式制动器制动 轮轴和轴承受力 大，带与轮间压 力不均匀,从而磨 损也不均匀,且易 断裂,但结构简单, 尺寸紧凑,可以产 生较大的制动力 矩,常应用。
三、花键联接
特点： 受力较均匀，应力集 中小，承载能力大. 对中性好，导向性好， 精度高. 需专门设备和工具, 成本高. 结构: 轴及轮毂孔周向均布 的多个键齿互相配合, 构成花键联接.
工作原理: 键侧是工作面，靠键侧面 与键槽挤压传递转矩.
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9-5 联轴器、离合器和制动器


失效形式: 静联接：工作面压溃，键剪断 动联接：工作面磨损 特点：结构简单，装折方便，对中性好，承载能力大，应用广泛 成对使用:
承载能力不够时采用, 按 180°布置两个键。
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平键分类

普通平键 Ａ(圆头)型：立铣刀，键定位好，轴应力集中大 Ｂ(平头)型：盘铣刀，应力集中小 Ｃ(单圆头)型：立铣刀加工，用于轴端 导向平键 键固定于轴上, 滑移距离小
2 键的强度校核

静联接: 压溃→挤压强度
p

2T p dkl

L
ls
键被剪断→剪切强度
2T dbl
圆头: l =L-b 平头: l =L 单圆头: l =L-b/2
[p] －查表9-5 一般不会发生键的剪断，故一般不作剪断强度校核
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设计公式:
d
3
3 3 9.55 10 6 P T P A mm 0.2[τ T ] 0.2[τ T ]n n
令其为系数 A 系数 A 取决于材料的扭转切应力。查表9-2 注意: 若该轴段有一个键槽，d 值增大4-5%; 有两个键槽，增大7-10%
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2. 按弯扭合成强度计算
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为消除从动轴的速度波动,通常将万向联轴器成 对使用,并使中间轴的两个叉子位于同一平面上, 还应使主、从动轴的轴线与中间轴的轴线间的 偏斜角 相等 1 2，转速不宜太高。
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3、有弹性元件挠性联轴器
轴的材料，见表9-1
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9-2 轴的结构
结构设计步骤：
1.拟定轴上零件装配方案 2.估算轴的最小直径dmin 3.确定各段直径及长度 4.确定轴的结构要素
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一、轴的结构
轴头：轴和旋转零件的配合部分 轴颈：轴和轴承配合的部分
轴肩(轴环)：轴的直径变化所形成的阶梯处
轴系结构改错
四处错误
正确答案
三处错误
正确答案
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两处错误
1.左侧键太长，套筒 无法装入
2.多个键应位于同一 母线上
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结构示例1
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结构示例2： 结构改错
滚动轴承
平键1
齿轮
套筒
轴承端盖
半联轴器 平键2 轴端挡圈
①
②
③
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1. 按载荷性质分类

心轴：只承受弯矩，不承受转矩


传动轴：主要承受转矩
转轴：既承受弯矩，又承受转矩
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2. 按形状分类
直轴、曲轴、软轴
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三、轴设计考虑的问题
1、结构问题 — 确定轴的形状和尺寸 2、强度问题 — 防止轴发生疲劳断裂 3、刚度问题 — 防止轴发生过大的弹性变形 4、振动稳定性问题 — 防止轴发生共振
1. 制造工艺性要求
轴应有良好的制造工艺，便于加工
光轴

等强度轴
阶梯轴
螺纹退刀槽；砂轮越程槽
越程槽
退刀槽
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2. 装拆要求
轴上零件要易于装拆、调整 不同的装拆方案，得到不同结构 轴的直径应圆整成标准值

非定位轴肩(便于装配)、定位轴肩(零件定位) 轴端应有倒角,定位轴肩要有一定的定位高度. 设计轴肩时应注意: 轴承定位轴肩(套筒)不能过高(以便拆卸) 轴长应略短于轮毂宽度(保证零件固定) 轴肩圆角ｒ＜轮毂孔圆角Ｒ(倒角Ｃ)
弹性套柱销联轴器
结构简单,制造容易,装拆方 便,成本较低。适用于转矩小、 转速高、频繁正反转、需要 缓和冲击的地方。
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弹性柱销联轴器
结构简单,制造方 便,成本低。适用 于转矩大、转速 高、正反向变化 多、起动频繁的 高速转轴。
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W
1 b
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二、轴的刚度计算
一、弯曲刚度计算
挠度条件：
y [ y]
二、 扭转刚度计算

扭角条件：
[ ]
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9-4 轴毂联接
一、键联接的分类及结构
二、键的强度校核 三、花键联接
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一、键联接的分类及结构
胀 套 联 接
销 联 接
过 盈 联 接
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轴向定位和固定的方法：

防止轴上零件工作时发生轴向蹿动
轴肩
套筒
轴肩圆角半径r 圆角半径R 轴肩高a R
轴肩圆角半径r 倒角C1 轴肩高a C1
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圆螺母
轴端挡圈
紧定螺钉
锥面
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机械设计基础概论——轴和联轴器
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二、离合器
离合器按其工作原理： 分为嵌合离合器和摩擦 离合器等。 离合器按其离合方式： 分为操纵式离合器和自 动离合器。
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圆盘摩擦离合器
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二、键的强度校核


键的选择
键是标准零件：表9-4


材料多采用碳素钢
键的类型选择—根据使用要求和工作条件: 转矩、转速、载荷性质、是否移动、对中性 键的尺寸选择: 工作要求→ 键的种类→按轴径d选键的b 、 h→选键长L(标 准; 短于轮毂宽度)

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目的： 键是用来实现轴与轴上零件的周向固定以传递转矩 键是标准件 分类： 普通平键 平键 导向平键 松联接 半圆键 键 联 紧联接—楔键 接 花键
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1. 松联接
（1）平键联接 结构:键两侧与键槽相配合(静联接为过渡 配合, 动联接为间隙配合), 上端面与轮毂 键槽底面有间隙 工作原理:两侧面是工作面，靠两侧面挤 压传递转矩
弹性挡圈
轴承端盖
注意：轴头长度
< 轮毂的轴向长度
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4. 尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态
尽量减少应力集中： 轴肩处要有过渡圆角 相邻轴径的变化不宜太大

改善零件位置及结构, 以改善轴的受力状态
内凹圆角
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(2) 半圆键联接

结构: 工作原理: 两侧面是工作面，侧面 挤压传递转矩 构造与加工: 键: 用圆钢切制或冲压 后磨削 键槽: 盘状铣刀加工 失效形式: 键剪断, 工作面压溃 特点: 便于安装, 对中好, 用于锥形轴端, 但对轴削弱大 成对使用: 承载能力不够时用, 沿同一 母线布置
齿式联轴器
允许角位移可达 3 传递转矩大,补偿适量的综合位移，常用于重型机械中。
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源自文库
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滑块联轴器
滑块联轴器允许的径向位移 y 0.04d d ——轴的直径
允许的角位移 30'。 十字滑块联轴器径向尺寸小,结构简单,用于低速一般不 超过300r/min。
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第9章 轴
9-1 9-2 9-3 9-4 9-4 轴的分类和材料 轴的结构 轴的计算 轴毂联接 联轴器和离合器
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9-1 轴的分类和材料
一、轴的功用 1. 支承旋转零件并传递运动和动力 2. 保证所有轴上零件有确定的轴向工作位置
二、轴的分类 1. 按载荷性质分类 2. 按形状分类

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3. 定位和固定要求
轴与轴上零件要有准确的工作位置 定位：零件有准确的工作位置 固定：零件在轴上的位置牢固可靠
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周向定位和固定的方法：

防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩。
常用的周向固定方法
键 联 接
花 键 联 接
型 面 联 接
适用状况： 轴承位置以及作用在轴上的载荷性质、大小、方向和作用 点已知——准确计算 弯、扭联合作用时，采用第三强度理论 步骤： 绘制受力计算简图 计算所有力引起的弯矩 2 2 合成弯矩M M M H MV 计算扭矩 2 2 合成当量弯矩Mc M C M ( T ) 强度条件： M C [ ]
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联轴器的分类
刚性联轴器
无弹性元件挠性联轴器 有弹性元件挠性联轴器
挠性联轴器
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1、刚性联轴器 凸缘联轴器:对两轴对中性的要求很高,结构 简单、成本低、传递转矩大应用最广。
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2、无弹性元件挠性联轴器
轴头
轴肩
轴颈
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轴的结构设计的要求
1. 制造工艺性要求：

轴应有良好的制造工艺，便于加工
轴上零件要易于装拆、调整
2. 装拆要求：

3. 定位和固定要求：

轴与轴上零件要有准确的工作位置，并保持这一位置
4. 尽量减少应力集中, 改善轴的受力状态
机械设计基础概论——轴和联轴器
联轴器和离合器主要用作轴与轴之间的 联接，以传递运动和转矩。 联轴器必须在机器停车后，经过拆卸才 能使两轴结合或分离。 离合器在机器工作中可随时使两轴结合 或分离。

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一、联轴器
轴向位移
径向位移
角位移
综合位移
如果联轴器没有适应这种相对位移的能力，就会在 联轴器、轴和轴承中产生附加载荷，甚至引起强烈震动。 所以设计联轴器时，要采取各种结构措施，使之具有适 应上述相对位移的能力。
④
⑤
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9-3 轴的计算

轴的工作能力主要取决与强度和刚度，高 速轴还要校核振动稳定性
一、轴的强度计算
机械设计基础概论——轴和联轴器
1. 按扭转强度计算
适用状况： (1)轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩） (2)弯矩未知，按扭距作初步计算 T T 9.55 10 6 P 扭剪应力: T T 3 3 WT d / 16 0.2d n