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。
e b 4 2
b
M W
M 0.1d 3
T WP
T 0.2d 3
T 2W
e
M 2 4 T 2 1 W 2W W
M2
T2
1 0.1d 3
M2 T2
e—当量应力 MPa b—弯曲应力 MPa M—危险截面上的合成弯矩 N.mm W—危险截面上的抗弯截面系数 mm3
W 0.1d 3
二、保证轴上零件的准确定位和可靠固定 1．轴向定位和固定 轴上零件一般均应作双向固定，定位方法有： （1）轴肩、轴环
应有r≤C1或R 定位轴肩 h (0.07 ~ 0.1)d 或 h (2 ~ 3)C1
非定位轴肩 h 1.5 ~ 2mm
b 1.4h
（2）套筒、圆螺母、双螺母 套筒—两零件相对较近 圆螺母—两零件相对较远
l B (2 ~ 3)mm
圆螺母
双螺母
（3）弹性挡圈、紧定螺钉 只能承受较小的轴向力
（4）轴端挡圈、圆锥面 可承受较大轴向力
止动销 止动垫片
螺钉 轴端挡圈
轴端挡圈装配演示
B
轴肩 止动垫片
止动销
l
轴端挡圈
螺钉
注意： 1）轴肩、轴环定位时，为保证零件与定位面靠紧， 轴上过渡圆角半径或倒角须留意。 2）为保证固定可靠，与轴上零件相配合的轴段长度 比轮毂宽度略短2～3mm。
改善轴的表面质量实例三： 提高轴的疲劳强度问题。某校教师在重庆民生船厂发
现，制成试验用的增速器，经核算其中轴的安全系数为 0.8。他们建议把轴从原来的调质处理改为高频淬火，从 而解决了问题。
§10-3 轴的设计计算
一、按扭转强度计算
这种方法视轴只受转矩，根据转矩大小估算d，并用 降低许用扭剪应力的方法来考虑弯矩的影响。
—许用扭剪应力 MPa
WP—抗扭截面系数 mm3 T —转矩 N.mm
P —传递的功率 KW
n —转速 r/min
d —轴的直径 mm
WP 0.2d 3
二、按经验公式估算 对于一般减速装置中的轴，也可用经验公式估算轴的 最小轴径。 对于高速级输入轴 d=(0.8～1.2)D D——与高速级轴相联的电动机轴径 对于各级低速轴 d=(0.3～0.4)a a——同级齿轮中心距
通碳素钢 （2）受力较大用35，45，50等优质碳钢 （3）对强度、耐磨性要求高选合金钢40Cr 35SiMn等,
但并不能提高轴的刚度 （4）铸铁，价格便宜、对应力集中敏感性低、吸振、
易于得到复杂的形状 轴常用材料及其机械性能可参阅表l0-1
三、设计轴的要求
（1）足够的强度（静强度、疲劳强度）：在正常工作 时不发生断裂。
§10-1 概述
轴是机械中最重要的零件之一，它的主要功用是 支承回转的机械零件（如齿轮、带轮等），并传递运 动和动力。
一、轴的分类 根据轴的受载情况，可分为心轴、传动轴、转轴。 （1）心轴
只承受弯矩不传递转矩的轴。
固定心轴（图10-2a)
转动心轴（图10-2b)
（2）传动轴（图10-3 汽车传动轴）
２．周向定位和固定 （１）键连接、花键连接
传递扭矩和运动
（２）销连接、型面连接 （３）过盈配合连接、紧定螺钉连接
综合看
三、具有良好的制造工艺性，轴上零件要易于装拆
1.键槽开在同一母线上，且宽度尽可能相同（图10-6） 2.轴上圆角、倒角尽量取相同的值 3.需磨削的轴段，应留有砂轮越程槽；需切削螺纹轴段，应留
第十章 轴及轴毂连接
——机械设计基础
高等教育出版社 2013年
第十章 轴及轴毂连接
§10-1 概述 §10-2 轴的结构设计 §10-3 轴的设计计算 §10-4 轴毂连接
重点学习内容
1.能对不同类型的轴进行强度计算。 2.重点掌握轴的结构设计方法。 3.掌握键连接及花键连接的类型、结构、特点和应用。 4.掌握平键连接尺寸的选择方法，并能对平键连接进 行强度计算。
二、平键连接的选择与强度校核 1.平键连接的选择
改善轴的表面质量实例二： 1974年东风船厂6E350柴油机减速箱的一根主轴，
在试车过程中连续断掉两根，经理论验算强度和刚度，是 足够的。但为什么会断呢?经分析后，查明原因有两点： (1)柴油机振动对轴的破坏影响估计不足；(2)轴表面粗糙 度未达到图纸要求。改进后经275h试车通过。这说明，考 虑问题要从多方面分析。
1.平键连接 两侧面是工作面，键的上表面和轮毂槽底之间留有间 隙，是靠两侧面的挤压传递转矩。具有结构简单、装 拆方便、加工容易，对中良好，应用广泛，但不能实 现轴向固定的特点。 平键连接按用途分为三类：普通平键、导向平键、滑 键。
（1）普通平键 用于静连接，即轴与轮毂间无相对滑动。按端部形状 不同分为A型（圆头）、B型（方头）、C型（半圆头） 三种。
3.改善轴的受力状况
F
不合理结构
F
合理结构
减小应力集中实例： ZQ350齿轮箱的高速轴在联轴器与轴承过渡圆角角
处往往被剪断。这是因为联轴器的轴段到轴承直径处 的过渡圆角半径r太小，应力集中太大所致。 改善轴的表面质量实例一：
常州戚墅堰机车厂生产的曲轴，圆角半径处应力集 中过大，一直没有过关，后在圆角处采用滚压工艺，使 寿命提高了一倍。
习题2：指出图中结构设计的错误，在错误处标出 序号，并按序号一一说明理由。
解答： 1)轴肩过高挡住了内圈，轴承不便于折卸； 2)两边均有轴肩，齿轮无法安装； 3)键的顶面应与轮毂槽底面有间隙，且轮毂槽应开
通，轴上键槽处应有局部剖视； 4)轴承不便于安装，此处应该有过渡轴肩； 5)此处的轮毂没有确定的位置，且无轴向固定； 6)键过长，且两键不在同一方位，不便于加工； 7)轴端过长，轮毂无法进行轴向固定。
只传递转矩，不承受 或承受很小弯矩的轴。
（3）转轴 既承受弯矩又传递转矩的轴。 （图10-1 齿轮减速器中的轴） 转轴是机械中最常见的轴，应用最广，本章主要讨论 转轴的设计。心轴和传动轴可视为转轴的特例。
直轴、曲轴，钢丝软轴。来自 各种轴齿轮减速器 中的轴
二、轴的材料 轴是重要零件，工作时产生应力多为变应力，一般选 用机械性能较好的碳素钢和合金钢。主要考虑强度、 刚度、较小的应力集中敏感性、良好的加工性能。 （1）受力较小或不重要的轴：Q235-A，Q275-A等普
T WP
9.55106 P 0.2d 3n
[ ]
MPa
d 3 9.55106 3 P C 3 P
mm
0.2[ ] n
n
C为由轴的材料及承载情况确定的常数。见表10-2 上式所求d作为轴的最小直径进行轴的结构设计，若 该处有一个键槽，d增大5%，有两个键槽，d增大10%。
—扭剪应力 MPa
三、按弯扭合成强度计算
在初估轴径及结构设计完成以后，即可确定轴上载荷 大小、方向、作用点和轴的支承点位置。从而可求出 支承反力，画出弯矩图和扭矩图，这时就可按弯扭合 成强度计算轴的直径（多用来对已设计好的轴进行强 度校核）。
由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险剖面。对于一 般的钢制轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量 应力e，其强度条件为：
（2）合理的结构 （3）足够的刚度：限制变形量（一般刚度够时强度也
够）如机床主轴、电机转子轴。 （4）振动稳定性要求：高速轴除强度、刚度要求外，
要考虑。
§10-2 轴的结构设计
结构设计的目的：确定轴的合理外形和全部结构尺寸。 影响轴结构的因素很多，主要考虑便于加工、装拆以及 定位和提高轴的强度和刚度等方面要求，所以轴没有标 准的结构形式。设计时，应针对不同情况进行具体分析。 对轴结构设计的基本要求是： （1）轴和轴上零件有准确的工作位置 （2）轴上各零件应有可靠的相对固定 （3）良好的制造和安装工艺性，轴上零件要易于装拆 （4）形状、尺寸应有利于减少应力集中 （5）轴的结构尽可能对称，使其受力合理，并有利于
设计式：
d 3 Me
mm
0.1[ 1]b
设计注意：1）找危险截面 ： Me较大或d较小处 2）强度不足采取措施 a) 增大轴径，其它尺寸跟着变化 b) 改用材料、热处理方法