机械设计基础第第6章 轴和轴毂连接

d 3
P 9.55106 3 P 3 A0 mm 0.2[ ] n n
T—扭矩 ， T—抗扭截面系数， P—功率，n—转速， W [τT]—许用应力， d—计算直径，A0—材料系数。
表 常用材料的[τT]值和A0值 轴的材料 [τT](N/mm )
Q235-A3, 20 Q275, 35 1Cr18Ni9Ti 45 40Cr, 35SiMn 38SiMnMo, 3Cr13
计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。
图示减速器输出轴就有两种装配方案。
s a B c L a
圆锥圆柱齿轮 二级减速器
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方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，加工工艺复杂，
且质量较大，故不如方案一合理 。
方案一
方案二
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6.2.2 轴上零件的定位要求 定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。 轴肩----阶梯轴上截面变化之处。 套筒
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3)改进轴的局部结构可减小应力集中的影响
合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。 应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。 应力集中处 R
措施： ①用圆角过渡； ②尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;
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③重要结构可增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、
轴肩
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轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。
双向固定
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轴肩的尺寸要求: r <C1 或 r < R
h C C11 D r
b
h d D
r R R
d
h≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm
b≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)
制
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6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩。 类 心轴---只承受弯矩。 型 光轴 直轴 阶梯轴 按轴的形状分有： 曲轴 挠性钢丝轴
起重卷筒的两种不同结构方案比较
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6.2.4 提高轴的强度的常用措施
2)合理布置轴上零件
输出 输入 输出
当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷， 应将输入轮布置在中间。
输出 输出 输入
T1 T2
T2 T1+T2 T1 T1+T2
合理
Tmax = T1
不合理
Tmax= T1+T2
转动心轴
前轮轮毂 支撑反力 火车轮轴
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固定心轴
6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩。 类 心轴---只承受弯矩。 型 光轴 直轴 阶梯轴 按轴的形状分有：
15~25
20~35
25~45
35~55
A0
149~126
135~112
126~103
112~97
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常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。 配合轴 段的直径应由标准件和配合性质确定。
1) 装配轴承
与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；(υ20~385 mm) 与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套： … 32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70 …..
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6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩。 类 心轴---只承受弯矩。 型 光轴 直轴 阶梯轴 按轴的形状分有： 曲轴
835 530 490 600 800
635
195 370 480
395 190 180 215 290
230 115 110 185 250
6.1.3 轴的设计过程
设计任务：根据工作要求并考虑制造工艺等因素，选用合 适的材料、初算轴径进行结构设计，定出轴的结构形状和 尺寸，再进行工作能力计算。 轴的结构设计： 根据轴上零件的安装、定位以及 轴的制造工艺等方面的要求，合理地 确定轴的结构形式和尺寸。 工作能力计算： 轴的承载能力验算指的是轴的强 度、刚度和振动稳定性等方面的验算
例：说出轴系中各零件的轴向和周向定位方法。
箱体
端盖
①
②
轴端挡圈 注意：为定位可靠，安装轮毂的轴段应比轮毂短2—3mm。 如①、②两处。
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6.2.3各轴段直径和长度的确定
轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；
确定轴段直径大小的基本原则：
1)按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。
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6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩。 类 心轴---只承受弯矩。 型 按轴的形状分有： 自行车
车厢重力 前轮轴 前叉
≤ 100 热轧或锻 后空冷 > 100~250 ≤ 100 170~217 正火 > 100~300 162~217 45 ≤ 200 217~255 调质 ≤ 100 40Cr 241~286 调质 > 100~300 ≤ 100 270~300 40CrNi 调质 > 100~300 240~270 ≤ 100 229~286 38SiMnMo 调质 > 100~300 217~269 ≤ 60 293~321 38CrMoAlA 调质 > 60~100 277~302 > 100~160 241~277 渗碳 渗碳 淬火 ≤ 60 56~62 20Cr 回火 HRC 调质 ≤ 100 ≥ 241 3Cr13 ≤ 100 1Cr18NiTi ≤ 192 淬火 > 100~200 190~270 QT600-3 QT800-2 245~335 聊城大学 汽车学院 汽车工程系 Q235A
2) 装配联轴器
配合段直径应符合联轴器的尺寸系列： 联轴器的孔径与长度系列
孔径d
长度 长系列 L 短系列
30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 60 63 65…
82 60 112 84 142 107
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6.2.4 提高轴的强度的常用措施 1)改进轴上零件的结构
用于不重要或载 荷不大的轴 有较好的塑性和 适当的强度，可 用于一般曲轴、 转轴。
Q235 35 正火 ≤100
149 ~187
440 520
240 270
200 250
……
…
…
…
…
…
…
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表6-1 轴的常用材料及其主要力学性能（续）
材料牌号 热处理 毛坯直径 mm 硬度 HBS 屈服强 弯曲疲 度极限 劳极限 σ-1 σs MPa 400~420 225 170 375~390 215 590 295 255 570 285 245 640 355 275 735 540 355 685 490 335 900 735 430 785 570 370 735 590 365 685 540 345 930 785 440 835 685 410 785 590 375 抗拉强 度极限 σb 640 390 305 剪切疲 许用弯 劳极限 曲应力 [σ-1] σ-1 105 140 135 155 200 185 260 210 210 195 280 270 220 160 40 55 60 70 75 70 备 注
图示为起重机卷筒两种布置方案。 A图中大齿轮和卷筒联成一体，转 距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷 筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中 轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷 相同时，图a结构轴的直径要小。
T 方案 a 轴径小
Q
方案b 轴径大
Q
×
3
×
× 2
3
×
2
电动机
× 1
FQ
电动机
× 1
FQ
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第6章 轴和轴毂连接
学习目标：
1.了解轴的分类及常用材料； 2.掌握轴的结构设计和强度计算方法。 学习重点： 阶梯轴的结构设计和强度计算方法。
学习难点：
轴的结构设计。
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6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 类 型 按轴的形状分有：
用于不太重要及受 载荷不大的轴 应用最为广泛
用于载荷较大，而无 大的冲击的重要轴
用于很重要的轴 用于重要轴，性能 近于40CrNi 用于要求高耐磨性， 高强度且热处理变 形很小的轴
75
60
75 45
用于要求强度及韧 性均较高的轴
用于腐蚀条件下的轴 用于高、低温及腐 蚀条件下的轴 用于制造复杂外形 的轴
转轴 心轴
传动轴
弯曲扭 转
弯曲
扭转
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1
2 3 4
Motor
1——传动轴：T 2——转轴：T + M 3——转轴：T + M 4——心轴 ：M
×
×
×
×
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6.1.2 轴的材料
种 类 碳素钢：35、45、50、Q235
正火或调质处理。
合金钢: 20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等
无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。 装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈、圆锥面定位。
双圆螺母
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轴端挡圈
轴向力较小时，可采用弹性挡圈或紧定螺钉来实现。
周向固定大多采用键、花键、过 盈配合或型面联接等形式来实现。
键槽应设计成 同一加工直线
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2)有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。 3)安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。 4)有配合要求的零件要便于装拆。 5)与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般 应比轮毂宽度短2-3mm。
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最小轴径dmin的确定:
T 9.55 106 P T [ T ] MPa 3 WT 0.2d n
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轴上零件的装配要求
轴端挡圈 带轮 轴承盖 套筒 齿轮 滚动轴承
典型轴系结构
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6.2.1 拟定轴上零件的装配方案
装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。
聊城大学 汽车学院 汽车Fra Baidu bibliotek程系
轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设
选择材料 结构设计
轴的承载能力验算 验算合格? Y 结束 N
轴的设计过程：
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6.2 轴的结构设计
轴结构设计的主要要求：
①轴上零件要便于装拆和调整，即满足轴上零件的 装配要求；
②轴和轴上零件有准确的工作位置，各零件要牢固 而可靠地相对固定，即满足零件定位要求； ③加工方便和节省材料，即满足结构工艺性要求； ④轴上零件受力合理,并尽量减少应力集中，即满足 强度要求。
用途：碳结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，
尤其是45钢应用最广。合金钢具有较高的力学性
能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。 轴的毛坯:一般用圆钢或锻钢，有时也用铸钢或球墨铸铁。 表6-1 轴的常用材料及其主要力学性能
材料及热处理 毛坯直径 硬度 强度极限σb mm HBS 屈服极限σs 弯曲疲劳极限σ-1 MPa 应用说明
带式运 输机 电动机
减速器
转轴
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6.1 概述 6.1.1轴的功用和分类 功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮、凸轮等,传递运动和动力。 分类： 转轴---传递扭矩又承受弯矩。 按承受载荷分有： 传动轴---只传递扭矩。 类 型 按轴的形状分有：
发动机 传动轴 后桥
郭宏亮教授研制
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各种轴的受力 转轴：同时承受弯矩和扭矩 心轴：只受弯矩，不受扭矩 固定心轴 转动心轴 传动轴：主要受扭矩，不受弯矩或弯矩很小 载荷 运转情况 单向 双向 固定 转动 单向 双向 应力状态 弯曲：对称 扭转：脉动 弯曲：对称 扭转：对称 静应力或脉动 对称 脉动 对称