第十章 轴及轴毂联接,10-1概述 10-2轴的结构设计 10-3轴的设计计算 10-4轴毂联接,10-1概述,轴是组成机器的重要零件之一轴的主用功用是支承旋转零件并传递运动和动力，同时，它又通过轴承和机架联接 10-1-1轴的分类 按轴的受载情况可分为传动轴、心轴和转轴 (1)传动轴只承受转矩、不承受弯矩或受很小弯矩的轴如图10-1所示为汽车的传动轴 (2)心轴通常指只承受弯矩而不承受转矩的轴心轴按其是否转动可分为转动心轴和固定自轴如图10-2 (a)所示为车辆的转动心轴;如图10 -2 (b)所示为自行车前轮的固定自轴在静载荷作用下，固定心轴产生静应力，转动心轴产生对称循环变应力.,上-页 下-页 返回,10-1概述,(3)转轴既承受弯矩又承受转矩的轴转轴在各种机器中最为常见如齿轮轴图10 -3所示齿轮减速器中的轴都是转轴 轴的分类方法很多，按照轴线形状轴可分为直轴、曲轴和挠性轴;按照外形，轴又可分为光轴和阶梯轴;此外按照心部结构，轴可分为实心轴和空心轴 10-1-2轴的材料 由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的抗疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工性。
轴与滑动轴承发生相对运动的表面应具有足够的耐磨性轴的常用材料是合金钢、,下-页 返回,10-1概述,碳素钢、球墨铸铁和高强度铸铁 选择轴的材料时，应考虑轴所受载荷的大小和性质、转速高低、周围环境、轴的形状和尺寸、生产批量、重要程度、材料机械性能及经济性等因素，选用时注意如下几点: (1)合金钢必须注意的是:①合金钢对应力集中的敏感性高，且价格高，所以合金钢轴的结构形状必须合理，否则就失去用合金钢的意义②在-般工作温度下，合金钢和碳素钢的弹性模量十分接近，故用合金钢代替碳素钢不能达到提高刚度的日的，此时应通过增大轴径、改变结构或减小跨距等方式来解决③各种热处理、化学处理及表面强化处理(如喷丸、滚压等)，可以显著提高碳素钢或合金钢制造的轴的疲劳强度,上-页 下-页 返回,10-1概述,及耐磨性，但对其刚度影响很小合金钢只有进行热处理后才能允分显示其优越的力学性能 （2）碳素钢有足够高的强度，对应力集中敏感性较低，便于进行各种热处理及机械加工，价格低、供应允足，故应用最广 (3)球墨铸铁和高强度铸铁球墨铸铁和高强度铸铁的机械强度比碳素钢低，但因铸造工艺性好，适合于制造外形复杂的轴(如曲轴、凸轮轴等)，其价格低廉、强度较高、具有良好的吸振性、耐磨性和易切削性好，对应力集中敏感性低，故应用日趋增多。
但铸件质量不易控制，可靠性差表10-1列出了轴的常用材料及其力学性能，供设计时参考选用上-页 下-页 返回,10-1概述,10-1-3设计轴的要求 设计轴的基本要求是保证轴具有足够的强度和合理的结构有的轴，如机床主轴应有足够的刚度;汽轮机转子轴还要进行振动稳定性演算等上-页 返回,10-2轴的结构设计,轴的结构设计就是根据轴的受载情况和工作条件确定轴的形状和全部结构尺寸轴结构设计的总原则是:在满足工作能力的前提下，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轴承定位③处为轴环下-页 返回,10-2轴的结构设计,10-2-2轴上零件的轴向固定和周向固定 1.车由向固定 轴上零件的轴向固定是为了防止在}_作中零件沿轴向窜动零件的轴向固定可采用轴肩、轴环、套筒、圆螺母、轴端挡圈、弹性挡圈、紧定螺钉等方式 (1)轴肩、轴环。
固定简单可靠，不需要附加零件，能承受较大轴向力(图10-5）广泛应用于各种轴上零件的固定但这种方法会使轴径增大，阶梯处形成应力集中 (2)套筒简单可靠，简化了轴的结构且不削弱轴的强度(图10-6) (3)圆螺母固定可靠，可承受较大的轴向力，能实现轴上,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,零件的间隙调整(图10-7). (4)圆锥面和轴端挡圈用圆锥面配合装拆方便，且可兼作周向固定，能消除轴和轮毅间的径向间隙，能承受冲击载荷，只用于轴端零件固定，常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定(图10-8)轴端挡圈(又称压板)，用于轴端零件的固定，工作可靠，能承受较大轴向力，应配合止动垫片等防松措施使用 (5)弹性挡圈力集中可靠性差， (6)轴端挡板结构简单紧凑，装拆方便，但轴向承受力较小，且轴上切槽将引起应常用于轴承的轴向固定(图10-9)适于心轴轴端零件的固定,只能承受较小的轴向力(图10-10).,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,2.周向固定 零件在轴上的周向固定方式有键联接、花键联接、销联接等，紧定螺钉也可起周向固定作用(图10-11 )销联接主要用来固定零件的相互位置，也可传递不大的载荷(图10-12)，常用的由圆锥销和圆柱销。
10-2-3影响轴结构的因素 轴的结构设计应满足以下准则:轴上零件相对于轴必须有可靠的轴向固定和周向固定;轴的结构要便于加工，轴上零件要便于装拆;轴的结构要有利于提高轴的疲劳强度 1.轴的加工工艺性 为使轴具有良好的加艺性，应注意以下几点:,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,(1)轴直径变化尽可能小， 并尽量限制轴的最小直径与各段直径差，这样既可以节省材料又可以减少切削加工量 (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. (3)应尽量使轴上同类结构要素(如过渡圆角、侄l角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等)的尺寸相同，并符合标准和规定;如数个轴段上有键槽，应将它们布置在同-母线上，以便于加工. 2.轴的装配工艺性 为使轴具有良好的装配工艺性，常采取以下措施:,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,(1)为了便于轴上零件的装拆和固定，常将轴设计成阶梯形，轴上装有联轴器和齿轮，并用滚动轴承支承 (2)为了便于装配，轴端应加工出45°或30°，60°倒角，过盈配合零件装入端常加工出导向锥面 3.改善轴的受力状况，减小应力集中 合理布置轴上零件可以改善轴的受力状况。
在图10-15 (b)中，大齿轮和卷筒联成-体，转矩经大齿轮直接传给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩，在起重同样载荷w时，轴的直径可小于图10-15(a)的结构 改善轴的受力状况的另-重要方面就是减少应力集中应力集中常常是产生疲劳裂纹的根源为了提高轴的疲劳强度，,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,应从结构设计、加工工艺等方面采取措施，减小应力集中，对于合金钢轴尤其应注意这-要求 (1)要尽量避免在轴上(特别是应力较大的部位)安排应力集中严重的结构，如螺纹、横孔、凹槽等 (2)当应力集中不可避免时，应采取减少应力集中的措施，如适当增大阶梯轴轴肩处圆角半径、在轴上或轮毅上设置卸载槽安全等，如图10-17 (a)、图10-17 (b)所示 (3)键槽端部与轴肩距离不宜过小，以避免损伤过渡圆角，减少多种应力集中源重合的机会 10-2-4各轴段尺寸的确定 1.轴径的确定,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,以图10 -4为例来阐述确定轴的直径时应遵循的原则: (1)轴头的直径取标准尺寸(见表10-2) (2)安装滚动轴承的轴颈，应按滚动轴承标准规定的内孔直径选取 (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:,上-页 下-页 返回,10-2轴的结构设计,（1)轴与传动件轮毅相配合的部分(图10 -4中④和⑦)的长度 (2)安装滚动轴承的轴颈长度取决于滚动轴承的宽度 (3)其余段的轴径长度，可根据总体结构的要求(如零件间的相对位置、拆装要求、轴承间隙的调整等)在结构设计中确定,上-页 返回,10-3轴的设计计算,10-3-1传动轴的强度计算 传动轴工作时只承受扭矩，由材料力学可知，实心圆截面轴的强度条件为： 10-3-2心轴的强度计算 在-般情况下，作用在轴上的载荷方向不变，故心轴的抗弯强度条件为：,,,下-页 返回,10-3轴的设计计算,计算轴的直径时，式(10 -2)可以写成 10-3-3转轴的强度计算与设计过程 1.选择轴的材料，初估轴径 对于转轴，在开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点位置，弯矩值不能确定，因此，-般在进行轴的结构设计前，先按纯扭转对轴的结构进行估算。
对于圆截面的心轴即:,,上-页 下-页 返回,10-3轴的设计计算,2.转轴的结构设计 在轴的结构设计时，必须按比例绘制轴的结构草图通常按以下步骤设计: (1)确定轴上零件的位置和固定方法 (2)确定各轴段的直径和长度 3.转轴的强度计算 （1）画出轴的空间力系图，如图10-18 （b)所示,,上-页 下-页 返回,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 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 (6)计算当量弯矩根据第三强度理论，当量弯矩,,,上-页 下-页 返回,10-3轴的设计计算,(7)校核轴的强度对选定的危险截面按下式验算:由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险截面强度条件为: 对于直径为d的实心轴，有WT=2 W，由式(10-5)得 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,,,上-页 下-页 返回,10-3轴的设计计算,计算轴的直径时，式(10-6)可以写成 对于重要的轴，还需考虑应力集中、表面状态以及尺寸的影响，用安全系数法作进-步的强度校核，其计算方法见有关机械设计教材或参考书.,,,上-页 返回,10-4轴毂联接,10-4-1键联接的类型 键是标准件，分为平键、半圆键、楔键等，有关标准均可从《机械设计手册》中查得 1.平键 平键的两侧面是工作面。
这种键联接定心性好，装拆方便，能承受冲击或变载荷工作时靠键与键槽互相挤压与键的剪切传递转矩键联接按用途分为普通平键、导向平键和滑键三种 普通平键，应用最广，构成静联接，如图10-19所示普通平键按端部形状不同分为A型(圆头)、B型(方头)、C型(单圆头)三种A型键和在C型键在轴上的键槽用端铣刀加工,下-页 返回,10-4轴毂联接,B型键在轴上的键槽用盘状铣刀加工与B型键相比，A型键在键槽中易于固定，但轴上键槽的应力集中较大C型键常用于轴端处 2.半圆键 半圆键也是以两侧面为工作面，如图10-22所示，用于静联接半圆键能在轴上键槽中摆动，以适应轮毅键槽底面的倾斜，便于安装且有良好的自位作用缺点是键槽较深，对轴的强度削弱较大，只适用于轻载联接，常用在锥形轴端与毅孔的联接中 3.楔键 楔键(图10 - 23)上下面是工作面，常用的有普通楔键和钩头楔键两种键的上表面和轮毅键槽底面各具有1: 100的,上-页 下-页 返回,10-4轴毂联接,斜度，装配时把楔键打入轴和轮毅的键槽内，使在工作面上产生很大的压紧力工作时主要靠楔紧的摩擦力传递转矩，并能承受单方向的轴向力由于楔键打入时迫使轴和轮毅产生偏心，故多用于对中性要求不高、载荷平稳和转速较低的场合。
10-4-2普通平键联接的强度校核 1.平键联接的受力和失。