1、概述 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的強度計算 軸的材料及選擇 軸的設(shè)計 軸轂聯(lián)接,項目十一 軸和軸轂連接,（一）教學(xué)要求 1、了解軸的分類 2、掌握軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 3、掌握軸的強度計算方法 4、了解軸的疲勞強度計算和振動 5、掌握平鍵、花鍵聯(lián)接設(shè)計計算方法 6、了解其它聯(lián)接的類型與特點 （二）教學(xué)的重點與難點 1、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 2、彎扭合成法計算軸的強度 3、平鍵、花鍵聯(lián)接強度計算,一、概述,軸是組成機器的重要零件之一，軸的主要功用是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。,（一）軸的功用,（二）軸的分類,傳動零件必須被支承起來以后才能進行工作，支承傳動件的零件稱為軸；軸與軸轂之間的連接稱為軸轂連接。,轉(zhuǎn)軸：工作時既承

2、受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸。機器中最常見的軸，通常簡稱為軸。（動畫展示）,例：減速器中的軸,心軸： 用來支承轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩。又可分為固定心軸和轉(zhuǎn)動心軸。,例： 自行車的前輪軸（固定心軸），圖b。 列車車軸（轉(zhuǎn)動心軸），圖a。,傳動軸：主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩，或所承受的彎矩很小的軸。,例：汽車中聯(lián)接變速箱與后橋之間的傳動軸。,例：減速器中的軸（直軸）,例：曲軸,例：撓性鋼絲軸,圓柱齒輪減速器中的從動軸,二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是確定軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足以下條件：,軸和裝在軸上的零件要有準(zhǔn)確而可靠的工作位置（定位和固定要求）； 軸要便于加工，有良好

3、的加工和裝配工藝性，軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整（工藝性要求）； 軸上零件布置合理, 受力合理, 利于提高強度和剛度（強度和剛度要求）；,（一）軸的強度、剛度,1.使軸的形狀接近于等強度條件，以充分利用材料的承載能力。對于只受轉(zhuǎn)矩的傳動軸，常制成光軸的形狀；對于受交變彎曲載荷的軸一般制成階梯軸。,軸的強度與工作應(yīng)力的大小和性質(zhì)有關(guān)，在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點：,2.盡量避免各軸段剖面突然改變以降低局部應(yīng)力集中，提高軸的疲勞強度。,結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，軸截面尺寸突變處會造成應(yīng)力集中，所以對階梯軸相鄰軸段直徑不宜相差太大，在軸徑變化處的過渡圓角半徑不宜過小。盡量避免在軸上開橫孔、凹槽和加工螺紋。在

4、重要結(jié)構(gòu)中可采用凹切圓角、過渡肩環(huán)，以增加軸肩處過渡圓角半徑和減小應(yīng)力集中。為減小輪轂的軸壓配合引起的應(yīng)力集中，可開減載槽。,制造工藝方面，提高軸的表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，對軸表面采用碾壓、噴丸和表面熱處理等強化方法，均可顯著提高軸的疲勞強度。,（二）零件在軸上的固定,常用的軸向固定方法有：軸肩（軸環(huán)）、圓螺母（止動片）、套筒、彈性擋圈、緊定螺釘、軸端擋圈定位等。,1.軸上零件的軸向定位與固定,軸上零件的定位是為了保證傳動件在軸上有準(zhǔn)確的安裝位置；固定則是為了保證軸上零件在運轉(zhuǎn)中保持原位不變。作為軸的具體結(jié)構(gòu)，既起定位作用又起固定作用。,軸肩（軸環(huán)）,特點：結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠 ，可承受較大的

5、軸向力,應(yīng)用：齒輪、帶輪、聯(lián)軸器、 軸承等的軸向定位,圓螺母,特點：定位可靠，裝拆方便，可承受較大的軸向力 由于切制螺紋使軸的疲勞強度下降,應(yīng)用：常用于軸的中部和端部,彈性擋圈,特點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊，只能承受很小的軸向力。,應(yīng)用：常用于固定滾動軸承等的軸向定位,軸端壓板,應(yīng)用：用于軸端零件的固定，,特點：可承受劇烈振動和沖擊。,緊定螺釘,應(yīng)用：適用于軸向力很小，轉(zhuǎn)速低的場合,特點：可承受很小的軸向力。,2.軸上零件的周向固定,為了傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，防止軸上零件與軸作相對轉(zhuǎn)動，軸和軸上零件必須可靠地沿周向固定（連接）。常用的周向固定方法有：銷、鍵、花鍵、過盈配合和成形聯(lián)接等，其中以鍵和花鍵聯(lián)接應(yīng)用最

6、廣。,鍵連接,花鍵連接,銷釘連接,（三）軸的加工和裝配工藝性,1.當(dāng)某一軸段需車制螺紋或磨削加工時，應(yīng)留有退刀槽或砂輪越程槽。,2.軸上所有鍵槽應(yīng)沿軸的同一母線布置。,3.為了便于軸上零件的裝配和去除毛刺，軸及軸肩端部一般均應(yīng)制出45的倒角。,4.為便于加工，應(yīng)使軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。,軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸應(yīng)盡量滿足加工、裝配和維修的要求。為此，常采用以下措施：,（一）扭轉(zhuǎn)強度計算(傳動軸）,求出的直徑值，需圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑，并作為軸的最小直徑。如軸上有一個鍵槽，可將值增大3%5%，如有兩個鍵槽可增大7%10%。,三、軸的強度計算,對于圓截面的實心軸，其抗扭強

7、度條件為：,由上式可得軸的直徑計算公式：,（二）彎扭合成強度計算（轉(zhuǎn)軸）,轉(zhuǎn)軸同時承受扭矩和彎矩，必須按二者組合強度進行計算。通常把軸當(dāng)作置于鉸鏈支座上的梁，作用于軸上零件的力作為集中力，其作用點取為零件輪轂寬度的中點上。具體的計算步驟如下：,1）畫軸的空間力系圖，分解為水平面分力和垂直面分力； 2）計算水平面和垂直面上的彎矩并作出彎矩圖； 3）計算合成彎矩M，并作出合成彎矩圖； 4）計算轉(zhuǎn)矩T ，并作出轉(zhuǎn)矩圖； 5）計算當(dāng)量彎矩Me，繪出當(dāng)量彎矩圖。 6）根據(jù)當(dāng)量彎矩圖找出危險截面，進行軸的強度校核。,轉(zhuǎn)軸的彎扭組合強度條件：,當(dāng)量應(yīng)力（N/2）；,其中MH、MV分別為水平面上、垂直面上的彎

8、矩。,當(dāng)量彎矩（N），,Me,危險截面上的合成彎矩，,M,對于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸，可視為對稱循環(huán)交變應(yīng)力，取,若扭矩變化規(guī)律不清，一般也按脈動循環(huán)處理；,折合系數(shù),對于不變轉(zhuǎn)矩，,對于脈動循環(huán)扭矩，,分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán),、,、,及靜應(yīng)力狀態(tài)下材料的許用彎曲應(yīng)力。,當(dāng)危險截面有鍵槽時，應(yīng)將計算得軸徑增大4%7%。,（三）軸的剛度計算,1.軸的彎曲剛度計算,2.扭轉(zhuǎn)剛度計算,四、軸材料及選擇,軸的常用材料是碳素鋼和合金鋼。,碳素鋼比合金鋼價格低廉，對應(yīng)力集中敏感性低，可通過熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好，故應(yīng)用最廣。一般用途的軸，多用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，尤其是45號鋼。對于不重要或受力較小的軸也可用

9、Q235、 Q275 等普通碳素鋼。,合金鋼具有比碳鋼更好的機械性能和淬火性能，但對應(yīng)力集中比較敏感，且價格較貴，多用于對強度和耐磨性有特殊要求的軸。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，經(jīng)滲碳淬火處理后可提高耐磨性。,球墨鑄鐵容易獲得復(fù)雜的形狀，而且吸振性好，對應(yīng)力集中敏感性低，適用于制造外形復(fù)雜的軸，如曲軸和凸輪軸等。,五、軸的設(shè)計,開始設(shè)計軸時，通常還不知道軸上零件的位置及支點情況，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計基本完成后，才能對軸進行受力分析及強度計算。因此，一般在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對軸的直徑進行估算。然后進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，再按彎扭合成的理論進行軸危險

10、截面的強度校核。,類比法,根據(jù)軸的工作條件，選擇與其相似的軸進行類比及結(jié)構(gòu)設(shè)計，畫出軸的零件圖。,設(shè)計計算法,設(shè)計軸的一般步驟為：,（1）根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應(yīng)力。,（2）按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑;,（3）設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，繪出軸的結(jié)構(gòu)草圖;,（4）按彎扭合成進行軸的強度校核。,1）確定軸上零件的位置和固定方法； 2）確定各軸段直徑、長度。,一般按一般選23個危險截面進行校核。若危險截面強度不夠，則必須重新修改軸的結(jié)構(gòu)。,（5）繪制軸的零件工作圖,六、軸轂聯(lián)接,軸轂聯(lián)接主要是用來實現(xiàn)軸和輪轂之間的周向固定并用來傳遞運動和扭矩，有些可承受少量軸向力。,（1） 普通平鍵,1.平鍵連接,

11、工作面：兩側(cè)面,用于靜連接，按端部形狀不同可分為A型、B型和C型。,（一）鍵聯(lián)接,（2）導(dǎo)鍵和滑鍵,導(dǎo)鍵和滑鍵都用于動聯(lián)接，即軸與輪轂間有相對軸向移動的聯(lián)接。,1)導(dǎo)鍵,適用于軸向移動距離不大的場合，如機床變速箱中的滑移齒輪。,2)滑鍵,用于軸上零件在軸上移動距離較大的場合，以免使用長導(dǎo)鍵。,鍵為標(biāo)準(zhǔn)件, 其主要尺寸(寬度b高h(yuǎn))、軸上及輪轂上槽深t1、t2均根據(jù)軸直徑d由標(biāo)準(zhǔn)中選取。鍵長度L按軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計確定，鍵長度小于輪轂長度510 mm, 鍵長不宜超過(1.61.8)d, 并應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的長度系列。,平鍵聯(lián)結(jié)的選擇和計算,1. 平鍵的選擇,平鍵連接受力情況如圖所示。平鍵連接的失效形式有

12、: 對普通平鍵聯(lián)結(jié)(靜聯(lián)結(jié))而言, 失效形式為工作面的壓潰；對導(dǎo)向平鍵和滑鍵連接(動連接)而言, 其失效形式為工作面過度磨損。,2. 鍵的強度計算,因此, 對于平鍵聯(lián)結(jié)通常只須進行擠壓強度或耐磨性能計算, 在重要場合下才進行鍵的抗剪強度計算。,靜連接擠壓強度條件為：,動連接工作壓強計算為：,鍵聯(lián)接中擠壓強度最低的零件的許用擠壓應(yīng)力，查表13.6,表13.6 鍵連接的許用應(yīng)力p和壓強p,2.半圓鍵,工作面：兩側(cè)面,應(yīng)用：錐形軸端與輪轂的連接，但其軸上的鍵槽過深, 對軸的削弱較大, 適用于輕載聯(lián)結(jié)。,3.楔鍵連接和切向鍵連接,(1)楔鍵,工作面：上下表面,應(yīng)用：用于對中要求不高載荷平穩(wěn)、低速的場合

13、。,常見的楔鍵有普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種。,(2)切向鍵,結(jié)構(gòu)：兩鍵配合面各有1：100斜度，成對組裝，組合后上下表面為工作面。,應(yīng)用：只承受單向轉(zhuǎn)矩；若承受雙向轉(zhuǎn)矩，則應(yīng)相隔 布置兩對切向鍵。,（二）花鍵聯(lián)接,1.分類,2.工作面：側(cè)面,按齒廓形狀分：矩形、漸開線形、三角形,3. 花鍵的選用,設(shè)計花鍵時, 通常先選擇花鍵連接的類型和定心方式, 再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確定尺寸, 然后進行強度校核?；ㄦI連接的主要失效形式為齒面壓潰或磨損, 因此只需按工作面上的擠壓應(yīng)力(對于動連接常用壓強)進行強度校核。,1、軸的分類 2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 3、軸的強度計算 4、軸的材料及選擇 5、軸的設(shè)計計算 6、鍵連接的類型、特點及應(yīng)用 7、平鍵連接的尺寸選擇與驗算 8、花鍵聯(lián)接的類型與特點,總結(jié),1.自行車的前軸是（ ） A.心軸 B .轉(zhuǎn)軸 C .傳動軸 2.自行車的中軸是（ ） A.心軸 B.轉(zhuǎn)軸 C .傳動軸 3.軸環(huán)的用途是（ ） A.作為軸加工時的定位面 B.提高軸的強度 C.提高軸的剛度 D .是軸上零件獲得軸向定位和固定,復(fù)習(xí)思考題,4.當(dāng)軸上安裝的零件要承受軸向力時，采用（ ）來進行軸向固定，所能承受的軸向力最大。 A.螺母 B.緊定螺釘 C.彈性擋圈 5.在軸的初步計算中，軸的直徑是按照（ ）初步確定