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1、长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,第14章 轴和轴毂连接,14-1 概述,14-2 轴的结构设计,14-3 轴的强度计算,14-5 轴的设计,14-6 轴毂连接,14-4 轴的材料及选择,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩。,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩。,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,长沙航空职
2、院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,固定心轴,火车轮轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯
3、矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,曲轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1 概述,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,曲轴,挠性钢丝轴,设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,14-2 轴的结构设计,设计要求：,1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装),2.轴和轴上零件
4、要有准确的工作位置；(定位),3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定),4.改善应力状况，减小应力集中。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。,为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序,一、制造安装要求,取值见P119,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。,二、轴上零件的定位,4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。,轴肩阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。,长沙航空
5、职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。,三、轴上零件的固定,齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。,双向固定,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。,轴肩的尺寸要求:,r C1 或 r R,b1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准),轴端挡圈,h(0.07d+3)(0.1d+5)mm,装在轴端上的
6、零件往往采用轴端挡圈固定。,取值见P119,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。,周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。,为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。,键槽应设计成同一加工直线,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,四、改善轴的受力状况，减小应力集中,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
7、用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。,Tmax=T1+T2,Tmax=T1,1.改善受力状况,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。,合理,不合理,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,2.减小应力集中,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的。,措施：1.用圆角过渡；,2.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;,3.重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-3 轴的强度计算,一、按扭转强度
8、计算,轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。,对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为,设计公式为,对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。,计算结果为 最小直径！,解释各符号的意义及单位,应圆整为 标准直径！,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。,在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。,因b和的循环特性不同，折合后得,二、按弯扭合成强度计算,对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。,强度条件为,弯曲应力,扭切应
9、力,代入得,W抗弯截面系数；WT 抗扭截面系数；,-折合系数,Me-当量弯矩,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,折合系数取值=,0.3 转矩不变；,0.6 脉动变化；,1 频繁正反转。,静应力状态下的许用弯曲应力,设计公式,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,折合系数取值=,0.3 转矩不变；,0.6 脉动变化；,1 频繁正反转。,设计公式,脉动循环状态下的许用弯曲应力,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,折合系数取值=,0.3 转矩不变；,0.6 脉动变化；,1 频繁正反转。,设计公式,对称循环状态下的许用弯曲应力,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：,1
10、.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH;,2.作垂直弯矩MV图和弯矩MH图;,3.作合成弯矩M图；,4.作转矩T图；,5.弯扭合成，作当量弯矩Me图；,6.计算危险截面轴径:,1.若危险截面上有键槽，则应加大4%,2.若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；,3.若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相 不大，一般以结构设计的轴径为准。,对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。,说明：,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,种类,碳素钢 35、45、50、Q235,轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时
11、也用铸钢或球墨铸铁。,14-4 轴的材料及选择,合金钢 20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等,用途：碳素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。,如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。,为了改善力学性能,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,对2点取矩,举例：计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N,径向力，Fr=6140N,轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146 mm,
12、作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）,L=193 mm,K=206 mm,解：1)求垂直面的支反力和轴向力,=Fa,14-4 轴的设计,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,2)求水平面的支反力,3)求F力在支点产生的反力,4)绘制垂直面的弯矩图,5)绘制水平面的弯矩图,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,6)求F力产生的弯矩图,7)绘制合成弯矩图考虑F可能与H、V内合力共面,a-a 截面F力产生的弯矩为：,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,8)求轴传递的转矩,9)求危险截面的当量弯矩,扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数=0.6,长沙航空
13、职院专用 作者：潘存云教授,求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大4%，故得：,10)计算危险截面处轴的直径,选45钢，调质，b=650 MPa,-1b=60 MPa,符合直径系列。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,146 轴毂连接,作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的轴向固定或移动。,一、键联接的类型,类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。,1.平键联接,特点：定心好、装拆方便。,种类,普通平键,导向平键,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,普通平键结构,单圆头(C型),圆头(A型),方头(B型),用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,
14、用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端,普通平键应用最广。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,导向平键,零件可以在轴上移动，构成动联接。,结构特点：长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,表14-4 普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）,A型,B型,C型,标记实例：圆头普通平键(A型):键16100 GB1096-79,方头普通平键(B型):键B16100 GB1096-79,单圆头普通平键(C型):键C16100 GB1096-79,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,长沙航空职院专用
15、作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,2.半圆键联接,优点：定心好，装配方便。因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。,缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。,特别适用于锥形轴端的联接。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,3.楔键联接和切向键联接,结构特点：键的上表面有1:100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。,缺点：定心精度不高。,应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,类型：普通楔键、钩头楔键。钩头是用来拆卸用的,在重型机械中常采用切向键一对楔键组成。,装配时
16、将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130。,设计：潘存云,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,二、平键联接的强度校核,键的材料：B 370 Mpa的碳素钢，常用45钢。,键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。,键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。,挤压强度条件：,l=L-b,l=L,一般不会出现,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：,若强度不时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。,长沙航空
17、职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,三、花键联接,结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,优点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、导向性好。,类型：矩形花键、键开线花键、三角形花键。,制造容易最常用,用于高强度联接,用于薄壁零件联接,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,四、销联接,作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。,类型,圆柱销,圆锥销,-经多次拆装后，定位精度会降低；,有1:50的锥度，可反复多次拆装。,拆装方便用于盲孔,螺母锁紧抗冲击,不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。,带槽圆柱销,装配前、后,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,本 章 重 点,掌握轴的结构设计,掌握对轴进行强度计算,了解轴与轴类零件的连接,
