軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

概述軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算軸的材料及選擇軸轂聯(lián)接項(xiàng)目十一軸和軸轂連接2021/5/91（一）教學(xué)要求1、了解軸的分類2、掌握軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、掌握軸的強(qiáng)度計(jì)算方法4、了解軸的疲勞強(qiáng)度計(jì)算和振動(dòng)5、掌握平鍵、花鍵聯(lián)接設(shè)計(jì)計(jì)算方法6、了解其它聯(lián)接的類型與特點(diǎn)（二）教學(xué)的重點(diǎn)與難點(diǎn)1、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2、彎扭合成法計(jì)算軸的強(qiáng)度3、平鍵、花鍵聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算2021/5/92一、概述

軸是組成機(jī)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(yùn)動(dòng)。（一）軸的功用（二）軸的分類（1）按承受載荷不同分轉(zhuǎn)軸心軸傳動(dòng)軸

傳動(dòng)零件必須被支承起來以后才能進(jìn)行工作，支承傳動(dòng)件的零件稱為軸；軸與軸轂之間的連接稱為軸轂連接。2021/5/93轉(zhuǎn)軸：工作時(shí)既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸。機(jī)器中最常見的軸，通常簡稱為軸。（動(dòng)畫展示）例：減速器中的軸2021/5/94心軸：用來支承轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)心軸。例：自行車的前輪軸（固定心軸），圖b。列車車軸（轉(zhuǎn)動(dòng)心軸），圖a。2021/5/95傳動(dòng)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(dòng)軸。2021/5/96例：減速器中的軸（直軸）（2）按軸線形狀的不同分直軸曲軸撓性鋼絲軸光軸階梯軸2021/5/97例：曲軸例：撓性鋼絲軸2021/5/98軸頸軸頭軸身圓柱齒輪減速器中的從動(dòng)軸二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。

2021/5/99軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度和剛度（強(qiáng)度和剛度要求）；階梯軸軸頭軸頸軸身：軸上與旋轉(zhuǎn)零件配合的軸段：軸上與軸承配合的軸段：軸上連接軸頭與軸頸的非配合部分2021/5/910（一）軸的強(qiáng)度、剛度1.使軸的形狀接近于等強(qiáng)度條件，以充分利用材料的承載能力。對(duì)于只受轉(zhuǎn)矩的傳動(dòng)軸，常制成光軸的形狀；對(duì)于受交變彎曲載荷的軸一般制成階梯軸。

軸的強(qiáng)度與工作應(yīng)力的大小和性質(zhì)有關(guān)，在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：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(qiáng)度。2021/5/911

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，軸截面尺寸突變處會(huì)造成應(yīng)力集中，所以對(duì)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(duì)軸表面采用碾壓、噴丸和表面熱處理等強(qiáng)化方法，均可顯著提高軸的疲勞強(qiáng)度。2021/5/912（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(dòng)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(dòng)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(yùn)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。2021/5/913軸肩（軸環(huán)）特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠，可承受較大的軸向力

應(yīng)用：齒輪、帶輪、聯(lián)軸器、軸承等的軸向定位2021/5/914圓螺母特點(diǎn)：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(qiáng)度下降

應(yīng)用：常用于軸的中部和端部2021/5/915彈性擋圈特點(diǎn)：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(dòng)軸承等的軸向定位2021/5/916軸端壓板應(yīng)用：用于軸端零件的固定，特點(diǎn)：可承受劇烈振動(dòng)和沖擊。2021/5/917緊定螺釘應(yīng)用：適用于軸向力很小，轉(zhuǎn)速低的場(chǎng)合特點(diǎn)：可承受很小的軸向力。2021/5/9182.軸上零件的周向固定

為了傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩，防止軸上零件與軸作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，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)用最廣。鍵連接花鍵連接銷釘連接2021/5/919（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(shí)，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45o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：2021/5/9202021/5/9212021/5/922（一）扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算(傳動(dòng)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(gè)鍵槽，可將值增大3%—5%，如有兩個(gè)鍵槽可增大7%—10%。三、軸的強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于圓截面的實(shí)心軸，其抗扭強(qiáng)度條件為：

由上式可得軸的直徑計(jì)算公式：2021/5/923（二）彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算（轉(zhuǎn)軸）

轉(zhuǎn)軸同時(shí)承受扭矩和彎矩，必須按二者組合強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)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(diǎn)取為零件輪轂寬度的中點(diǎn)上。具體的計(jì)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(jì)算水平面和垂直面上的彎矩并作出彎矩圖；3）計(jì)算合成彎矩M，并作出合成彎矩圖；4）計(jì)算轉(zhuǎn)矩T，并作出轉(zhuǎn)矩圖；5）計(jì)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(xiǎn)截面，進(jìn)行軸的強(qiáng)度校核。2021/5/924轉(zhuǎn)軸的彎扭組合強(qiáng)度條件：—當(dāng)量應(yīng)力（N/㎜2）；其中MH、MV分別為水平面上、垂直面上的彎矩?！?dāng)量彎矩（N·㎜），Me—危險(xiǎn)截面上的合成彎矩，M—軸危險(xiǎn)截面彎曲截面系數(shù)，對(duì)圓截面W≈0.1d3。W2021/5/925

對(duì)于頻繁正反轉(zhuǎn)的軸，τ可視為對(duì)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(dòng)循環(huán)處理；—折合系數(shù)對(duì)于不變轉(zhuǎn)矩，對(duì)于脈動(dòng)循環(huán)扭矩，2021/5/926分別為對(duì)稱循環(huán)、脈動(dòng)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(xiǎn)截面有鍵槽時(shí)，應(yīng)將計(jì)算得軸徑增大4%－7%。（三）軸的剛度計(jì)算

1.軸的彎曲剛度計(jì)算2.扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算2021/5/927四、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(jià)格低廉，對(duì)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(hào)鋼。對(duì)于不重要或受力較小的軸也可用Q235、Q275等普通碳素鋼。

合金鋼具有比碳鋼更好的機(jī)械性能和淬火性能，但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，且價(jià)格較貴，多用于對(duì)強(qiáng)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(duì)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。2021/5/928五、軸的設(shè)計(jì)

開始設(shè)計(jì)軸時(shí)，通常還不知道軸上零件的位置及支點(diǎn)情況，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本完成后，才能對(duì)軸進(jìn)行受力分析及強(qiáng)度計(jì)算。因此，一般在進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對(duì)軸的直徑進(jìn)行估算。然后進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，再按彎扭合成的理論進(jìn)行軸危險(xiǎn)截面的強(qiáng)度校核。類比法

根據(jù)軸的工作條件，選擇與其相似的軸進(jìn)行類比及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出軸的零件圖。設(shè)計(jì)計(jì)算法2021/5/929設(shè)計(jì)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(qiáng)度估算軸的最小直徑;

（3）設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)，繪出軸的結(jié)構(gòu)草圖;（4）按彎扭合成進(jìn)行軸的強(qiáng)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2—3個(gè)危險(xiǎn)截面進(jìn)行校核。若危險(xiǎn)截面強(qiáng)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2021/5/930銷連接軸轂連接鍵連接花鍵連接過盈配合連接平鍵連接半圓鍵連接楔鍵連接切向鍵連接松鍵連接緊鍵連接六、軸轂聯(lián)接

軸轂聯(lián)接主要是用來實(shí)現(xiàn)軸和輪轂之間的周向固定并用來傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，有些可承受少量軸向力。2021/5/931（1）普通平鍵1.平鍵連接工作面：兩側(cè)面分類普通平鍵導(dǎo)鍵滑鍵

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2021/5/932（2）導(dǎo)鍵和滑鍵

導(dǎo)鍵和滑鍵都用于動(dòng)聯(lián)接，即軸與輪轂間有相對(duì)軸向移動(dòng)的聯(lián)接。（2）導(dǎo)鍵和滑鍵（2）導(dǎo)鍵和滑鍵1)導(dǎo)鍵

適用于軸向移動(dòng)距離不大的場(chǎng)合，如機(jī)床變速箱中的滑移齒輪。2021/5/9332)滑鍵

用于軸上零件在軸上移動(dòng)距離較大的場(chǎng)合，以免使用長導(dǎo)鍵。2021/5/934

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(jì)確定，鍵長度小于輪轂長度5~10mm,鍵長不宜超過(1.6~1.8)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(jì)算1.平鍵的選擇2021/5/9352021/5/936

平鍵連接受力情況如圖所示。平鍵連接的失效形式有:對(duì)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(duì)導(dǎo)向平鍵和滑鍵連接(動(dòng)連接)而言,其失效形式為工作面過度磨損。

2.鍵的強(qiáng)度計(jì)算

因此,對(duì)于平鍵聯(lián)結(jié)通常只須進(jìn)行擠壓強(qiáng)度或耐磨性能計(jì)算,在重要場(chǎng)合下才進(jìn)行鍵的抗剪強(qiáng)度計(jì)算。2021/5/937靜連接擠壓強(qiáng)度條件為：動(dòng)連接工作壓強(qiáng)計(jì)算為：－鍵的工作長度（㎜），圓頭平鍵；方頭平鍵；單圓頭平鍵－鍵聯(lián)接中擠壓強(qiáng)度最低的零件的許用擠壓應(yīng)力，查表13.62021/5/938表13.6鍵連接的許用應(yīng)力［σp］和壓強(qiáng)［p］2021/5/9392.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(duì)軸的削弱較大,適用于輕載聯(lián)結(jié)。2021/5/9403.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(duì)中要求不高載荷平穩(wěn)、低速的場(chǎng)合。常見的楔鍵有普通楔鍵和鉤頭楔鍵兩種。2021/5/941(2)切向鍵結(jié)構(gòu)：兩鍵配合面各有1：100斜度，成對(duì)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(duì)切向鍵。2021/5/942（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2021/5/9433.花鍵的選用

設(shè)計(jì)花鍵時(shí),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(jìn)行強(qiáng)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(duì)于動(dòng)連接常用壓強(qiáng))進(jìn)行強(qiáng)度校核。2021/5/9441、軸的分類2、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3、軸的強(qiáng)度計(jì)算4、軸的材料及選擇5、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算6、鍵連接的類型、特點(diǎn)及應(yīng)用7、平鍵連接的尺寸選擇與驗(yàn)算8、花鍵聯(lián)接的類型與特點(diǎn)總結(jié)2021/5/9451.自行車的前軸是（）A.心軸B.轉(zhuǎn)軸C.傳動(dòng)軸2.自行車的中軸是（）A.心軸B.轉(zhuǎn)軸C.傳動(dòng)軸3.軸環(huán)的用途是（）A.作為軸加工時(shí)的定位面B.提高軸的強(qiáng)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2021/5/9464.當(dāng)軸上安裝的零件要承受軸向力時(shí)，采用（）來進(jìn)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(jì)算中，軸的直徑是按照（）初步確定的。A.彎曲強(qiáng)度B.扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度C.復(fù)合強(qiáng)度