1、11.1 概述,转轴,心轴,传动轴,工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。,只承受弯矩而不传递转矩的轴称为心轴。,只承受转矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。,转动心轴,固定心轴,第十一章 轴,11.1.1 轴的分类,按照轴承受载荷的情况,轴的功用：支承旋转零件，传递运动和动力。,按轴线的形状分：直轴、曲轴、挠性轴,11.1.2 轴的设计要求和设计步骤,合理的结构 足够的强度,足够的刚度 振动稳定性,基本要求,转轴的设计步骤： 1）选材 2）估算轴的直径 3）轴的结构设计 4）轴的强度校核 5）必要时作刚度和稳定性校核,轴的材料主要采用,碳素钢:优质碳素钢: 30、40、45、和50钢，其中45钢
2、应用最多。优质碳素钢具有较高的综合机械性能，常用于比较重要或承载较大的轴。,11.1.3 轴的材料,普通碳素钢:Q235、Q275等。 常用于不重要或承载较小的轴。,3 球墨铸铁：容易制成复杂形状，价格低廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及对应力集中敏感性较低。韧性差。,注意：1） 不能采用合金钢代替碳素钢来提高 轴的刚度（弹性模量相差不多）。2） 合金钢对应力集中敏感性强,2 合金钢:常用的合金钢有20Cr、40Cr、20CrMnTi和35CrMo等合金钢具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能，常用于重要、承载大而尺寸受限或有较高耐磨性、防腐性、耐高温等要求的轴。价格较高。,11
3、.2 轴的结构设计,轴的结构设计应考虑以下三方面问题：,2、具有良好的结构工艺性：轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。（制造安装要求）,1、满足使用的要求：轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置。（ 定位固定要求）,3、具有较高的疲劳强度：轴的受力合理，尽 量减少应力集中，采用表面强化处理等。,轴的结构设计就是合理地确定轴的外形。,11.2.1 满足使用的要求,1 周向固定,键连接,花键连接,成形连接,弹性环连接,销连接,过盈配合连接,2 .轴上零件的轴向定位和固定,定位和固定方法,(1)、轴肩定位,定位轴肩的高度 h=(0.070.1)d,(2)、套筒固定和定位,(3)、圆螺母固定,与轴上零件配
4、合的轴段长度应比轮毂短 2 mm,(4)、轴端挡圈,(5)、弹性挡圈,(6)、紧定螺钉,（7）锥面,装拆方便，可兼作周向固定。 对中性好，宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。 只用于轴端。 常与轴端挡圈联合使用，实现零件的双向固定。,11.2.2 良好的结构工艺性,1 加工工艺性,与标准件配合的轴段要符合标准。,轴的直径变化应尽可能少，这样既能节省材料，又可减少切削量。 轴上要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽。 轴上有多个键槽时，应将它们布置在同一直线上.,采用阶梯轴，为使装拆方便而设置的轴肩，h=0.51mm 滚动轴承的定位轴肩高度按轴承要求确定。,2 装配工艺性,过渡肩环,轴肩过渡结构,内凹圆角
5、,11.2.3 提高轴的疲劳强度,1 改善轴的结构形状减小应力集中,过盈配合时，配合边缘处为应力集中源。配合轴段上的卸载槽,过盈配合时，轮毂上的卸载槽,2 改善轴的表面状态,采用滚压、喷丸、渗碳、氮化、高频淬火等表面强化处理。,键槽端部与阶梯处距离不宜过小，以避免损伤过渡圆角及减少应力集中,以减速器的高速轴为例加以说明,减速器高速轴图,轴与轴上零件定位固定、便于安装。轴便于制造（越程槽、键槽在同侧、与标准件相连）。受力合理。,11.3 轴的计算,一、按扭剪应力计算,适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。,对于只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为,11.3.1
6、 轴的强度计算,（1）按扭剪应力计算：用于传动轴或转轴初估直径。 （2）按弯扭合成强度条件计算:需知道力的大小和作用 点。 （3）按许用安全系数校核轴的疲劳强度：计算精确,T：许用扭剪应力， 改写设计公式,单键增大3%,双键增大7%,当轴所受弯矩较小或只受转矩时，C取小值；否则取较大值,初估直径后轴的结构设计实例：,各轴段直径和长度的确定原则,一次课结束,二、按弯扭合成强度条件计算,当量弯矩：,强度条件：, ：是考虑转矩与弯矩产生的应力性质不同而引入的应力校正系数, 的取值：,计算应力：,或,按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤如下：,（2）将外载荷分解到水平面和垂直面内。,（3）作水平面弯矩MH
7、图和垂直面弯矩MV图；,（4）作合成弯矩M图：,（5）作转矩T图；,（6）作当量弯矩Me图：,（7）强度计算。,（1）画出轴的空间受力简图,确定危险剖面： 强度校核：,或,结束链接,水平面弯矩MH图,空间受力简图,水平面受力简图,垂直面弯矩MV图,合成弯矩M图,转矩T图,当量弯矩Me图,垂直面受力简图,按许用安全系数校核轴的疲劳强度是考虑轴上变应力的循环特性、应力集中、表面质量及尺寸因素等对轴疲劳强度影响的精确校核方法。用于重要的轴。,如危险截面强度不足，修改轴的结构设计并重新计算，直到合格为止； 如强度足够，因考虑轴的刚度和工艺性等因素，除非裕量太大，一般不再改变轴径,例:,转轴的设计步骤：
8、 1）选材 2）估算轴的直径:若有键槽，应加3% 3）轴的结构设计(轴的各段直径和长度） 4）轴的强度校核 5）必要时作刚度和稳定性校核,结束链接,11.3.2 轴的刚度计算简介,设计轴时刚度条件为：,各种用途的轴的许用挠度、偏转角和扭转角查手册,11.3.3 轴的振动稳定性概念,若轴所受的外力频率与轴的自振频率一致时,运转会不稳定、发生显著的振动,这种现象称为轴的共振。,产生共振时轴的转速称为临界转速 。,轴的临界转速可以有许多个,一阶、二阶、三阶,刚性轴:工作转速低于一阶临界转速的轴。,挠性轴:超过一阶临界转速的轴。,计算临界转速的目的在于使工作转速n避开轴的临界转速ncr。,11.4 轴
9、毂连接,11.4.1 键连接,键主要用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递转矩。 有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。,1.平键连接,用来实现轴、毂之间的周向固定以传递转矩的连接称为轴毂连接。,本节主要介绍键连接、销连接和成型连接。,常用的平键有普通平键和导向平键。,平键的两侧是工作面，上表面与轮毂键槽底面间有间隙。,定心性好,平键连接,1.普通平键,普通平键用于静连接。 其端部形状可制成圆头(A型)、方头（B型）或单圆头（C型）。,a) 键剖面图 b) A型平键 c) B型平键 c) C型平键,键槽加工 ：,导向平键连接,导向平键用于动连接,2.半圆键连接,键的侧面为工作面，键的
10、上表面与毂槽底面间有间隙。,3.楔键连接,楔键的上下面分别与毂和轴上的键槽的底面贴合，为工作面。,定心性不好,楔键分为平头楔键、圆头楔键和钩头楔键,平头楔键,4 .平键连接的尺寸选择和强度校核,1）、键的材料及尺寸选择 平键是标准件，材料通常为45钢；若轮毂为有色金属或非金属材料，键可用20、Q235钢等。 平键的尺寸主要是键的截面尺寸bh及键长L。 截面尺寸根据轴径d由标准中查出。 键的长度可按轮毂的长度确定，一般应略短于轮毂长，并符合标准中规定的尺寸系列。,平键连接的主要失效形式是工作面的压溃和磨损。,挤压强度条件：,2）、强度校核,k为键与键槽的接触高度， kh/2； l为键的工作长度,:键连接的许用挤压应力，按材料弱的零件选取。,C型键=L-b/2,当强度不足时，可适当增加键长或采用两个键（按180布置）。两个键使载荷分布不均匀，在强度计算中可按1.5个键计算。,11.4.2 花键连接,轴和轮毂周向均布的多个键齿构成的连接称为花键连接。,矩形花键连接,比平键连接具有承载能力高，对轴削弱程度小（齿浅、应力集中小），定心性好和导向性能好,渐开线花键,11.4.3 销连接,11.4.4 成型连接,柱形面,锥形面,
