9-1 9-1 轴的分类和材料轴的分类和材料一、轴的功用一、轴的功用二、轴的类型二、轴的类型三、轴的材料三、轴的材料一、轴的功用一、轴的功用1 1）支承旋转零件；）支承旋转零件； 2 2）传递运动和动力）传递运动和动力 二、轴的类型二、轴的类型心轴心轴传动轴传动轴转轴转轴按承载情况按承载情况轴是机械设备中的重要零件之一轴是机械设备中的重要零件之一直直 轴轴曲曲 轴轴按轴线形状按轴线形状钢丝软轴钢丝软轴 既承受弯矩、又承既承受弯矩、又承受转矩的轴。受转矩的轴。转轴转轴传动轴传动轴只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。只传递转矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴。心轴心轴心轴又分为心轴又分为转动心轴转动心轴和和固定心轴固定心轴。只承受弯矩而不传递转矩的轴。只承受弯矩而不传递转矩的轴。直轴直轴在一般的机器设备中，最常见到的是直轴。在一般的机器设备中，最常见到的是直轴。阶梯轴阶梯轴 光轴光轴曲轴曲轴 常用于往复式机械中常用于往复式机械中挠性钢丝软轴挠性钢丝软轴 由多层紧贴在一起由多层紧贴在一起的钢丝构成，常用于振捣器等设备的钢丝构成，常用于振捣器等设备。三、轴的材料三、轴的材料1 1、轴的材料要求、轴的材料要求 根据具体的工作条件，要求轴的材料应根据具体的工作条件，要求轴的材料应具有一定的具有一定的强度、刚度、韧性、耐磨性、耐强度、刚度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性和较小的应力集中敏感性腐蚀性和较小的应力集中敏感性等性能外，等性能外，同时还要考虑结构工艺性和经济性。同时还要考虑结构工艺性和经济性。2 2、轴的材料选择、轴的材料选择轴的材料主要采用轴的材料主要采用碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢。碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性小，可通碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性小，可通过热处理提高其耐磨性及疲劳强度，因此应用广泛。过热处理提高其耐磨性及疲劳强度，因此应用广泛。常用的碳素钢有常用的碳素钢有3535、4040、4545和和5050等优质碳素钢，其中等优质碳素钢，其中4545钢用的最多钢用的最多。一般为了保证机械性能，应进行调质或正火处理。一般为了保证机械性能，应进行调质或正火处理。不重要的轴也可以采用普通碳素钢如：不重要的轴也可以采用普通碳素钢如：Q235Q235、Q275Q275等。等。合金钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能，但合金钢具有更高的机械性能和更好的淬火性能，但对应力集中较敏感。另外价格较贵。对应力集中较敏感。另外价格较贵。对强度、耐磨性要求高且结构尺寸受限制及在高温对强度、耐磨性要求高且结构尺寸受限制及在高温或低温条件下工作的轴，可采用合金钢。或低温条件下工作的轴，可采用合金钢。常用材料为常用材料为20Cr20Cr，20CrMnTi20CrMnTi、38CrMoAl38CrMoAl、40Cr40Cr、40CrNi40CrNi、38SiMnMo38SiMnMo、40MnB40MnB等。等。采用合金钢制造的轴必须进行热处理和化学热处理。采用合金钢制造的轴必须进行热处理和化学热处理。合金钢对应力集中较敏感合金钢对应力集中较敏感, ,因此设计轴时，因从结因此设计轴时，因从结构上避免或减小应力集中，并减小表面粗糙度。构上避免或减小应力集中，并减小表面粗糙度。 各种碳钢和合金钢的弹性模量数值差不多，各种碳钢和合金钢的弹性模量数值差不多，因此热处理，只能提高其疲劳强度和耐磨性，因此热处理，只能提高其疲劳强度和耐磨性，对提高轴的刚度并无实效。对提高轴的刚度并无实效。轴的毛坯一般用轧制的圆钢或锻制毛坯，对于形轴的毛坯一般用轧制的圆钢或锻制毛坯，对于形状复杂的轴，可采用铸钢或球墨铸铁制造。状复杂的轴，可采用铸钢或球墨铸铁制造。注意：注意：轴的常用材料及其主要力学性能见轴的常用材料及其主要力学性能见P229P229表表9191。92 92 的结构设计的结构设计一、制造安装要求一、制造安装要求二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定四、改善轴的受力状况，减小应力集中四、改善轴的受力状况，减小应力集中 进行轴的结构设计，是根据工作条件，确进行轴的结构设计，是根据工作条件，确定轴的外形和全部结构尺寸。定轴的外形和全部结构尺寸。主要要求有：主要要求有：4. 4. 尽量减少应力集中尽量减少应力集中 。1. 1. 轴要便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）轴要便于加工，轴上零件要易于装拆（制造安装要求）2. 2. 轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）3. 3. 各零件要牢固而可靠地相对固定（固定）各零件要牢固而可靠地相对固定（固定） 下面以单级减速器的高速轴为例，来讨论轴的结下面以单级减速器的高速轴为例，来讨论轴的结构设计的主要要求。构设计的主要要求。安装安装定位定位注意注意轴颈轴颈 轴身轴身 轴颈轴颈 与轴承相配合的部分；与轴承相配合的部分；轴头轴头 与旋转零件相配合的部分；与旋转零件相配合的部分；轴身轴身 连接轴颈与轴头部分；连接轴颈与轴头部分；轴肩轴肩 直径变化处形成的阶梯部分；直径变化处形成的阶梯部分；轴头轴头 轴肩轴肩 加工方法不同，轴的结构也可能不同加工方法不同，轴的结构也可能不同 将轴做成将轴做成中间大两头小中间大两头小的的阶梯形阶梯形，便于轴上零件，便于轴上零件可以从轴的两端装入。可以从轴的两端装入。 为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端面都为使轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端面都应有倒角。应有倒角。一、制造安装要求一、制造安装要求车削车削 磨削磨削 砂轮越程槽砂轮越程槽 退刀槽退刀槽 在满足使用要求的情况下，轴的形状和在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸尽量简单，便于加工。尺寸尽量简单，便于加工。车螺纹车螺纹 二、轴上零件的二、轴上零件的定位定位 阶梯轴上截面变化处称为阶梯轴上截面变化处称为轴肩轴肩，起轴向定位作，起轴向定位作用。用。轴上还可采用套筒定位。轴上还可采用套筒定位。、三、轴上零件的固定三、轴上零件的固定 为了保证轴上零件的正常工作，其为了保证轴上零件的正常工作，其轴向轴向和和周向周向都都必须固定，以防止工作时，出现轴向窜动和周向转动必须固定，以防止工作时，出现轴向窜动和周向转动而丧失传递运动和转矩的功能。而丧失传递运动和转矩的功能。1、轴上零件的轴向固定、轴上零件的轴向固定 常采用常采用轴肩（环）、套筒、螺母、或轴端挡圈轴肩（环）、套筒、螺母、或轴端挡圈。当轴向力较小时，零件在轴上的固定也可采用弹性挡当轴向力较小时，零件在轴上的固定也可采用弹性挡圈或紧定螺钉等。圈或紧定螺钉等。轴轴肩肩和和轴轴环环 为保证轴上零件紧靠轴肩，为保证轴上零件紧靠轴肩，应使：应使：轴肩的圆轴肩的圆角半径角半径r r必须小于必须小于相配零件的圆角半径相配零件的圆角半径R R或倒角或倒角C C。轴肩高也必须大于轴肩高也必须大于R R或或C C注意：注意：零件的圆角半径零件的圆角半径R R轴肩的圆角半径轴肩的圆角半径r rr r R Rh hh h零件的倒角零件的倒角C C轴肩的圆角半径轴肩的圆角半径r rr r C C套套 筒筒 对轴上零件起对轴上零件起固定作用。常用于固定作用。常用于近距离的两个零件近距离的两个零件间的固定。间的固定。圆圆 螺螺 母母用于轴上两零件距离较远时，或轴端。用于轴上两零件距离较远时，或轴端。由于需切制螺纹，削弱了轴的强度。由于需切制螺纹，削弱了轴的强度。 用于固用于固定轴端零件，定轴端零件，能承受较大能承受较大的轴向力。的轴向力。注意：注意： 采用这些方法固定轴上零件时，为保证采用这些方法固定轴上零件时，为保证固定可靠，固定可靠，应使：应使：与轮毂相配的与轮毂相配的轴段长度轴段长度比轮毂宽度比轮毂宽度短短 23 mm，即即：lB - (23)轴端挡圈轴端挡圈lB23紧定螺钉紧定螺钉2、轴上零件的周向固定、轴上零件的周向固定平平 键键常用的周向固定方法：常用的周向固定方法：花花 键键紧定螺钉紧定螺钉过盈配合过盈配合 轴上有多处键槽时，应将键槽开在同一轴上有多处键槽时，应将键槽开在同一直线上，并采用同一规格的键槽截面尺寸。直线上，并采用同一规格的键槽截面尺寸。四、改善轴的受力状况，减小应力集中四、改善轴的受力状况，减小应力集中改善轴的受力状况改善轴的受力状况合理布置轴上零件，使受载减小。合理布置轴上零件，使受载减小。减小应力集中减小应力集中 适当增大截面变化处的过渡圆角适当增大截面变化处的过渡圆角半径。可以减小应力集中。或采用：半径。可以减小应力集中。或采用：凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环减载槽减载槽轴系结构改错 轴的结构应尽量减少应力集中，轴的结构应尽量减少应力集中，特别是对于合金钢材料的轴。特别是对于合金钢材料的轴。过盈配合减载槽过盈配合减载槽四处错误四处错误正确答案正确答案三处错误三处错误正确答案正确答案轴系结构改错错误错误1.左侧键太长，左侧键太长，套筒无法装入套筒无法装入2.多个键应位多个键应位于同一母线上于同一母线上一、一、按扭转强度计算按扭转强度计算二、二、按弯扭合成强度计算按弯扭合成强度计算三、三、轴设计步骤和方法轴设计步骤和方法93 93 轴的计算轴的计算 轴的强度计算主要是根据轴的承载情况，轴的强度计算主要是根据轴的承载情况，而采用相应的计算办法。而采用相应的计算办法。应力分析：应力分析：FT弯曲应力弯曲应力b 对称循环变应力；对称循环变应力；扭剪应力扭剪应力T 循环特征根据实际情况而定。循环特征根据实际情况而定。计算方法：计算方法： 按扭转强度计算；按扭转强度计算； 按弯扭合成强度计算；按弯扭合成强度计算； 安全系数法计算。安全系数法计算。一般的轴一般的轴一、按扭转强度计算一、按扭转强度计算只受转矩或主要承受转矩的传动轴的强度计算只受转矩或主要承受转矩的传动轴的强度计算 结构设计前先按结构设计前先按扭转强度计算来扭转强度计算来初估初估轴的直轴的直径径d dmin 用于：用于：扭剪应力扭剪应力:轴的抗扭轴的抗扭剖面系数剖面系数只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为只传递转矩的圆截面轴，其强度条件为:扭转强度设计式扭转强度设计式: 令其为系数令其为系数 A扭转强度公式一般用来初算轴的直径，计算扭转强度公式一般用来初算轴的直径，计算出的出的 d 作为轴最细处的直径作为轴最细处的直径 dmin 。弯矩相对转矩较小或只受转矩时，弯矩相对转矩较小或只受转矩时，A 取小值。取小值。若若考虑到开键槽对轴强度的削弱，则轴的直径考虑到开键槽对轴强度的削弱，则轴的直径应相应增大应相应增大。开一个键槽，。开一个键槽，d 值值增大增大4% , ,开开两个键槽，两个键槽，增大增大7% 。弯矩较大时，弯矩较大时，A 取大值。取大值。注意：注意： 系数系数 A A 查查 P234 P234表表9-29-2。二、按弯扭合成强度计算二、按弯扭合成强度计算 p234（自学）（自学）此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。此方法既考虑弯矩又考虑转矩，比前法精确。需已知：需已知：轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。轴的支反力作用点、外载荷的大小及位置。弯、扭联合作用时，采用第三强度理论。弯、扭联合作用时，采用第三强度理论。则轴危险截面上的当量应力则轴危险截面上的当量应力e：对于直径为对于直径为 d 的实心轴：的实心轴：许用弯曲许用弯曲应力应力 由于由于 b b 与与 的循环特征可能不同，需引进校正的循环特征可能不同，需引进校正系数系数将将 折合成对称循环变应力。折合成对称循环变应力。则强度条件为：则强度条件为： 当量弯矩当量弯矩对称循环对称循环变应力下变应力下的许用应的许用应力力 对于不变的转矩：对于不变的转矩： 频繁启动、振动或情况不明：频繁启动、振动或情况不明： 经常双向运转：经常双向运转：校正系数校正系数的取值：的取值：设计式：设计式：三、轴设计步骤和方法三、轴设计步骤和方法1、根据、根据传递功率为传递功率为P P，高速轴，高速轴转速为转速为 n1 ，用扭转强度公式初算轴的最小直径用扭转强度公式初算轴的最小直径dmin 。2、根据初算轴径，进行轴的、根据初算轴径，进行轴的结构设计结构设计。3、按弯扭合成强度、按弯扭合成强度校核轴的危险截面校核轴的危险截面。No将将 dmin 圆整成标准直径（查圆整成标准直径（查“机械设计课程设计机械设计课程设计”）危险截面危险截面直径直径若强度不足，应适当增大轴径。若强度不足，应适当增大轴径。对于一般的轴，设计计算到此即可。对于重要的轴对于一般的轴，设计计算到此即可。对于重要的轴还得进行危险剖面安全系数（疲劳强度和静强度）还得进行危险剖面安全系数（疲劳强度和静强度）校核。校核。若该截面有键槽，将计算出的轴径加大若该截面有键槽，将计算出的轴径加大4%4%。例题如图已知作用在齿轮上的圆周力如图已知作用在齿轮上的圆周力F Ft t=17400N=17400N，径向力，径向力F Fr r=6410N=6410N，轴向力，轴向力F Fa a=2860=2860，齿轮分度圆直径，齿轮分度圆直径d d2 2=146mm=146mm，作用在轴右端带轮上的外力，作用在轴右端带轮上的外力F=4500NF=4500N，L=193mmL=193mm，K=206mmK=206mm，试计算危险截面的轴径。，试计算危险截面的轴径。例题例题1 11）求垂直面）求垂直面的支反力：的支反力：解：解： 1、 画出空间受力图，求出支反力画出空间受力图，求出支反力2）求水平面）求水平面的支反力的支反力3）F力在支点产力在支点产生的反力生的反力1）垂直面弯矩）垂直面弯矩FaFrR2VR1VLL/22、分别作出水平面弯矩图、分别作出水平面弯矩图MH和垂直面弯矩图和垂直面弯矩图MV 2）水平面弯矩）水平面弯矩FtR2HR1HLL/23）F力产生的弯矩力产生的弯矩a-a截面截面F力产生的弯矩力产生的弯矩3、求合成弯矩、求合成弯矩5、危险截面当量弯矩、危险截面当量弯矩4、求轴传递的转矩、求轴传递的转矩轴的扭切应力是脉动轴的扭切应力是脉动循环变应力循环变应力 考虑到键槽影响，轴径应增大考虑到键槽影响，轴径应增大4，则，则6、危险处直径、危险处直径 轴的材料选用轴的材料选用45钢，调质处理，钢，调质处理， 查表得查表得 B=650MPa, 查表得【查表得【 1b】=60MPa994 4 轴毂联接轴毂联接 一、键联接一、键联接二、花键联接二、花键联接三、无键联接三、无键联接 键是一种标准件，通常用于联接轴与轴键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件上旋转零件与摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、的作用以传递旋转运动成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。 一、键联接一、键联接一、键联接的类型与构造一、键联接的类型与构造 一、键联接一、键联接主要类型：主要类型：半圆键半圆键平键平键切向键切向键楔键楔键1 1、平键、平键 1 1）普通平键）普通平键 用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动。用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动。 两侧面为工作面。两侧面为工作面。 1 1、平键、平键 1 1）普通平键）普通平键 用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动。用于静联接，即轴与轮毂间无相对轴向移动。 两侧面为工作面。两侧面为工作面。 圆 头：A型（常用）键顶上面与毂不接触有间隙 方 头 B型常用螺钉固定半圆头C型（端铣刀加工）用于轴端与轮毂联接 普通平键：2 2）导向平键与滑键）导向平键与滑键用于动联接用于动联接滑键滑键键随轮毂移动键随轮毂移动导向键导向键键不动，轮毂轴向移动键不动，轮毂轴向移动特点：装拆方便，对零件对中性无影响，容易制造，作特点：装拆方便，对零件对中性无影响，容易制造，作用可靠，多用于高精度联接。但只能圆周固定，不用可靠，多用于高精度联接。但只能圆周固定，不能承受轴向力能承受轴向力 2 2、半圆键、半圆键 键能在槽中绕几何中心摆动，键的侧面为工作面。键能在槽中绕几何中心摆动，键的侧面为工作面。 特点：工艺性好，装配方便，适用于锥形轴与轮毂的联接特点：工艺性好，装配方便，适用于锥形轴与轮毂的联接缺点：轴槽对轴的强度削弱较大。只适宜轻载联接。缺点：轴槽对轴的强度削弱较大。只适宜轻载联接。 上上、下下面面为为工工作作表表面面，有有1：100斜斜度度（侧侧面面有有间间隙隙），靠靠上下面摩擦传递扭矩，并可传递小部分单向轴向力上下面摩擦传递扭矩，并可传递小部分单向轴向力 特特 点点 ：适用于低速轻载、精度要求不高。对中性较差，：适用于低速轻载、精度要求不高。对中性较差，力有偏心。不宜高速和精度要求高的联接，变载下力有偏心。不宜高速和精度要求高的联接，变载下易松动。钩头只用于轴端联接，如在中间用键槽应易松动。钩头只用于轴端联接，如在中间用键槽应比键长比键长2倍才能装入。且要罩安全罩倍才能装入。且要罩安全罩 3 3、楔键联接、楔键联接 二、键联接的强度校核二、键联接的强度校核 1 1、平键联接的强度校核、平键联接的强度校核 挤压强度条件为： p240式（9-6） （9-7）允许传递的扭矩： T扭矩（Nmm）k工作高度 k=h/2 d轴径（mm） l工作长度 A型键：l=L-b B型键：l=L C型键：l=L-b/2 L公称长度花键联接是由多个键齿与键槽在轴和轮毂孔的周向均布而成花键联接是由多个键齿与键槽在轴和轮毂孔的周向均布而成花键齿侧面为工作面花键齿侧面为工作面适用于动、静联接适用于动、静联接 二、花键联接二、花键联接特点：特点：1）齿较多、工作面积大、承载能力较高）齿较多、工作面积大、承载能力较高2）键均匀分布，各键齿受力较均匀）键均匀分布，各键齿受力较均匀用轴与毂的联接不用键或花键时，统称无键联接 1、型面联接、型面联接 轴和毂孔有柱形和圆锥形等。 特点：没有应力集中源，对中性好，承载能力强，装拆方便，但加工不方便，需用专用设备，应用较少。另外成形面还有方形、六边形及切边圆形等，但对中性较差。 三、无键联接三、无键联接 2、胀紧联接、胀紧联接 利用锥面贴合并挤紧在轴毂之间用摩擦力传递扭矩，有过载保护作用。特点：可传递较大扭矩和轴向力，无应力集中，对中性好，特点：可传递较大扭矩和轴向力，无应力集中，对中性好，但加工要求较高，应用受限制。但加工要求较高，应用受限制。3、 销联接销联接 定位销定位销主要用于零件间位置定位，左图，常用作组合加主要用于零件间位置定位，左图，常用作组合加工和装配时的主要辅助零件。工和装配时的主要辅助零件。联接销联接销主要用于零件间的联接或锁定，右图，可传递不主要用于零件间的联接或锁定，右图，可传递不大的载荷大的载荷