机械设计轴和轴毂联接课件

Date:2024/7/1 Page:1CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.1 概述13.2 轴的结构设计13.3 轴的强度计算13.4 轴的材料及选择13.5 轴的设计13.6 轴毂联接第13章 轴和轴毂联接Date:2024/7/1 Page:2CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.1 概述 一、轴的主要功用一、轴的主要功用二、轴的分类二、轴的分类1 1、按承载分、按承载分（1 1）心轴：）心轴：只承受弯矩（只承受弯矩（M M），不传递转矩（），不传递转矩（T=0T=0）1 1、支承轴上回转零件（如齿轮）、支承轴上回转零件（如齿轮）转动心轴：轴转动转动心轴：轴转动固定心轴：轴固定固定心轴：轴固定2 2、传递运动和动力、传递运动和动力Date:2024/7/1 Page:3CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋分析火车轮轴属于什么类型？分析火车轮轴属于什么类型？分析自行车轴属于什么类型？分析自行车轴属于什么类型？Date:2024/7/1 Page:4CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋（3 3）转轴：）转轴：既传递转矩（既传递转矩（T T）、又承受弯矩（）、又承受弯矩（M M）如：减速器中的轴。如：减速器中的轴。（2 2）传动轴：）传动轴：只受转矩，不受弯矩只受转矩，不受弯矩M=0M=0，T0T0 如：汽车下的传动轴。如：汽车下的传动轴。Date:2024/7/1 Page:5CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0 0 轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：轴：传动轴传动轴转轴转轴转动心轴转动心轴转轴转轴转轴转轴转动心轴转动心轴Date:2024/7/1 Page:6CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋如何判断轴是否传递转矩：如何判断轴是否传递转矩：从原动机向工作机画传动路线，若传动路从原动机向工作机画传动路线，若传动路线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。线沿该轴轴线走过一段距离，则该轴传递转矩。如何判断轴是否承受弯矩：如何判断轴是否承受弯矩：该轴上除联轴器外是否还有其它传动零该轴上除联轴器外是否还有其它传动零件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。件，若有则该轴承受弯矩，否则不承受弯矩。Date:2024/7/1 Page:7CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋2 2）曲轴曲轴：发动机专用零件：发动机专用零件2 2、按轴线形状分、按轴线形状分1 1）直轴直轴又可分为实心轴和空心轴（加工又可分为实心轴和空心轴（加工困难）。困难）。光轴光轴阶梯轴阶梯轴Date:2024/7/1 Page:8CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋3 3）钢丝软轴钢丝软轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。：轴线可任意弯曲，传动灵活。动力源动力源被驱动被驱动装置装置接头接头接头接头钢丝软轴钢丝软轴钢丝软轴的绕制钢丝软轴的绕制Date:2024/7/1 Page:9CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计轴上各段的名称轴端轴头轴颈轴头 轴通常由轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴端及不装任何零件的轴段等部分组成。轴的结构和形状取决于：轴的毛坯种类轴上作用力的大小及分布情况轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的方法轴承的类型、尺寸和位置轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求轴身Date:2024/7/1 Page:10CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计13.2.1 轴的强度、刚度 轴的强度与工作应力的大小和性质有关。因此在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面：使轴的形状接近于等强度条件，以充分利用材料的承载能力。Date:2024/7/1 Page:11CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中，提高轴的疲劳强度。Date:2024/7/1 Page:12CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。Date:2024/7/1 Page:13CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。13.2 轴的结构设计Date:2024/7/1 Page:14CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计13.2.2 零件在轴上的固定周向固定 为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴上零件的周向固定必须可靠。常用的周向固定方法有键、花键、销和过盈配合等联接。Date:2024/7/1 Page:15CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计轴向固定 零件在轴上的轴向定位要准确而可靠，以使其安装位置确定，能承受轴向力而不产生轴向位移 轴肩由定位面和内圆角组成Date:2024/7/1 Page:16CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计用轴肩或轴环固定零件时，常需采用其他附件来防止零件向另一方向移动。Date:2024/7/1 Page:17CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计当轴向力不大而轴上零件间的距离较大时，可采用弹性挡圈固定。Date:2024/7/1 Page:18CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计当轴向力很小，转速很低或仅为防止零件偶然沿轴向滑动时，可采用紧定螺钉固定。Date:2024/7/1 Page:19CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.2 轴的结构设计13.2.3 轴的加工和装配工艺性轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验 轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽当轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上 为使轴便于装配，轴端应有倒角 对于阶梯轴常设计成两端小中间大的形状，以便于零件从两端装拆 轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面，轴肩高度不能妨碍零件的拆卸 轴承的拆卸Date:2024/7/1 Page:20CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.3 轴的强度计算13.3.1 轴的扭转强度计算这种方法用于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的轴的强度计算。在作轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。实心轴的直径为：轴的扭转强度条件为为了减少键槽对轴的削弱，可按以下方式修正轴径有一个键槽有两个键槽轴径d100mm轴径增大3%轴径增大7%轴径d100mm轴径增大5%7%轴径增大10%15%Date:2024/7/1 Page:21CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.3 轴的强度计算13.3.2 轴的弯扭合成强度计算危险截面需要强度校核建立力学模型具体计算步骤 完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷（转矩和弯矩）的大小、方向、作用点、载荷种类及支点反力等就已确定可按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核。进行强度计算时通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点。支点反力的作用点一般可近似地取在轴承宽度的中点上。Date:2024/7/1 Page:22CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.3 轴的强度计算计算步骤（1）画出轴的空间力系图。将轴上作用力分解为水平面分力和垂直面 分力，并求出水平面和垂直面的支点反力。（2）分别作出水平免的弯矩图和垂直免上的弯矩图（3）计算出合成弯矩 绘出合成弯矩图（4）作出转矩（T）图（5）计算当量弯矩 ，绘出当量弯矩图（6）校核危险截面的强度。Date:2024/7/1 Page:23CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.3 轴的强度计算13.3.3 轴的强度计算轴的计算轴的计算5 51.轴的弯曲刚度校核计算 轴的弯曲刚度条件为 挠 度 yy 偏转角 2轴的扭转刚度校核计算 轴的扭转刚度以扭转角来度量。轴的扭转刚度条件为 y和分别为轴的许用挠度及许用偏转角。轴的弯曲刚度以挠度y和偏转角来度量。对于光轴，可直接用材料力学中的公式计算其挠度或偏转角。对于阶梯轴，可将其转化为当量直径的光轴后计算其挠度或偏转角。Date:2024/7/1 Page:24CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.4 轴的材料及选择碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性比较低，适用于一般要求的轴。合金钢比碳钢有更高的力学性能和更好的淬火性能，在传递大功率并要求减小尺寸和质量、要求高的耐磨性，以及处于高温、低温和腐蚀条件下的轴常采用合金钢。在一般工作温度下（低于200），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此相同尺寸的碳钢和合金钢轴的刚度相差不多。轴的概述轴的概述3 3轴的材料主要是碳钢和合金钢，钢轴的毛坯多数用圆钢或锻件，各种热处理和表面强化处理可以显著提高轴的抗疲劳强度。轴的常用材料及其部分机械性能（见下页）高强度铸铁和球墨铸铁可用于制造外形复杂的轴，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但是质较脆。Date:2024/7/1 Page:25CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.4 轴的材料及选择Date:2024/7/1 Page:26CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.5 轴的设计类比法设计计算法根据轴的工作条件，选择与其相似的轴进行类比及结构设计，画出轴的零件图。根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。按扭转强度估算出轴的最小直径。设计轴的结构，绘制出轴的结构草图。包括根据工作要求确定轴上零件的位置和固定方式；确定各轴段的直径；确定各轴段的长度根据有关设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角等尺寸按弯扭合成进行轴的强度校核。修改轴的结构后再进行校核计算。绘制轴的零件图Date:2024/7/1 Page:27CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接常用的轴毂联接有键联接、花键联接等。13.6.1 键联接 轴毂联接主要是用来实现轴和轮毂之间的周向固定并用来传递运动和扭矩键联接键联接1 1 平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。普通平键应用极为广泛。轴上键槽可用指状铣刀或盘状铣刀加工，轮毂上的键槽可用插削或拉削。1平键联接普通平键导向平键和滑键根据用途，平键又可分为Date:2024/7/1 Page:28CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接普通平键普通平键按端部形状的不同可分为圆头（A型）、方头（B型）、半圆头（C型）三种，具体结构如下图：点击查看三维图Date:2024/7/1 Page:29CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋A型C型B型Date:2024/7/1 Page:30CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接导向平键和滑键导向平键和滑键用于动联接。当轮毂需要在轴上沿轴向移动时可采用这种键联接。当被联接零件滑移距离较大时，宜采用滑键。导向平键滑 键点击查看三维图Date:2024/7/1 Page:31CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接平键的尺寸Date:2024/7/1 Page:32CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接平键的失效 平键联接工作时的主要失效形式为组成联接的键、轴和轮毂中强度较弱材料表面的压溃，极个别情况下也会出现键被剪断的现象。通常只须按工作面上的挤压强度进行计算。键被剪断Date:2024/7/1 Page:33CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋 平键联接的受力情况如图所示。假设载荷沿键的长度方向是均布的，平键联接的挤压强度条件为13.6 轴毂联接 导向平键联接的主要失效形式为组成键联接的轴或轮毂工作面部分的磨损，须按工作面上的压强进行强度计算，强度条件为Date:2024/7/1 Page:34CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接2半圆键联接 键呈半圆形，其侧面为工作面，键能在轴上的键槽中绕其圆心摆动，以适应轮毂上键槽的斜度，安装方便。常用与锥形轴端与轮毂的联接。Date:2024/7/1 Page:35CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋3.楔键联接13.6 轴毂联接楔键的上、下表面为工作面，两侧面为非工作面。键的上表面与键槽底面均有1:100 的斜度。工作时，键的上下两工作面分别与轮毂和轴的键槽工作面压紧，靠其摩擦力和挤压传递扭矩。普通楔键勾头楔键观看楔键的安装Date:2024/7/1 Page:36CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋4切向键由两个斜度为1:100的楔键组成。一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120135角的两个键。13.6 轴毂联接Date:2024/7/1 Page:37CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋13.6 轴毂联接观看花键的安装5花键联接由轴和轮毂孔沿四周方向均部的多个键齿构成的联接称谓花键联接。花键的标记为：N（键数）d（小径）D（大径）B（键槽宽）Date:2024/7/1 Page:38CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋指状铣刀铣键槽Date:2024/7/1 Page:39CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋圆盘铣刀铣键槽Date:2024/7/1 Page:40CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋导向平键联接Date:2024/7/1 Page:41CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋滑键联接Date:2024/7/1 Page:42CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋楔键联接Date:2024/7/1 Page:43CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋切向键联接Date:2024/7/1 Page:44CH13 CH13 机械设计基础机械设计基础主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋主讲：张晋花键联接