第九章 軸及軸轂聯接
§9.1概述
軸是組成機器的重要零件之一,主要功用是支撐迴轉零件及傳遞運動和動力。
一、軸的分類
1、根據承受載荷不同分類 :
1)轉軸
同時承受扭矩和彎曲載荷的作用,例如齒輪減速器中的軸。
2)心軸
只需承受彎矩而不傳遞轉距,例如鐵路車輛
的軸、自行車的前軸等。按軸旋轉與否分為轉動心軸和固定心軸兩種,
3)傳動軸
只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小的軸。例如圖所示的汽車傳動軸。
2、根據軸線的形狀不同分類
二、軸的材料
由於軸工作時產生的應力多為變應力,所以軸的失效多為疲勞損壞,因此軸的材料應具有足夠的疲勞強度、 較小的應力集中敏感性和良好的加工性能等。
軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。
1、碳鋼:價格低廉,對應力集中的敏感性較低,可以利用熱處理提高其耐磨性和抗疲勞強度。常用的有35、40、45、50鋼。
2、合金鋼:對於要求強度較高、尺寸較小或有其它特殊要求的軸,可以採用合金鋼材料。耐磨性要求較高的可以採用20 Cr 、 20CrMnTi 等低碳合金鋼;要求較高的軸可以使用40 Cr
3、對於形狀複雜的軸,如曲軸、凸輪軸等,也採用球墨鑄鐵或高強度鑄造材料來進行鑄造加工,易於得到所需形狀,而且具有較好的吸振性能和好的耐磨性,對應力集中的敏感性也較低。
§ 9.2軸的結構設計
軸的結構設計包括定出軸的合理外形和全部結構尺寸,主要要求有:1)軸上零件的定位、固定;2)軸上零件的拆裝、調整;3)軸的製造工藝性;4)軸上零件的結構和位置的安排。
一、軸上零件的裝配
如圖的齒輪軸,為了便於裝配將軸做成階梯形.將齒輪、左端軸承和聯軸器從軸的左端裝配,右端軸承從軸的右端裝配
二、保證軸 上零件的準確定位
1、軸向定位
1 )軸肩與軸環定位
方便可靠、不需要附加零件,能承受的軸向力大;。這種方法廣泛用於各種軸上零件的定位。
為了保證零件與定位面靠緊,軸上過渡圓角半徑應小於零件圓角半徑或倒角,一般定位高度取為( 0.07~0.1) d, 軸環寬度 b = 1.4h。
2 )套筒定位
可以簡化軸的結構,減小應力集中結構簡單、定位可靠。
多用於軸上零件間距離較小的場合。但由於套筒與軸之間存在間隙,所以在高速情況下不宜使用。
3)彈性擋圈定位
結構緊湊、簡單、裝拆方便,但受力較小,且軸上切槽會引起應力集中,常用於軸承的定位。
4)軸端擋圈
工作可靠,能夠承受較大的軸向力,應用廣泛。
2、周向定位
軸上零件的周向定位方法主要有鍵(平鍵、半圓鍵、楔鍵等)、花鍵、型面、過盈等等
1)平鍵聯接
製造簡單、裝拆方便。用於傳遞轉矩較大,對中性要求一般的場合,應用最為廣泛。
2)花鍵聯接
承載能力高,定心好、導向性好,但製造較困難,成本較高。
適用於傳遞轉矩較大,對中性要求較高或零件在軸上移動時要求導向性良好的場合。
3)過盈配合
結構簡單、定心好、承載能力高和在振動下能可靠的工作。但裝配困難,且對配合尺寸的精度要求較高
4)銷聯接
用於固定不太重要、受力不大,但同時需要周向或軸向固定的零件。
三、軸的結構工藝性
軸的形狀應簡單、便於加工。一根軸上的圓角應儘可能取相同的半徑,退刀槽取相同的寬度,倒角尺寸相同;一根軸上各鍵槽應開在同一母線上,以減少換刀次數和調整次數。
需要磨削的軸段,應該留有砂輪越程槽,需要切制螺紋的軸段,應留有退刀槽,為了便於裝配,軸端應加工出倒角。
四、減小應力集中
軸上的應力集中會嚴重削弱軸的疲勞強度,所以應該在軸剖面發生突變的地方製成適當的過渡圓角;相鄰兩軸段直徑差不宜過大等措施。此外改善軸的表面質量降低表面粗糙度可以提高軸的疲勞強度
§ 9.3軸的設計計算
一、按彎扭轉強度計算
對於圓截面軸,扭轉強度條件為:
設計公式:
其中 扭轉剪切應力, P 為軸傳遞的功率, n 軸的轉速
當截面開有鍵槽的時候應增大軸徑 5 — 7%
二、按彎扭合成進行強度計算
可以用第三強度理論求出危險截面的當量應力,其強度大小為:
設計公式
為當量彎矩 Nmm ; d 為軸的直徑 mm ; 為彎曲應力 MPa 。
對於不變的轉矩,取 對於脈動循環的轉矩 對於對稱循環得轉矩,取
設計時應該注意:1)要合理選擇危險剖面。由於軸的各剖面的當量彎矩和直徑不同,因此軸的危險剖面在當量彎矩較大或軸的直徑較小處,一般選取一個或二個危險剖面核算;2)若驗算軸的強度不夠,則可用增大軸的直徑、改用強度較高的材料或改變熱處理方法等措施來提高軸的強度;若 比 小很多時,是否要減小軸的直徑,應該綜合考慮其它因素而定。
三、軸的設計步驟 :
1、選擇軸的材料,確定許用應力
2、利用公式估算軸的直徑
3、對軸的結構進行設計
4、對軸按彎扭合成進行強度校核
5、對軸進行疲勞強度安全係數校核
§ 9.4軸轂聯接
一、鍵聯接的類型
兩大類型:
1類:松鍵聯接 —— 1)平鍵;2)半圓鍵;3)花鍵
平鍵 —— 普通平鍵;導向鍵與滑鍵。 普通平鍵: A 型、 B 型、 C 型
2類:緊鍵聯接
1)楔鍵聯接;2)切向鍵聯接
1.平鍵聯接
其特點是:鍵的兩側面是工作面,靠鍵與鍵槽的側面擠壓來傳遞扭矩;
平鍵聯接具有結構簡單、裝拆方便、對中良好等優點。
採用 B 型平鍵時,軸上的鍵槽用盤銑刀銑出,鍵槽兩端的應力集中較小。 C 型平鍵常用於軸端的聯接。
導向平鍵用於動聯接,。其特點是鍵較長,鍵與輪轂的鍵槽採用間隙配合,故輪轂可以沿鍵作軸向滑動
2.半圓鍵聯接
半圓鍵聯接,軸上鍵槽用尺寸與半圓鍵相同的半圓鍵銑刀銑出,因而鍵在槽中能繞其幾何中心擺動以適應轂上鍵槽的傾斜度。半圓鍵用於靜聯接,其兩側面是工作面。其優點是工藝性好,缺點是軸上的鍵槽較深,對軸的強度影響較大,所以一般多用於輕載情況的錐形軸端聯接
3.楔鍵聯接
楔鍵聯接的特點是:鍵的上下兩面是工作面,鍵的上表面和輪轂鍵槽底部各有1:100的斜度。工作時,主要靠鍵、軸和轂之間的摩擦力傳遞轉矩,其缺點:是楔緊后,軸和輪轂的配合產生偏心和傾斜。因此主要用於定心精度要求不高和低速的場合。
4.切向鍵聯接
切向鍵聯接:是由一對楔鍵組成。切向鍵的上下兩面為工作面,工作時,靠工作面上的擠壓應力及軸與轂間的摩擦力來傳遞轉矩。
用一個切向鍵時只能傳遞單向轉矩,當要傳遞雙向轉矩時,必須使用兩個切向鍵,兩個切向鍵之間的夾角為120度。
二、平鍵聯接的強度計算
鍵聯接的設計首先需要根據聯接的結構特點、使用要求和工作條件來選擇平鍵類型,再根據軸徑大小從標準中選出鍵的剖面尺寸
bxh(b為鍵寬,h為鍵高),然後參考輪轂寬度選取鍵的長度L,鍵的長度應符合標準規定的尺寸系列。最後進行強度校核計算。
平鍵主要的失效型式是工作面被壓壞。除非有嚴重過載,一般不會出現鍵的剪斷。因此,普通平鍵聯接通常只按工作面的擠壓強度進行校核計算。
普通平鍵聯接的強度條件式為:
鍵的材料沒有統一的規定,但是一般都採用抗拉強度不小於600 MPa 的鋼,多為45鋼。
l 為鍵的工作長度A 型= L-b;B 型= L;C 型=
三、 花鍵聯接
由軸和輪轂孔周向均布的多個鍵齒構成的聯接稱為花鍵聯接。在工作時,靠側面的擠壓傳遞扭矩。與普通平鍵相比具有承載力高、軸和轂受力均勻、定心性和導向性好等優點。但加工需要專用設備和工具,成本較高。