1、第11章目錄 軸的分類和材料軸的分類和材料 1 軸的結構設計軸的結構設計 2 軸的強度計算軸的強度計算3 軸轂聯接軸轂聯接4 常用聯軸器和離合器常用聯軸器和離合器5 第一節 軸是機器中的重要零件之一，其主要功用是支承旋轉零軸是機器中的重要零件之一，其主要功用是支承旋轉零 件，并傳遞運動和動力。件，并傳遞運動和動力。 11.1.1 軸的分類軸的分類 根據承載情況不同，軸可分為心軸、轉軸和傳動軸三類。根據承載情況不同，軸可分為心軸、轉軸和傳動軸三類。 ( (1) )心軸心軸 工作時只承受彎矩而不傳遞轉矩的軸。工作時只承受彎矩而不傳遞轉矩的軸。 自行車前輪軸自行車前輪軸 固定心軸固定心軸 火車車輪軸

2、火車車輪軸 轉動心軸轉動心軸 ( (1) )心軸心軸 工作時只承受彎矩而不傳遞轉矩的軸。工作時只承受彎矩而不傳遞轉矩的軸。 ( (2) )轉軸轉軸 工作時既承受彎矩又傳遞轉矩的軸，是機器中最常見的工作時既承受彎矩又傳遞轉矩的軸，是機器中最常見的 軸。軸。 減速器中的軸減速器中的軸 齒輪軸齒輪軸 ( (2) )轉軸轉軸 工作時既承受彎矩又傳遞轉矩的軸，是機器中最常見的工作時既承受彎矩又傳遞轉矩的軸，是機器中最常見的 軸。軸。 減速器中的軸減速器中的軸 齒輪軸齒輪軸 ( (3) )傳動軸傳動軸 工作時傳遞轉矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。工作時傳遞轉矩而不承受彎矩或彎矩很小的軸。 汽車變速箱與后橋之

3、間的傳動軸汽車變速箱與后橋之間的傳動軸 傳動軸傳動軸 根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。 直軸直軸 階梯軸階梯軸 光軸光軸 根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。 曲軸曲軸 根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。根據軸線形狀不同，軸又可分為直軸、曲軸和鋼絲軟軸。 鋼絲軟軸鋼絲軟軸 11.1.2 軸的材料軸的材料 軸工作時產生的應力多是循環變應力，所以軸的損壞常軸工作時產生的應力多是循環變應力，所以軸的損壞常 為疲勞破壞，因此軸的材料應具有足夠高的強度和韌性

4、，對為疲勞破壞，因此軸的材料應具有足夠高的強度和韌性，對 應力集中敏感性小和良好的工藝性，有的軸還有耐磨性的要應力集中敏感性小和良好的工藝性，有的軸還有耐磨性的要 求等。求等。 碳素鋼碳素鋼 35、40、45、50鋼等，其中鋼等，其中45鋼最常用鋼最常用，一般要經正火、一般要經正火、 調質或表面淬火熱處理調質或表面淬火熱處理。 合金鋼合金鋼 20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、38SiMnMo等等。采采 用合金鋼必須用合金鋼必須進行進行相應的熱處理相應的熱處理。 球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵球墨鑄鐵或可鍛鑄鐵 QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等等。 第二

5、節 軸的結構設計就是確定軸的合理形狀和尺寸。影響軸的軸的結構設計就是確定軸的合理形狀和尺寸。影響軸的 結構的因素有很多，如軸上零件的布局及其在軸上的固定方結構的因素有很多，如軸上零件的布局及其在軸上的固定方 法；軸上載荷的大小及其分布情況；軸承的類型、尺寸和布法；軸上載荷的大小及其分布情況；軸承的類型、尺寸和布 置情況；軸的加工和裝配工藝性等。因此，軸的結構沒有標置情況；軸的加工和裝配工藝性等。因此，軸的結構沒有標 準形式。設計時，必須針對不同的情況確定軸的結構。準形式。設計時，必須針對不同的情況確定軸的結構。 軸的結構設計要求軸的結構設計要求 軸和軸上零件要有確定的軸向工作位置及恰當的周向軸

6、和軸上零件要有確定的軸向工作位置及恰當的周向 固定。固定。 軸上零件要易于裝拆和調整。軸上零件要易于裝拆和調整。 軸應具有良好的制造工藝性。軸應具有良好的制造工藝性。 軸受力合理，有利于提高軸的強度和剛度。軸受力合理，有利于提高軸的強度和剛度。 軸的形狀及尺寸有利于軸的形狀及尺寸有利于減小應力集中等。減小應力集中等。 軸的組成軸的組成 軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成。 軸頸軸頸 軸頭軸頭軸身軸身 軸上零件的裝配軸上零件的裝配 齒輪齒輪套筒套筒左端軸承左端軸承左端軸承端蓋左端軸承端蓋左端軸承端蓋左端軸承端蓋 右端軸承右端軸承鏈輪鏈輪軸端擋圈軸端擋圈 11.

7、2.1 軸上零件的固定軸上零件的固定 為了保證軸上零件能正常工作，其軸向和周向都必須固為了保證軸上零件能正常工作，其軸向和周向都必須固 定。定。 1. 軸向定位與固定軸向定位與固定 為了保證零件在軸上有確定的軸向位置，防止零件軸向為了保證零件在軸上有確定的軸向位置，防止零件軸向 竄動并能傳遞軸向力，軸上零件必須軸向定位與固定。常用竄動并能傳遞軸向力，軸上零件必須軸向定位與固定。常用 的定位方法有軸肩、套筒、螺母、軸端擋圈、鎖緊擋圈、圓的定位方法有軸肩、套筒、螺母、軸端擋圈、鎖緊擋圈、圓 錐面、彈性擋圈和錐面、彈性擋圈和緊定螺釘緊定螺釘等。等。 零件的軸向定位舉例零件的軸向定位舉例 r h D

8、d b R h D d C1 軸肩軸肩 r 軸環軸環 2. 周向固定周向固定 為了防止軸上零件與軸之間的相對轉動，可靠地傳遞運為了防止軸上零件與軸之間的相對轉動，可靠地傳遞運 動和轉矩，必須進行零件的周向固定。周向固定的方法很多，動和轉矩，必須進行零件的周向固定。周向固定的方法很多， 常用的有鍵連接、花鍵連接、型面連接、銷連接、過盈連接常用的有鍵連接、花鍵連接、型面連接、銷連接、過盈連接 等。等。 在運動精度要求較高的場合在運動精度要求較高的場合( (如有運動協調性要求等如有運動協調性要求等) )， 周向定位要求精確并可調整，周向定位比軸向定位更重要。周向定位要求精確并可調整，周向定位比軸向定

9、位更重要。 第三節 軸的工作能力主要取決與強度和剛度。軸的強度不夠，軸的工作能力主要取決與強度和剛度。軸的強度不夠， 會出現斷裂或因過大的塑性變形而失效。軸的剛度不夠時，會出現斷裂或因過大的塑性變形而失效。軸的剛度不夠時， 會產生度過大的彎曲變形和扭轉變形，影響機器的正常工作。會產生度過大的彎曲變形和扭轉變形，影響機器的正常工作。 高速軸還應考慮其振動穩定性。高速軸還應考慮其振動穩定性。 11.3.1 按扭轉強度條件計算按扭轉強度條件計算 這種方法是只按軸所承受的扭矩來計算軸的強度。若軸這種方法是只按軸所承受的扭矩來計算軸的強度。若軸 上還承受著不大的彎矩，則采用降低許用應力的方法來考慮上還承

10、受著不大的彎矩，則采用降低許用應力的方法來考慮 彎矩的影響。在做軸的結構設計時，通常按扭轉強度條件初彎矩的影響。在做軸的結構設計時，通常按扭轉強度條件初 步估算軸受扭段的最小直徑。對于不重要的軸，也可以作為步估算軸受扭段的最小直徑。對于不重要的軸，也可以作為 最后計算結果。最后計算結果。 由材料力學可知，軸受扭矩時的強度條件為由材料力學可知，軸受扭矩時的強度條件為 3 TT3 T 9550 10 0.2 TP Wd n 得到得到 3 3 3 T 9550 10 0.2 P d n 當軸的材料選定后，當軸的材料選定后， T已知，可將上式簡化為已知，可將上式簡化為 3 P dC n 按上式計算出的

11、軸徑，一般作為軸上承受扭矩段的最小按上式計算出的軸徑，一般作為軸上承受扭矩段的最小 直徑。軸上若有鍵槽，將削弱軸的強度，因此應適當加大軸直徑。軸上若有鍵槽，將削弱軸的強度，因此應適當加大軸 徑。一般當有一個鍵槽時，軸徑增加徑。一般當有一個鍵槽時，軸徑增加4%5%；有兩個鍵槽時，；有兩個鍵槽時， 增加增加7%10%。計算得到的直徑應圓整為標準直徑。計算得到的直徑應圓整為標準直徑。 11.3.2 按彎扭合成強度條件計算按彎扭合成強度條件計算 軸的各部分尺寸和結構確定后，必要時可按工程力學中軸的各部分尺寸和結構確定后，必要時可按工程力學中 第三強度理論進行校核。第三強度理論進行校核。 主要步驟主要步

12、驟 1) )繪出軸的計算簡圖繪出軸的計算簡圖( (受力圖受力圖) )。 2) )繪出軸的水平面彎矩繪出軸的水平面彎矩MH圖。圖。 3) )繪出軸的垂直面彎矩繪出軸的垂直面彎矩Mv圖。圖。 22 HV MMM 4) )計算出合成彎矩計算出合成彎矩 ，繪出合成彎矩圖。，繪出合成彎矩圖。 5) )計算當量彎矩計算當量彎矩Me，繪出當量彎矩圖。，繪出當量彎矩圖。 22 e ()MMT 為折算系數，對稱變化扭矩為折算系數，對稱變化扭矩 1；脈動變化扭矩；脈動變化扭矩 0.6； 不變扭矩不變扭矩 0.3。 7) )計算軸的直徑。在當量彎矩計算軸的直徑。在當量彎矩Me作用下，求出危險截面作用下，求出危險截面

13、 的當量應力的當量應力 e，強度條件為，強度條件為 于是于是 e 3 1b 0.1 M d 若軸的截面有鍵槽，應適當加大軸徑。當校核計算出的若軸的截面有鍵槽，應適當加大軸徑。當校核計算出的 軸徑比初估并經過結構化所得軸徑稍小，表明原定軸徑安全，軸徑比初估并經過結構化所得軸徑稍小，表明原定軸徑安全， 否則，應按校核計算所得軸徑作適當修改。否則，應按校核計算所得軸徑作適當修改。 ee e1b3 0.1 MM Wd 11.3.3 軸的剛度計算軸的剛度計算 軸在載荷作用下會發生彎曲和扭轉變形，嚴重時將影響軸在載荷作用下會發生彎曲和扭轉變形，嚴重時將影響 到軸和軸上零件的正常工作。因此，在設計重要的軸時

14、，需到軸和軸上零件的正常工作。因此，在設計重要的軸時，需 對軸的剛度進行校核。對軸的剛度進行校核。 軸的剛度分為扭轉剛度和彎曲剛度。彎曲剛度用軸的撓軸的剛度分為扭轉剛度和彎曲剛度。彎曲剛度用軸的撓 度度y或偏轉角或偏轉角 度量；扭轉剛度用扭轉角度量；扭轉剛度用扭轉角 度量。設計準則分別度量。設計準則分別 為為 y y 或或 或或 y或或 以及以及 可根據力學中的有關方法計算，可根據力學中的有關方法計算，y、 和和 的具體數值可從機械設計手冊中查得。的具體數值可從機械設計手冊中查得。 第四節 軸與軸上零件的連接稱為軸轂連接，其功能主要是使軸軸與軸上零件的連接稱為軸轂連接，其功能主要是使軸 上零件

15、與軸周向固定以傳遞轉矩。常用的軸轂連接有上零件與軸周向固定以傳遞轉矩。常用的軸轂連接有鍵連接、鍵連接、 花鍵連接、過盈連接、銷連接、螺釘連接和型面連接等。花鍵連接、過盈連接、銷連接、螺釘連接和型面連接等。 11.4.1 鍵連接鍵連接 1. 鍵連接的類型鍵連接的類型 鍵連接是應用最多的軸轂連接方式，有多種類型，均有鍵連接是應用最多的軸轂連接方式，有多種類型，均有 國家標準。國家標準。 2. 平鍵連接的計算平鍵連接的計算 設計平鍵連接時，首先根據工作條件確定鍵的類型，再設計平鍵連接時，首先根據工作條件確定鍵的類型，再 由軸徑由軸徑d從標準中查得鍵的截面尺寸從標準中查得鍵的截面尺寸鍵寬鍵寬b和鍵高和

16、鍵高h，然后按，然后按 輪轂寬度輪轂寬度B確定鍵長確定鍵長L。輪轂寬度。輪轂寬度B一般可取為一般可取為( (1.52) )d，鍵，鍵 長長L B ( (510) )mm。導向平鍵的鍵長按輪轂長度及滑動距離。導向平鍵的鍵長按輪轂長度及滑動距離 而定。鍵長而定。鍵長L必須符合國家標準中規定的長度系列。必須符合國家標準中規定的長度系列。 k h T d b 平鍵連接工作時鍵及鍵槽的工作面受擠壓，鍵又受剪切。平鍵連接工作時鍵及鍵槽的工作面受擠壓，鍵又受剪切。 普通平鍵的主要失效形式是工作面被壓潰，個別情況也會出現普通平鍵的主要失效形式是工作面被壓潰，個別情況也會出現 鍵被剪斷；導向平鍵連接主要失效形式

17、是工作面過度磨損。鍵被剪斷；導向平鍵連接主要失效形式是工作面過度磨損。 平鍵連接常按工作面上的擠壓應力或壓強進行校核計算。平鍵連接常按工作面上的擠壓應力或壓強進行校核計算。 p A型型 B型型 設壓力在工作面上均勻分布，普通平鍵連接的擠壓應力設壓力在工作面上均勻分布，普通平鍵連接的擠壓應力 p、導向平鍵連接的壓強、導向平鍵連接的壓強p應分別滿足的條件為應分別滿足的條件為 A型型 B型型 pp 2000 FT kldkl 2000 T pp dkl k h T d b p 第五節 聯軸器和離合器都是機械中的常用部件，主要用于將兩聯軸器和離合器都是機械中的常用部件，主要用于將兩 固定軸軸向連接并傳

18、遞運動和轉矩。聯軸器所連接的兩軸，固定軸軸向連接并傳遞運動和轉矩。聯軸器所連接的兩軸， 只能在機器停車后經過裝拆才能彼此接合或分開；而離合器只能在機器停車后經過裝拆才能彼此接合或分開；而離合器 可根據需要在機器運轉過程中使兩軸接合或分離?？筛鶕枰跈C器運轉過程中使兩軸接合或分離。 兩軸軸線的相對位移兩軸軸線的相對位移 x 軸向位移軸向位移 y 徑向位移徑向位移 x y 綜合位移綜合位移 偏角位移偏角位移 1. 剛性聯軸器剛性聯軸器 剛性聯軸器由剛性連接元件組成，元件之間不能相對運剛性聯軸器由剛性連接元件組成，元件之間不能相對運 動，不能補償兩軸間的相對位移，不能緩沖吸振，用于被連動，不能補償

19、兩軸間的相對位移，不能緩沖吸振，用于被連 接的兩軸能嚴格對中，并在工作時不發生相對位移的場合。接的兩軸能嚴格對中，并在工作時不發生相對位移的場合。 ( (1) )套筒聯軸器套筒聯軸器 用鍵連接用鍵連接用銷連接用銷連接 特點特點 結構簡單，制造簡單，徑向尺寸小，成本較低。結構簡單，制造簡單，徑向尺寸小，成本較低。 被連接的兩軸必須嚴格同心，不能緩沖和吸振，裝拆時需作被連接的兩軸必須嚴格同心，不能緩沖和吸振，裝拆時需作 軸向位移，有時不太方便。通常用于傳遞較小轉矩的場合。軸向位移，有時不太方便。通常用于傳遞較小轉矩的場合。 ( (2) )凸緣聯軸器凸緣聯軸器 特點特點 結構簡單，制造成本低，工作可

20、靠，能傳遞較大結構簡單，制造成本低，工作可靠，能傳遞較大 的轉矩。被連接的兩軸必須嚴格對中，不能緩沖和吸振，一的轉矩。被連接的兩軸必須嚴格對中，不能緩沖和吸振，一 般用于轉矩較大，兩軸能很好對中以及沖擊較小的場合。般用于轉矩較大，兩軸能很好對中以及沖擊較小的場合。 2. 撓性聯軸器撓性聯軸器 在不能避免兩軸相對位移的情況下，應采用撓性聯軸器在不能避免兩軸相對位移的情況下，應采用撓性聯軸器 來補償被連接兩軸的位移和偏斜。撓性聯軸器可分為無彈性來補償被連接兩軸的位移和偏斜。撓性聯軸器可分為無彈性 元件撓性聯軸器和有彈性元件撓性聯軸器兩類。元件撓性聯軸器和有彈性元件撓性聯軸器兩類。 撓性聯軸器補償兩

21、軸偏移的方法撓性聯軸器補償兩軸偏移的方法 依靠連接元件間的相對可移性使兩個半聯軸器發生相對依靠連接元件間的相對可移性使兩個半聯軸器發生相對 運動，從而補償被連接兩軸安裝時的對中誤差以及工作運動，從而補償被連接兩軸安裝時的對中誤差以及工作 時的相對位移。時的相對位移。 在聯軸器中安置彈性元件，彈性元件受載時產生彈性變在聯軸器中安置彈性元件，彈性元件受載時產生彈性變 形，從而使兩半聯軸器發生相對運動。形，從而使兩半聯軸器發生相對運動。 ( (1) )無彈性元件聯軸器無彈性元件聯軸器 1) )滑塊聯軸器滑塊聯軸器 十字滑塊聯軸器十字滑塊聯軸器 特點特點 結構簡單，徑向尺寸小，但工作面易磨損，適用結構

22、簡單，徑向尺寸小，但工作面易磨損，適用 于低速和沖擊較小的場合。于低速和沖擊較小的場合。 2) )齒輪聯軸器齒輪聯軸器 特點特點 具有良好的補償兩軸偏移的能力，具有良好的補償兩軸偏移的能力，能傳遞很大的能傳遞很大的 轉矩，工作安全可靠，安裝精度要求不高，有良好的補償軸轉矩，工作安全可靠，安裝精度要求不高，有良好的補償軸 間相對位移的能力。但結構復雜、自重大、成本較高，在重間相對位移的能力。但結構復雜、自重大、成本較高，在重 型機械中應用廣泛。型機械中應用廣泛。 3) )萬向聯軸器萬向聯軸器 特點特點 結構緊湊，工作可靠，維護方便，能連接交角較結構緊湊，工作可靠，維護方便，能連接交角較 大的相交

23、軸或距離較大的兩平行軸，應用廣泛。大的相交軸或距離較大的兩平行軸，應用廣泛。 ( (2) )有彈性元件的撓性聯軸器有彈性元件的撓性聯軸器 這類撓性聯軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸的這類撓性聯軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸的 線位移和角位移，而且具有緩沖和吸振能力，適用于受變載線位移和角位移，而且具有緩沖和吸振能力，適用于受變載 荷、頻繁起動、經常正反轉以及兩軸不便于嚴格對中的場合。荷、頻繁起動、經常正反轉以及兩軸不便于嚴格對中的場合。 1) ) 彈性套柱銷聯軸器彈性套柱銷聯軸器 特點特點 結構簡單，更換方便，易于制造，能補償兩軸軸結構簡單，更換方便，易于制造，能補償兩軸軸 線間的相

24、對位移和偏斜。適用于連接載荷平穩、經常正反轉線間的相對位移和偏斜。適用于連接載荷平穩、經常正反轉 或起動頻繁、傳遞中小轉矩的軸。或起動頻繁、傳遞中小轉矩的軸。 2) ) 彈性柱銷聯軸器彈性柱銷聯軸器 特點特點 傳遞轉矩的能力較大，結構簡單，安裝制造方便，傳遞轉矩的能力較大，結構簡單，安裝制造方便， 耐久性好，適用于軸向竄動量較大，正反轉變化較多和起動耐久性好，適用于軸向竄動量較大，正反轉變化較多和起動 頻繁的場合。頻繁的場合。 3. 聯軸器的選擇聯軸器的選擇 ( (1) )聯軸器的類型選擇聯軸器的類型選擇 聯軸器多已標準化和系列化。對于已標準化的聯軸器，聯軸器多已標準化和系列化。對于已標準化的

25、聯軸器， 可先根據機械的工作特點、性能要求，結合聯軸器的性能等可先根據機械的工作特點、性能要求，結合聯軸器的性能等 選擇合適類型。選擇合適類型。 一般來說，對載荷平穩、低速、剛性大，同軸度好，無一般來說，對載荷平穩、低速、剛性大，同軸度好，無 相對位移的軸選用剛性聯軸器；對剛性小，有相對位移的軸相對位移的軸選用剛性聯軸器；對剛性小，有相對位移的軸 宜選用撓性聯軸器，以補償其安裝誤差。如當兩軸徑向位移宜選用撓性聯軸器，以補償其安裝誤差。如當兩軸徑向位移 大時選用滑塊聯軸器；而當兩軸角位移較大或相交兩軸的連大時選用滑塊聯軸器；而當兩軸角位移較大或相交兩軸的連 接可選用萬向聯軸器。大功率的重載傳動可

26、選用齒輪聯軸器；接可選用萬向聯軸器。大功率的重載傳動可選用齒輪聯軸器； 對高速、有沖擊、振動和對中較差的軸應選用彈性聯軸器。對高速、有沖擊、振動和對中較差的軸應選用彈性聯軸器。 ( (2) )聯軸器型號的確定聯軸器型號的確定 確定聯軸器的類型后，可根據傳遞的轉矩、轉速、軸的確定聯軸器的類型后，可根據傳遞的轉矩、轉速、軸的 結構形式和尺寸等要求，確定聯軸器型號和結構尺寸，并保結構形式和尺寸等要求，確定聯軸器型號和結構尺寸，并保 證所選型號的許用轉矩證所選型號的許用轉矩Tn不小于其計算轉矩不小于其計算轉矩Tc。 Tc KAT Tn 11.5.2 常用離合器常用離合器 離合器的類型很多，按其結合元件

27、工作原理，可分為嵌離合器的類型很多，按其結合元件工作原理，可分為嵌 合式和摩擦式兩類。合式和摩擦式兩類。 嵌合式離合器特點嵌合式離合器特點 結構簡單，傳遞的轉矩大，能保證結構簡單，傳遞的轉矩大，能保證 被連接的兩軸同步運轉，尺寸緊湊；接合時有剛性沖擊，只被連接的兩軸同步運轉，尺寸緊湊；接合時有剛性沖擊，只 宜在停車或轉速差很小時離合。宜在停車或轉速差很小時離合。 摩擦式離合器特點摩擦式離合器特點 接合平穩，過載時可自行打滑，能接合平穩，過載時可自行打滑，能 在任何不同的轉速下離合，但主、從動軸不能嚴格同步，接在任何不同的轉速下離合，但主、從動軸不能嚴格同步，接 合時產生摩擦熱，摩擦元件易磨損。合時產生摩擦