第十章軸、軸轂連接及連軸器

一概述

1軸的用途及分類

軸是機械系統中的重要零件，其功用是支承轉動零件和傳遞扭矩。軸按受載情況可以分三種類型，

即心軸、傳動軸及轉軸。心軸工作時只受彎矩不受扭矩。當工作時心軸轉動則稱為轉動心軸，如圖a所示火車車廂輪軸；當工作時心軸不轉動則稱為固定心軸，如圖b所示起重支承滑輪軸。傳動軸工作時只傳遞扭矩不受彎矩或受很小彎矩，如圖2所示汽車傳動軸。轉軸工作時同時受彎矩和扭矩，如圖3所示減速器中的輸入軸和輸出軸。2軸的材料軸的失效多為疲勞破壞，因此要求軸的材料應具有足夠的強度及剛度，對應力集中敏感性應低，同時應考慮良好的工藝性及經濟性。軸的材料主要是碳鋼和合金鋼。鋼制軸的毛坯多用軋制圓鋼和鍛鋼。

1．碳素鋼

碳素鋼較合金鋼價廉，對應力集中的敏感性較小，故應用較廣。常用的有30、35、40、45和50等優質碳素鋼，其中45鋼最為常用。為改善其機械性能，常進行調質或正火處理。滑動軸承的支承軸頸部分應進行表面淬火以提高其耐磨性。對于受力較小和不重要的軸可用Q235等普通碳素鋼。

2．合金鋼

合金鋼具有較好的機械性能和熱處理性能，但對應力集中較敏感而價格也較高。當要求強度高、尺寸小、重量輕、以及耐磨性好，或有耐高溫耐腐蝕等特殊要求時可采用合金鋼。常用中碳合金鋼有40Cr，40MnB，35SiMn等，低碳合金鋼有20Cr，20CrMnTi等。

3．合金鑄鐵和球墨鑄鐵鑄鐵具有良好的吸振性和耐磨性，對應力集中敏感性較低，易于得到合理外形，如曲軸、凸輪軸等。缺點是沖擊韌性差，鑄造軸的質量不易控制。

第二節軸的結構設計一軸的結構設計主要決定于軸系結構。軸系結構是指軸與被支承零件、軸與軸承及其支座(軸承座或箱體支座)，以及與軸相關的其它零部件的裝配總成。具體進行軸結構設計時應考慮軸的受載情況、軸上零件的布置與固定方式、軸承類型與尺寸、軸的工藝結構等因素。

圖所示一級圓柱齒輪減速器輸出軸的軸系結構。軸上被支承零件是大齒輪和聯軸器。與軸相關零件有定位套筒及透蓋。兩支承采用向心球軸承及箱體支座。從軸的右端依次裝入大齒輪、定位套筒、滾動軸承、透蓋及聯軸器等。左端裝入左端軸承。為裝拆方便及軸上零件定位需要，通常轉軸的結構為由兩端向中部漸次增大直徑的階梯形狀。由于軸徑有突變，從而引起應力集中。為減少應力集中，軸徑變化處須有適當的圓角或采用錐柱面過渡。

與軸承相配合的軸段稱為軸頸，與被支承零件配合的軸段稱為軸頭，連接軸頭與軸頸的軸段稱為軸身。

軸上被支承零件的軸向定位與固定是借助于軸環或軸肩與其它固定零件配合實現的。軸上不起定位作用但方便于零件的裝拆的軸肩稱為非定位軸肩，當相鄰兩段軸徑相差較大時宜采用錐柱面過渡。軸環定位方便可靠，通常用于受軸向力較大的零件的軸向定位；一般軸肩定位不能承受較大的軸向力而主要起定位作用。與滾動軸承配合處的軸肩結構與軸承類型有關，當受有軸向力采用向心推力軸承時，要求定位面緊密相靠貼，為保證配合要求采用磨削加工時須留有砂輪越程糟。以上結構見圖定位軸肩相關尺寸與非定位軸肩自由表面過渡圓角半徑須查手冊確定。滾動軸承軸肩的圓角半徑另有規定須查手冊確定。

套筒定位．圖適用于零件間距離較短的場合。當無法采用套筒或套筒過長時宜采用圓螺母與止推墊片固定圖a或雙圓螺母固定圖b。用上述各種方法定位時，輪轂寬度均應略大于配合軸段的長度，以保證定位側面相互緊靠。加工螺紋部分應留有退刀槽。軸端擋圈固定圖僅適用于軸端零件的軸向固定。緊定螺釘固定圖和彈性擋圈固定圖只適用于承受不大軸向力的場合。軸上零件的周向固定通常采用平鍵連接。當傳遞載荷很大時可采用花鍵連接。有關軸的結構尺寸有些已經標準化，設計時須查閱有關機械設計手冊。第三節軸的強度計算

傳動軸只傳遞扭矩，按扭轉強度計算；心軸只受彎矩，按彎曲強度計算；對于轉軸則按彎、扭合成強度計算。．設計轉軸時，軸的結構設計尚未確定之前，支承跨距是未知的，故支承反力和彎矩大小無法計算。通常的設計方法是，初步按扭轉強度估算軸的最小直徑，然后根據軸上零件的布置與定位、采用軸承的類型與尺寸、軸的工藝因素等進行軸的結構設計。從而確定軸的支承跨距，然后計算支承反力和所受彎矩，最后對軸進行彎、扭合成強度計算。對某些特別重要的軸，有時需進行安全系數校核計算(有關計算方法可查閱其它資料)。

一、軸的扭轉強度計算

當所傳遞扭矩和軸徑已知時，軸的扭轉強度計算公式為當軸上有一個鍵槽時d值增大3％；一個斷面上有兩個鍵槽時增大7％。

對于空心軸，可用下式計算

對于轉軸，可利用上述公式初步估算軸的最小直徑dmin然后進行軸的結構設計，初步確定軸的幾何形狀和尺寸。

二、軸的彎扭合成強度計算軸的結構初步確定后，這時軸的支承跨距和軸上載荷的大小，方向及作用點的位置和載荷種類均已確定，然后進行軸的受力分析，按照彎扭合成強度計算軸的危險斷面(有時是幾個危險斷面)的直徑，一般計算順序如下

1．畫出軸空間受力簡圖。2．畫水平面上的受力簡圖和水平面彎矩圖Mx3．畫垂直面上的受力簡圖和垂直面彎矩圖Mx。4．以公式M=求合成彎矩M，并畫合成彎矩圖。5．畫扭矩圖T。6．以公式Me=求出當量彎矩并畫當量彎矩圖。

式中，a是根據扭矩性質而定的應力校正系數。因一般由彎矩所產生的彎曲應力是對稱循環的變應力，而扭轉剪應力常與彎曲應力變化性質不同，故在計算時需計入這種應力特性差異的影響，為此引入系數a值。式中，[σ+1]b，[σ0]b，和[σ-1]b分別為材料在靜應力，脈動循環和對稱循環應力狀態下的許用彎曲應力，其值可查表19—3。轉軸所受的扭剪應力，在理論上雖然是靜應力，但實際上由于機器運轉不均勻，以及不可避免的扭轉振動的存在，因此扭剪應力是變化的，一般取為脈動的扭矩，計算時a≈0．6。7．按當量彎矩M進行強度校核和設計計算。強度條件為轉軸的設計計算公式為空心軸可用下式計算§4軸轂連接

軸轂連接是指軸與軸上零件的周向固定，通常采用鍵連接、花鍵連接、銷連接及過盈配合連接等方式。一、鍵連接鍵都是標準件。一般可根據連接的具體要求與工作條件按軸徑大小選用其類型與尺寸，必要時進行強度校核。

(一)平鍵連接平鍵分為普通平鍵和導鍵。平鍵的兩側面為工作面，上平面與輪轂槽底間留有一定間隙，工作時靠鍵與鍵槽的側面傳遞扭矩。普通平鍵端部可制成圓頭(A型)、方頭(B型)或半圓頭(C型)，如圖19—16所示。A型鍵槽是用端銑刀加工，鍵在鍵槽中軸向固定較好，但鍵槽引起軸的應力集中較大；B型鍵槽用盤銑刀加工，對軸引起的應力集中較小，c型鍵主要用于軸的端部。

導鍵用螺釘固定在軸槽內，軸上零件的轂槽與鍵是間隙配合，故能沿軸向移動。導鍵主要用于變速箱中的滑移齒輪與軸的連接。平鍵材料一般用45號鋼。當輪轂用非鐵金屬或非金屬材料時，鍵可用20號鋼或Q235鋼制做。當按軸徑d選定鍵的截面尺寸b×h后，參照鍵的長度系列及輪轂寬B選擇鍵的長度L，一般取L=B-(5～10)mm，必要時進行強度校核。

鍵連接的失效形式主要是強度較弱件(通常為輪轂)的工作面被壓潰，有時也可能出現鍵被剪斷。鍵連接的擠壓強度和剪切強度可分別由下式計算當需用兩個鍵共同承受載荷連接時，應布置成180。。考慮到載荷分配不均勻，只按1．5個鍵進行校核計算。

(一)半圓鍵連接半圓鍵也以兩側面為工作面實現周向固定。半圓鍵可在軸槽內擺動以適應轂槽底面裝配方便。半圓鍵的軸槽較深，對軸的強度削弱較大，只適于輕載連接和錐形軸端連接。(三)楔鍵連接楔鍵的上下面是工作面，楔鍵上表面有1：100的斜度，輪轂鍵槽底也是1：100的斜度。裝配時鍵的上下面楔緊在軸與軸轂之間，其工作面上產生很大預緊力N，工作時靠上下面產生的摩擦力傳遞扭矩，并能軸向固定零件和承受單方向的軸向力。

楔鍵楔緊時破壞了軸與軸上零件的對中性，所以不適宜要求運動精度高的連接。楔鍵分為普通楔鍵和鉤頭楔鍵，鉤頭楔鍵的鉤頭供拆鍵時使用。

二、花鍵連接

軸和零件轂孔周向均布的凸齒和凹槽，構成花鍵連接。花鍵連接的工作面是齒側面，由于有多個鍵工作，因此花鍵連接有較高的承載能力。由于鍵與鍵槽為均布，所以有較好的定心性和導向性。齒軸一體，且齒槽較淺，齒根應力集中較小，被連接件的強度削弱較少，適用于載荷大，定心要求較高的靜連接和動連接。但花鍵加工需用專門設備，制造成本較高。(一)矩形花鍵鍵的齒側面為相互平行的平面，易于加工，可用磨削方法獲得較高精