第13章轴和轴毂联接
（一）教学要求
掌握轴结构设计特点，及轴的强度计算方法，了解轴的疲劳强度计算和振动（二）教学的重点与难点
轴的弯扭合成法强度计算方法
（三）教学内容
挂图、模型、轴实物
（四）教学内容
16.1.1 概述
16.1.2 轴的结构设计
16.1.3 轴的强度计算
16.1.4 轴的材料及选择
16.1.5 轴的设计
16.1.6 轴毂联接
传动零件必须被支承起来才能进行工作，支承传动件的零件称为轴。轴本身又必须被支承起来，轴上被支承的部分称为轴颈，支承轴颈的支座称为轴承。
轮毂与轴之间的联接称为轴毂联接，常用的有键联接和花键联接，还有销联接、过盈配合联接等，这些联接均属于可拆联接。本章仅讨论阶梯轴的设计计算和键联接。
13.1 概述
轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功用是支承旋转零件、传递转矩和运动。
一、轴的分类（转轴、心轴、传动轴）
1.心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。例：自行车的前轮轴（固定心轴）、铁路机车轮轴（旋转心轴）。
自行车的前轮轴
铁路机车的轮轴
2.传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩，或所承受的弯矩很小的轴。例：汽车中联接变速箱与后桥之间的轴。
3.转轴：机器中最常见的轴，通常简称为轴。工作时既承受弯矩又承受转矩。
减速器轴
根据轴线的形状的不同，轴又可分为直轴、曲轴和挠性钢丝轴。
曲轴
挠性钢丝轴
13.2 轴的结构设计
拆装
轴上各段的名称
轴的结构和形状取决于下面几个因素：（1）轴的毛坯种类：（2）轴上作用力的大小及其分布情况；（3）轴上零件的位置、配合性质及其联接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的考虑各种因素。
对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构设计
时的已知条件有：机器的装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺寸等。
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。在选择轴的结构和形状时应注意以下几个方面。
1.使轴的形状接近于等强度条件。
2.尽量避免各轴段剖面突然改变以降低局部应力集中。
3.改变轴上零件的布置，有时可以减小轴上的载荷。
4.改进轴上零件的结构也可以减小轴上的载荷。
13.2.2 零件在轴上的固定
1.周向固定（键、花键、销和过盈配合等）
2.轴向固定（轴肩、轴环、螺母、套筒及轴端挡圈定位等）
轴肩定位
圆螺母定位弹性挡圈固定
止动垫圈固定紧定螺钉固定
轴端压板
13.2.3 轴的加工和装配工艺性
思考题
13.1试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。
13.3 轴的强度计算
13.3.1 轴的扭转强度计算
开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及强度计算。因此，一般在进行轴的结构设计前先按纯扭转受力情况对轴的直径进行估算。 设轴在转矩T 的作用下，产生剪应力τ。对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为： 639.5510[]0.2T T T T P MPa W d n
ττ⨯==≤
d ≥=式中：[],13.2T MPa τ-许用切应力，查表；
13.2C -与轴材料有关的系数，查表；
37d d d -轴径，单键放大％，双键放大％
由上式求出的直径值，需圆整成标准直径，并作为轴的最小直径。如轴上有一个键槽，可将值增大3%—5%，如有两个键槽可增大7%—10%。
13.3.2 轴的弯扭合成强度计算
完成轴的结构设计后，作用在轴上外载荷的大小、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上。具体的计算步骤如下：
1）画出轴的空间力系图。（分解为水平面分力和垂直面分力）
2）作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图。
3）计算合成弯矩M 。
4）作出转矩图T 。
5）计算当量弯矩，绘出当量弯矩图
M = 30.1b M M W d
σ== 30.2T T T T W d
τ== 由第三强度理论
[]e b W σσ==≤强度条件：（当量应力） []b MPa σ-式中：材料许用弯曲应力，
6）校核危险截面的强度。根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核，公式如上。
13.4 轴的材料及选择
轴的材料种类很多，选择时应主要考虑如下因素：
1.轴的强度、刚度及耐磨性要求；
2.轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；
3.轴的材料来源和经济性等。
轴的常用材料是碳钢和合金钢。
碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。
合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。
值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。
低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火，可提高其耐磨性，常用于韧性要求较高或转速较高的轴。
球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。
轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，常用锻造毛坯。轴的常用材料机械性能见表。
13.5 轴的设计
设计轴的一般步骤为：
1）选材
2）按扭转强度估算轴的最小直径
3）设计轴的结构，绘出轴的结构草图（确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。）
