轴的结构设计课件.ppt

第06章轴系零件 6 1轴 第06章轴系零件 6 1轴 支承转动零件 齿轮 带轮 凸轮 传递转矩和运动 功用 6 1 1轴的类型和特点6 1 2轴的材料及选择6 1 3轴的结构设计6 1 4轴的设计计算 6 1 1轴的类型和特点 6 1 1 1按轴线形状的不同 分为 直轴 轴线为一直线光轴 轴的全长上直径都相等阶梯轴 各段直径不等 应用广空心轴 轴内有空曲轴 轴线为一折线挠性软轴 能把旋转运动传到任何位置的钢丝软轴 6 1 1轴的类型和特点 6 1 1 2按承受载荷不同 可分为 转轴 同时受转矩和弯矩 传动轴 只受转矩或所受弯矩很小 例 汽车中联接变速箱与后桥之间的轴 心轴 只受弯矩 6 1 2轴材料及选择 轴的材料主要是碳素钢和合金钢 碳素钢比合金钢价格低廉 对应力集中的敏感性低 力学性能较好 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 的优质碳素钢 尤其是45号钢 对于不重要或受力较小的轴也可用Q235 Q275等碳素结构钢 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 经渗碳淬火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 一般轴 轧制的圆钢或锻件 重要轴 锻制毛坯 对轴的结构进行设计主要是 确定轴的合理外形和结构尺寸 6 1 3轴的结构设计 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 无论何种具体因素 轴的结构都应满足以下条件 轴和装在轴上的零件要有准确的位置 轴上的零件应便于装拆和调整 轴应具有良好的制造工艺性等 结构分析 6 1 3轴的结构设计 轴肩 圆螺母 止动片 套筒 弹性挡圈 紧定螺钉 轴端挡圈定位等 防止轴向移动 周向固定 轴向固定 键 花键 销 过盈配合 弹性环联接 成形联接等 防止零件与轴产生相对转动 6 1 3轴的结构设计 轴肩定位 轴向固定 特点 结构简单 定位可靠 可承受较大的轴向力 但会使轴的轴颈增大 阶梯处形成应力集中 阶梯过多不利于加工 应用 齿轮 带轮 联轴器 轴承等的轴向定位 套筒定位 轴向固定 特点 简单可靠 简化了轴的结构设计且不削弱轴的强度 但不适宜高速运转的轴 应用 多用于轴上一零件的位置已固定而零件间距离较小的场合 圆螺母定位 轴向固定 特点 定位可靠 装拆方便 可承受较大的轴向力由于切制螺纹使轴的疲劳强度下降 应用 用于套筒过长或无法采用套筒 而轴上又允许车制螺纹的场合 常用于轴的中部和端部 弹性挡圈固定 轴向固定 特点 结构简单紧凑 只能承受很小的轴向力切槽需要一定的精度 应用 主要用于有振动和冲击的轴端零件的轴向定位 滚动轴承 轴端压板定位和紧定螺钉固定 轴向固定 用于轴端定位可承受剧烈振动和冲击 适用于轴向力小 转速低的场合 轴的周向固定 轴的加工和装配工艺性 3 轴的结构设计 轴的结构设计时应注意的问题 1 为便于装拆 轴端应有45 的倒角 零件装拆时所经过的各段轴颈都要小于零件的孔径 2 轴肩或轴环定位时 其高度必须小于轴承内圈端部的厚度 3 用套筒 圆螺母 轴端挡圈作轴向定位时 一般装配零件的轴长度应比零件的轮毂长度短2 3mm 以确保套筒 螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面 4 轴上磨削的轴段和车制螺纹的轴段 应分别留有砂轮越程槽和螺纹退刀槽 减少应力集中的措施 1 倒角和圆角2 过渡结构 思考题 试指出图中结构不合理的地方 并予以改正 扭转强度计算 传动轴 6 1 4轴的设计计算 1 轴的强度计算 对于圆截面的实心轴 其抗扭强度条件为 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4 5 如有两个键槽可增大7 10 估算直径 弯扭合成强度计算 转轴 2 轴的强度计算 转轴同时承受扭矩和弯矩 必须按二者组合强度进行计算 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 计算水平面和垂直面上的弯矩并作出弯矩图 3 计算合成弯矩M并作出弯矩图 4 计算转矩MT并作出转矩图 5 计算当量弯矩M 绘出当量弯矩图 6 根据当量弯矩图找出危险截面 进行轴的强度校核 6 1 4轴的设计计算 6 1 4轴的设计计算 3 轴的刚度计算扭转刚度条件为 弯曲刚度条件为 y y 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 然后进行轴的结构设计后 再按弯扭合成的理论进行轴危险截面的强度校核 6 1 4轴的设计计算 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 4 按弯扭合成强度进行轴的强度校核 确定轴上零件的位置和固定方法 确定各轴段直径 长度 一般选2 3个危险截面进行校核 若危险截面强度不够 则必须重新修改轴的结构 6 1 4轴的设计计算 小结 1 轴的功用和分类 3 轴的结构设计 4 轴的强度计算 2 轴的常用材料及热处理 5 轴的设计 本节完 谢谢欣赏 6 2滑动轴承 第06章轴系零件 目录 6 2 1滑动轴承的类型 特点与应用6 2 2滑动轴承的结构形式6 2 3滑动轴承轴瓦的结构形式6 2 4轴承材料6 2 5滑动轴承的润滑 6 2 1滑动轴承的类型 特点与应用 滑动轴承 以轴颈与轴瓦 轴套 支承面间形成直接或间接滑动为主要特征 也即摩擦性质为滑动摩擦 特点 承载能力大 抗冲击 噪声低 工作平稳 回转精度高 高速性能好等按照承受载荷的方向 分为 径向轴承 轴承上的反作用力与轴中心线垂直推力轴承 轴承上的反作用力与轴中心线方向一致组合轴承 同时承受轴向载荷和径向载荷 工作转速极高的轴承 要求轴的支承位置精确 回转精度要求特别高的轴承 特重型轴承 承受巨大冲击和振动的轴承 必须采用剖分结构的轴承要求径向尺寸特别小以及特殊工作条件的轴承用途 内燃机 汽轮机 铁路机车 轧钢机 金属切削机床 天文望远镜等 6 2 1滑动轴承的类型 特点与应用 6 2 2滑动轴承的结构形式 组成 由轴承座 轴瓦 润滑装置 密封装置等 6 2 2 1径向滑动轴承 整体式滑动轴承剖分式滑动轴承调心式滑动轴承 1 整体式滑动轴承 组成 轴承座 轴瓦特点 结构简单 成本低 但无法调整轴颈和轴承孔间的间隙 磨损到一定程度须更换 装拆时须轴向移动 很不方便 应用 轻载 低速 间歇工作的简单机械中 2 剖分式滑动轴承 组成 由轴承座 轴承盖 剖分轴瓦 轴承盖螺柱等组成轴瓦是轴承直接和轴颈相接触的零件 常在轴瓦内表面上贴附一层轴承衬 在轴瓦内壁不负担载荷的表面上开设油沟 润滑油通过油孔和油沟流进轴承间隙 剖分面最好与载荷方向近于垂直 轴承盖和轴承座的剖分面常作成阶梯形 以便定位和防止工作时错动 3 调心式滑动轴承 轴承宽度与轴颈直径之比 B d 称为宽径比 对于B d 1 5的轴承 可以采用自动调心轴承特点 轴瓦外表面做成球面形状 与轴承盖及轴承座的球状内表面相配合 轴瓦可以自动调位以适应轴颈在轴弯曲时所产生的偏斜 6 2 2 2推力轴承 6 2 3滑动轴承轴瓦的结构形式 结构 整体式 剖分式 6 2 3滑动轴承轴瓦的结构形式 轴瓦应开设供油孔及油沟 以便润滑油进入轴承并流到整个工作面上 通常油沟的轴向长度约为轴瓦宽度的80 以便在轴瓦两端留出封油部分 防止润滑油的流失 轴瓦的油沟一般应开设在非压力区或剖分面上 6 2 4滑动轴承材料 常用的轴承材料有三类 金属材料 如轴承合金 灰铸铁 减摩铸铁金属陶瓷 如含油轴承非金属材料 如酚醛塑料 尼龙 6 2 5滑动轴承的润滑 目的 1 减少滑动轴承的摩擦 磨损 保证轴承正常工作 2 冷却 防尘 防锈 缓冲吸振 润滑剂 润滑油 润滑脂 固体润滑剂 水 空气 1 润滑油 润滑油是滑动轴承中应用最广的润滑剂 动 植物油 矿物油 合成油 目前使用的润滑油多位矿物油 润滑油最重要的屋里性能是粘度 它也是选择润滑油的主要依据 粘度标志着液体流动的内摩擦性能 粘度大摩擦阻力大 油阻力大 有利于形成油膜 粘度随温度升高而减低 性能指标还有凝点 闪点 2 润滑脂 组成 润滑油 各种稠化剂 钙 钠 铝 锂 稳定剂 膏状特点 稠度大 不易流失 承载力也较大 但物理和化学性质不如润滑油稳定 摩擦功耗大 不宜在温度变化大或高速下使用 润滑脂主要有 钙基润滑脂 较好耐水性 但不耐热 60 钠基润滑脂 较好耐热性 可达115 145 铝基润滑脂 良好抗水性锂基润滑脂 性能良好 既又耐热 20 150 3 润滑方式 k 2 1 润滑脂润滑 旋盖式油杯手工加油 2 润滑油润滑 压注油杯 旋套式油杯定期加油 3 润滑方式 k 2 16 滴油润滑 3 润滑方式 k 16 32 油环带油方式 或飞溅 压力循环等连续供油方式进行润滑 本节完 谢谢欣赏 6 3滚动轴承 第06章轴系零件 目录 6 3 1滚动轴承的结构 材料 特点 应用6 3 2滚动轴承的类型6 3 3滚动轴承的代号构成6 3 4滚动轴承类型的选择6 3 5滚动轴承组合结构设计 6 3 1滚动轴承的结构 材料 特点 应用 结构材料特点和应用 2020 3 19 52 可编辑 1 结构 组成 内圈 外圈 滚动体和保持架内圈装在轴颈上 外圈装在机座或零件的轴承孔内 多数情况下 外圈不转动 内圈与轴一起转动 当内外圈之间相对旋转时 滚动体沿着滚道滚动 保持架使滚动体均匀分布在滚道上 并减少滚动体之间的碰撞和磨损 2 材料 滚动轴承的内外圈和滚动体应具有较高的硬度和接触疲劳强度 良好的耐磨性和冲击韧性 一般用特殊轴承钢制造 常用材料有GCrl5 GCrl5SiMn GCr6 GCr9等 经热处理后硬度可达60 65HRC 滚动轴承的工作表面必须经磨削抛光 以提高其接触疲劳强度 保持架多用低碳钢板通过冲压成形方法制造 也可采用有色金属或塑料等材料 为适应某些特殊要求 有些滚动轴承还要附加其他特殊元件或采用特殊结构 如轴承无内圈或外圈 带有防尘密封结构或在外圈上加止动环等 实体保持架多用铜合金或塑料制造 较好定心作用 3 特点和应用 优点 与滑动轴承相比 滚动轴承具有摩擦阻力小 启动灵敏 效率高 润滑简便 易于互换 旋转精度高 润滑简便和装拆方便等优点 被广泛应用于各种机器和机构中 缺点 抗冲击性能差 高速时噪声大 工作寿命和回转精度不及精心设计和润滑良好的滑动轴承滚动轴承为标准零部件 由轴承厂批量生产 设计者可以根据需要直接选用 6 3 2滚动轴承的类型 6 3 2 1按滚动轴承承载方向分类6 3 2 2按滚动轴承滚动体形状分类6 3 2 3按滚动轴承工作时能否调心分类 6 3 2 1按滚动轴承承载方向分类 向心轴承主要承受或只承受径向载荷 0 45 推力轴承主要承受或只承受轴向载荷 45 90 6 3 2 2按滚动轴承滚动体形状分类 球轴承滚子轴承圆锥滚子轴承圆柱滚子轴承 调心球轴承1000 双列深沟球轴承4000 深沟球轴承6000 角接触球轴承7000 圆锥滚子轴承3000 圆柱滚子轴承N 推力圆柱滚子轴承8000 推力球轴承5000 6 3 2 3按滚动轴承工作时能否调心分类 分为 刚性轴承 调心轴承 6 3 3滚动轴承的代号构成 滚动轴承已标准化 基本代号 基本代号由三部分组成 类型代号见表6 3 内径代号 尺寸系列代号 宽 高 度系列 结构相同 内径相同而外径 宽度不同 前置代号和后置代号 前置代号和后置代号是轴承在结构 形状 尺寸 公差 技术要求等有改变时 在基本代号左右添加的补充代号 前置代号 左 英文字母表示后置代号 右 表示内部结构 密封防尘 套圈变形 保持架及其材料 轴承材料 公差等级 游隙组别 配置安装代号等具体含义查相关手册 例6 1说明滚动轴承代号意义62808 P5 21212 6 3 4滚动轴承类型的选择 1 载荷大小载荷较大 线接触滚子轴承 较小 点接触2 载荷方向纯轴向载荷 推力轴承 主要承受径向载荷 深沟球轴承 同时承受径向和轴向载荷时 角接触轴承 轴向载荷 径向载荷 推力轴承和深沟球轴承的组合结构 冲击载荷 滚子轴承 注意 推力轴承不能承受径向载荷 圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷 3 载荷性质负荷平稳 球轴承 轻微冲击 滚子轴承 径向冲击大 圆柱滚子轴承 6 3 4滚动轴承类型的选择 4 转速条件选择轴承时应注意极限转速nlim 转速较高时 宜用球轴承 球轴承回转精度高 推理轴承极限转速低 高速 角接触轴承5 调心性能支承跨距大 成对使用调心轴承 尽量不用滚子轴承 对轴线偏斜敏感 6 经济性一般球轴承的价格低于滚子轴承 精度越高价格越高 同精度的轴承 深沟球轴承价格最低 调心滚子轴承最贵 在满足使用要求的前提下 应尽量选用精度低 价格便宜的轴承 6 3 5滚动轴承组合结构设计 正常的滚动轴承支承应使轴能正常传递载荷而不发生轴向窜动及轴受热膨胀后卡死等现象 常用的滚动轴承支承结构型式有三种 1 两端单向固定2 固游式 一端双向固定 一端游动3 两端游动 两端单向固定 c 0 25 0 5mm 固游式 一端双向固定 一端游动 两端游动 轴承的轴向固定 受轴向力时不轴向移动 滚动轴承的配合与装拆 由于滚动轴承是标准件 因此内圈与轴采用基孔制 n6 m6 k6 js6 外圈与箱体座孔采用基轴制 J7 J6 H7 G7一般情况下 转动套圈 一般是内圈 的配合应紧一些 不转动的套圈 一般是外圈 应松些 当转速高 载荷大 振动大时应紧些 反之松些对经常拆卸的轴应选用松一些的配合 滚动轴承的配合与装拆 压入 压内圈 安装大尺寸轴承前 可用热油 80 100 预热为便于使用拆卸工具 内圈在轴肩上应露出足够的高度 安装方法 1 用软锤均匀敲击套圈装入 2 压力机压入 较大的轴承 拆卸方法 1 压力机压出轴颈 2 轴承拆卸器将内圈拉下 滚动轴承的配合与装拆 6 3 5 4滚动轴承的润滑与密封 滚动轴承的润滑滚动轴承的密封 1 滚动轴承的润滑 目的 减少摩擦 磨损 同时也有冷却 吸振 防锈 减少噪声的作用 设轴颈圆周速度为V V5m s 应采用润滑油润滑 这不仅使摩擦阻力减小 而且起到散热 冷却作用 方式 油浴或飞溅润滑 油浴 油面须低于最下方滚动体中心 以免因搅油能量损失较大 使轴承过热 而高速轴承可采用喷油或油雾润滑 2 滚动轴承的密封 目的 阻止灰尘 水分等杂物进入 防止润滑剂流失 密封方法选择与润滑剂种类 工作环境 温度 密封处圆周速度有关 密封方法 接触式 非接触式 6 4联轴器和离合器 第06章轴系零件 引入 联轴器与离合器 相同点 联接两轴 传递运动和转矩 不同点 联轴器 联接的两轴只有停车后经拆卸才能分离 离合器 联接的两轴可在机器工作中方便地实现分离与接合 联轴器和离合器的类型很多 其中有些已经标准化 设计时根据工作条件选用 目录 6 4 1联轴器6 4 1 1固定式联轴器6 4 1 2刚性可移式联轴器6 4 1 3弹性联轴器6 4 2离合器6 4 2 1啮合离合器6 4 2 2摩擦离合器 6 4 1联轴器 6 4 1 1固定式联轴器6 4 1 2刚性可移式联轴器6 4 1 3弹性联轴器 引入 联轴器 把不同部件的两根轴连接成一体 以传递运动和转矩的机械传动装置 联轴器所联接的两轴 由于制造及安装误差 承载后的变形以及温度变化的影响等等 往往不能保证严格的对中 而是存在着某种程度的相对位移 这要求所设计的联轴器 要从结构上采取各种措施 使之具有适应一定范围的相对位移的性能 根据联轴器有无弹性元件 可以将联轴器分为两大类 即刚性联轴器和弹性联轴器 刚性联轴器又根据器结构特点分为固定式和可移动式两类 固定式联轴器要求被联接的两轴中心线严格对中 套筒联轴器 6 4 1 1固定式联轴器 常见的 套筒联轴器 凸缘联轴器 夹壳联轴器 特点 结构简单 使用方便 能传递较大的转矩 但不能补偿轴的偏斜和减振 适用于联接低速 大转矩 振动不大 刚性不太大且又精确对中的两轴 6 4 1 2刚性