轴和轴毂连接设计

第六章轴和轴毂连接设计 6 1概述 一 轴的功用 支撑回转零件 传递运动和转矩 二 轴的类型 心轴 只承受弯矩 传动轴 只承受转矩 转轴 既受弯矩 又受转矩 按受载 直轴 曲轴 按轴心线 挠性钢丝轴 其他 转动心轴 固定心轴 第六章轴和轴毂连接设计 概述 轴的应用 第六章轴和轴毂连接设计 概述 轴的加工制造 第六章轴和轴毂连接设计 概述 第六章轴和轴毂连接设计 概述 第六章轴和轴毂连接设计 概述 曲轴的加工 第六章轴和轴毂连接设计 概述 第六章轴和轴毂连接设计 概述 第六章轴和轴毂连接设计 概述 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 2 强度问题 防止轴发生疲劳断裂或塑性变形 3 刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形 4 振动稳定性问题 防止轴系发生共振 三 轴设计时所要解决的问题 1 结构问题 确定轴的形状和尺寸 6 2轴的结构设计 轴颈 与轴承相配的 部分 轴头 与轮毂相配的 部分 轴身 连接轴颈与轴 头的部分 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 轴的结构应满足的基本要求 加工工艺性要好 材料省 重量轻 便于轴上零件装拆 轴上零件要有准确的定位 轴上零件要有可靠的固定 尽量减小应力集中 一 加工工艺要求 光轴 等强度轴 阶梯轴 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 车削 倒角 加工方法不同 轴的结构也可能不同 二 轴上零件的装拆要求 装拆应方便 不同的装拆方案 得到不同结构 轴的直径应圆整成标准值 查 机械设计课程设计 一般标准 加工螺纹应有退刀槽 轴上键槽应处于同一加工方向 且宽度尽可能相等 倒角 导向锥面 磨削 砂轮越程槽 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 定位 使轴上零件处于正确的工作位置 轴肩或轴环 三 轴上零件的轴向定位和固定 固定 使轴上零件牢固地保持这一位置 防止轴上零件工作时发生轴向蹿动 常用的轴向定位和固定方法 定位轴肩 非定位轴肩 为保证定位准确 C或R r 轴环宽度一般取 b 1 4h 圆整成整数 滚动轴承的定位轴肩高度h应小于轴承内圈厚度 以便拆卸轴承 具体尺寸查滚动轴承标准 C 孔边倒角宽度R 孔边圆角半径 轴过渡圆角半径 h 1 2mm 作用是便于轴上零件的装拆 h 0 07 0 1 d 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 套筒 轴端挡圈 弹性挡圈 圆螺母 锥面 对轴上零件起固定作用 常用于近距离的两个零件间的固定 用于轴上两零件距离较远时 或轴端 需切制螺纹 削弱了轴的强度 需切环槽 削弱了轴的强度 承受不大的轴向力 用于固定轴端零件 能承受较大的轴向力 常与轴端挡圈配合使用 注意 采用这些方法固定轴上零件时 为保证固定可靠 应使 轴头长度比轮毂宽度短2 3mm 即 l B 2 3 紧定螺钉 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 键连接 四 轴上零件的周向固定 目的 防止轴上零件与轴发生相对转动 以传递转矩 常用的周向固定方法 花键连接 成形连接 过盈配合 轴毂连接 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 1 键连接 键连接 平键 半圆键 楔键 普通平键 导向平键 短距离 滑键 长距离 动连接 静连接 切向键 普通平键类型 A型 圆头 B型 方头 C型 半圆头 特点 工作面为两侧面 定心性好 装拆方便 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 轴上键槽加工 端铣刀铣制 适合A型键或B型键 适合C型键用于轴端 适合B型键 孔内键槽加工 插刀或拉刀 盘铣刀铣制 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 导向平键 用螺钉将键固定于键槽中 用于轴向滑移量不大的场合 如齿轮变速箱 滑键 与轮毂一起沿键槽做轴向滑移 用于滑移量大的场合 半圆键 两侧面工作 键槽深 对轴强度削弱大 用于轻载 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 楔键 顶面有斜度 1 100 顶面和底面为工作面 靠摩擦力传动 轴向敲入 对中性差 切向键 两个楔键组合而成 工作面的受力沿切向作用 承载能力强 一组切向键只传递单向转矩 两组切向键可传递双向转矩 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 2 花键连接 花键连接 矩形花键 渐开线花键 多对键齿同时传递载荷 承载能力强 对中性好 既可用于静连接 又可用于动连接 3 成形连接 非圆截面的轴与相应的轮毂孔组成的连接 无键连接形式 应力集中小 强度高 但加工困难 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 4 过盈配合连接 利用孔 轴之间的过盈量实现连接 也是无键连接 弹性环 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 五 提高轴强度的措施 减小应力集中 截面变化不要过大 适当加大过渡圆角半径 或采用 凹切圆角 过渡肩环 减载槽 改善轴的受力状况 改变轴上零件的结构或布置 使轴的受载减小 第六章轴和轴毂连接设计 结构设计 轴的结构设计示例 问题 滚动轴承和套筒是否需要用键作周向固定 斜齿轮轴系装配 锥齿轮轴系装配 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 6 3轴的强度计算 应力分析 弯曲应力 b 扭剪应力 T 对称循环变应力 循环特征根据实际 a 对称循环变应力 转轴或转动心轴 a 轴单向 平稳转动 振动 频繁启动或情况不明 轴经常双向运转 T视为静应力 T视为脉动循环变应力 T视为对称循环变应力 情况而定 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 计算方法 按扭转强度计算 按弯扭合成强度计算 安全系数法计算 一般的轴 一 按扭转强度计算 扭剪应力 只考虑转矩T对轴强度的影响 重要的轴 根据强度条件确定轴危险截面的直径d 强度计算的主要目的 防止疲劳断裂 常见失效形式 疲劳断裂 塑性变形 过大的弹性变形 用于传动轴 或初算转轴直径 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 对于转轴 扭转强度公式一般用来初算轴的直径 扭转强度设计式 系数C与轴的材料和承载情况有关 查表6 3 只受转矩或弯矩相对转矩较小时 C取小值 若该轴段同一剖面上有一个键槽 d值增大5 弯矩较大时 C取大值 计算出的d作为受扭段的最小直径dmin 注意 有两个键槽 增大10 危险截面的轴径 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 既考虑弯矩又考虑转矩 比前法精确 二 按弯 扭合成强度计算 需已知 轴的支反力作用点 外载荷的大小及位置 弯 扭联合作用时 采用第三强度理论 则轴危险截面上的当量应力 对于直径为d的实心轴 用于转轴 其他情况的W WT查附表8 b T 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 由于 b与 T的循环特征可能不同 故对强度影响程度不同 则强度条件为 当量弯矩 折合系数 的取值 对于不变的转矩 T看成静应力 频繁启动 振动或情况不明 经常双向运转 T看成对称循环 对称循环变应力下的许用弯曲应力 T看成脉动循环 需引进折合系数 将 T折合成对称循环变应力 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 转动心轴 b为对称循环 许用应力仍为 1 b 设计式 所计算危险截面若有键槽 则将轴径加大 方法同前 对于心轴 T 0 Mca M 固定心轴 b看成脉动循环 许用应力为 0 b 危险截面轴径 1 b 根据轴的材料查表6 4 对轴作受力分析 求出危险截面 的M T及 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 三 安全系数校核计算 一般的轴用前述方法已足够精确 重要的轴需用安全系数法进行校核 1 疲劳强度安全系数计算 目的 防止疲劳断裂 应力集中 截面变化处 过盈配合处 键槽 横孔 表面质量 表面粗糙易产生初始裂纹 绝对尺寸 零件的截面尺寸越大 隐含的缺陷越多 还要考虑影响疲劳强度的其他因素 除了考虑材料性能 应力大小等因素对轴强度的影响外 如第二章所述 引进应力集中系数k k 表面状态系数 绝对尺寸系数 来考虑 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 复合变应力作用下 安全系数及强度条件 见第二章 综合影响系数 等效系数 弯曲应力计算安全系数 0 1 0 2 许用安全系数查表6 5 扭剪应力计算安全系数 0 05 0 1 计算安全系数 1 1 轴材料的疲劳极限 查表6 1 查附表1 附表7 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 工作应力的应力幅及平均应力按循环特征确定 轴双向运转为对称循环 弯曲应力 扭剪应力 转轴或转动心轴为对称循环 固定心轴看成脉动循环 轴单向运转为脉动循环 注意 W WT应按附表8精确计算 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 说明 同一危险截面可能有多种应力集中源 取大值计算 K D K D 危险截面 应力较大且有应力集中源处 安全系数不满足要求时 降低应力集中 表面强化 增大轴径 改选材料等 对于心轴 因 T 0 故强度条件 S S 对于传动轴 因 b 0 故强度条件 S S 如轴肩A处 截面变化 键槽 过盈配合等 k k 可查得多个值 第六章轴和轴毂连接设计 强度计算 2 静强度安全系数计算 目的 防止塑性变形 尖峰载荷作用或严重过载时 计算安全系数 弯曲应力计算安全系数 s s 材料的抗弯 抗扭屈服极限 max max 尖峰载荷作用时的弯曲 扭剪应力 许用安全系数查表6 6 扭剪应力计算安全系数 第六章轴和轴毂连接设计 设计方法 6 4轴设计的一般步骤和方法 1 选择材料 根据功率P和转速n 用扭转强度公式初算受扭段的最小直径dmin 2 根据初算轴径 进行轴的结构设计 3 按弯 扭合成强度 一般轴 或安全系数法 重要轴 校核轴的危险截面 N 轴的刚度计算 目的 防止过大的弹性变形 刚度条件 y y 第六章轴和轴毂连接设计 设计方法 将dmin圆整成标准直径 查 机械设计课程设计 受扭段最小直径dmin 有一个键槽 dmin增大5 第六章轴和轴毂连接设计 设计方法 危险截面 画出空间受力图 求出支反力 作铅垂面受力图和水平面受力图 作铅垂面和水平面弯矩图MV和MH 求合成弯矩 作出转矩图 靠近Mcamax 直径较小的截面 按弯 扭合成强度条件校核 求危险截面的当量弯矩 应力集中较大的截面 或按安全系数法校核 注意各分力方向的判断 不要忽视Fa产生的弯矩 注意弯矩突变的方向 注意该截面的转矩 Mca最大的截面 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 例 设计一圆柱齿轮减速器的输入轴 已知 输入功率P 15kW 输入轴转速n 700r min 单向运转 载荷有冲击 小齿轮宽度b 80mm z1 27 mn 5mm 9 22 V带轮的轮毂宽度L 90mm 压轴力FQ 1800N 齿轮与轴过盈配合 H7 r6 解 1 选择轴的材料 本例中等功率 转速不高 故选45钢 调质 查表6 1得 B 650MPa s 360MPa 1 300MPa 1 155MPa 1 b 60MPa 2 按扭转强度初算最小轴径 查表6 3 因弯矩较大 取C 118 有单键槽 增大5 查 机械设计课程设计 P73 取标准直径dmin 35 5mm 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 3 进行轴的结构设计 装配方案 小齿轮从左端装入 确定各轴段直径 由dmin入手 考虑轴上零件装拆 与 之间是定位轴肩 h 0 1d1 则取d2 42mm 与 之间是非定位轴肩 取d3 45mm 取d4 50mm 是定位轴环 取d5 60mm d7 d3 45mm d6取决于轴承定位尺寸 初选轴承为6209 查手册P117知内圈定位尺寸d6 52mm 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 各轴段长度 6209外径85mm 宽度19mm 和 自然确定 比带轮窄2mm 取88mm 轴环 宽度b 1 4h 1 4 5 7mm 的长度与轴承座宽度及轴承盖尺寸有关 暂定为40mm 与机座尺寸有关 确定轴承跨距 的长度等于轴承宽 含砂轮越程槽 比齿轮窄2mm 取78mm 轴向及周向固定 轴端挡圈固定带轮 套筒固定齿轮 其外径同轴段 两键槽置于同一方向 轴端倒角 轴承盖固定整个轴系 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 4 受力分析 计算小齿轮各分力 小齿轮分度圆直径 输入轴的转矩 圆周力 径向力 轴向力 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 画空间受力简图 注意各力方向的判断 画铅垂面及水平面受力图 求支反力 不要忽视Fa引起的弯矩 号表示与假设方向相反 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 5 画弯矩图 转矩图 计算并画出铅垂面弯矩图 a a截面弯矩有突变 a a左截面 a a右截面 支点A处 计算并画出水平面弯矩图 注意弯矩突变的方向 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 求合成弯矩 a a左截面 作出转矩图 轴单向运转 载荷有冲击 取 0 6 a a右截面 计算当量弯矩 A处 注意该截面的转矩 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 6 按弯扭合成强度校核危险截面 危险截面 靠近Mcamax 直径较小的截面 应力集中较大的截面 Mca最大的截面 A处Mca最大 属危险截面 有键槽时 查附表8 强度满足要求 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 7 按安全系数法校核危险截面 危险截面 用于重要轴 应力较大 有应力集中 A截面 应力很大 较危险 过渡面 应力较大 应力集中源多 a a截面 虽有应力集中 但轴径较大 不是最危险截面 以 过渡面为例说明安全系数计算方法 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 弯曲应力幅 对称循环 弯曲平均应力 扭剪应力幅 脉动循环 扭剪平均应力 查附表6 8 过渡处弯矩 计算过程略 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 确定综合影响系数 过渡面的应力集中源有 键槽端部 过盈配合 截面变化 查附表1 附表2 确定应力集中系数 A型键槽 k 1 825 k 1 625 过盈配合 k 2 625 k 1 890 截面变化 用插值法查附表6 2得k 1 665 k 1 450 查课程设计手册第9章 过渡圆角半径r 2mm 查附表4确定绝对尺寸系数 0 84 0 78 查附表5确定表面状态系数 车削 0 92 45钢调质 B 650MPa 过盈配合H7 r6 第六章轴和轴毂连接设计 综合示例 查表6 1取等效系数 0 2 0 1 按过盈配合计算综合影响系数 k 2 625 k 1 890 计算安全系数 查表6 5 S 1 3 1 5 Sca S 结论 该截面足够安全 是否减小轴径 第六章轴和轴毂连接设计 轴毂连接 6 5轴毂连接设计 一 键和花键连接的选择 设计时先选择类型 尺寸 再进行校核计算 类型选择 静连接 普通平键 半圆键 楔键 花键 动连接 导向平键 滑键 花键 尺寸选择 根据轴径d查标准 GB1095 确定键宽b 键高h 根据轮毂宽度或工作行程 确定键长L 标准值 对于普通平键 L 轮毂宽度B 第六章轴和轴毂连接设计 轴毂连接 二 平键连接的校核计算 平键连接的失效形式 1 工作面压溃 静连接 普通平键 2 工作面磨损 动连接 导键或滑键 每个工作面的受力 挤压应力 l 键的工作长度 平键连接的校核计算 对于A型键l L b 对于B型键l L 对于C型键l L b 2 第六章轴和轴毂连接设计 轴毂连接 强度条件 防止压溃 防止磨损 查表6 8 用于静连接 普通平建 用于动连接 导键或滑键 选择平键连接类型 按静或动连接校核计算 设计步骤 根据轴径 毂宽查标准确定键的尺寸 设计时注意 第六章轴和轴毂连接设计 轴毂连接 取决于强度较弱的那种材料 增大键长 许用应力 p p 强度不够时 不同轴段的键槽应开在同一方位 以便加工 同一截面采用双键连接 相隔180 考虑载荷分布不均 按1 5个键计算 第六章轴和轴毂连接设计 小结 本章小结 轴的分类 按轴心线 直轴 曲轴 按受载 心轴 弯距 传动轴 转矩 转轴 弯 转 轴的结构设计 阶梯轴 目的 合理确定各轴段的直径和长度 影响