轴和轴毂联接PPT课件

1、 2. 按轴承受的载荷分类 按轴承受载荷性质的不同， 可将轴分为转轴、 传动轴和心轴等三类。 （1） 转轴： 在工作过程中既受弯矩，又受转矩作用的轴称为转轴，如图10-2所示。为便于加工和装配，并使轴具有等强度的特点，常将转轴设计成阶梯轴。 （2） 传动轴：在工作过程中仅传递转矩，或主要传递转矩及承受很小弯矩的轴称为传动轴(如图10-3)。 （3） 心轴：只受弯矩作用而不受转矩作用的轴称为心轴(如图10-4)。在工作过程中若心轴不转动，则称为固定心轴；若心轴转动，则称为转动心轴。 第1页/共73页图10-2 转轴 第2页/共73页图10-3 传动轴 第3页/共73页图10-4 固定心轴和转动心

2、轴 第4页/共73页10.1.2 轴的设计要求和步骤 在一般情况下设计轴时，只需考虑强度和结构两个方面。 但对某些旋转精度要求较高的轴，还需保证有足够的刚度。另外，对高速旋转的轴， 还需进行振动稳定性方面的计算。 轴的设计一般按照以下步骤进行： 合理地选择轴的材料； 初估轴的直径， 进行轴的结构设计； 对轴进行强度、 刚度及振动方面的校核计算； 绘出轴的零件工作图。 第5页/共73页10.1.3 轴的材料 表10-1 轴的常用材料及其主要机械性能 第6页/共73页表10-1 轴的常用材料及其主要机械性能 第7页/共73页10.2 轴的结构设计10.2.1 轴的结构分析 轴主要由轴颈、 轴头、

3、轴身三部分组成(如图10-5)。 轴上被支承的部分为轴颈，如图中， 段； 安装轮毂的部分称做轴头，如图中，段； 联接轴颈和轴头的部分称做轴身，如图中，段。 第8页/共73页图10-5 轴的结构 第9页/共73页 1. 轴径向尺寸的确定 为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯形，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图10-5所示， 齿轮、 套筒、左端滚动轴承、轴承端盖和联轴器可按顺序从左端装拆，右端轴承从右端装拆。因而，为了便于装拆齿轮，轴段的直径应比轴段略大一些；为了便于左端滚动轴承的装拆，轴段的直径应比轴段略大一些。其中轴段， ， ， 的径向尺寸必须符合轴承、 联轴器和密封圈内径的标准系列和技术

4、要求（相应标准查机械设计手册）。 第10页/共73页 2. 轴的轴向尺寸的确定 齿轮用轴环和套筒作轴向固定，用平键作圆周方向的固定。为使套筒能顶住齿轮，应使轴段的长度l4小于齿轮轮毂宽度b。装在轴段上的滚动轴承， 用套筒和轴承盖固定其轴向位置。装在轴段上的滚动轴承用轴肩和轴承盖固定其轴向位置。轴承内圈在圆周方向上的固定是靠内圈与轴之间的配合实现的。 第11页/共73页 3. 结构设计的基本要求 轴的结构没计主要是使轴的各部分具有合理的外形尺寸。 轴的结构应满足以下几个方面的要求： （1） 对装配在轴上的零件， 应进行可靠的轴向固定和周向固定。 （2） 便于轴的加工和轴上零件的装拆。 （3） 有

5、利于提高轴的强度和刚度， 以及节省材料， 减轻重量。 第12页/共73页10.2.2 零件在轴上的固定 1. 零件的轴向固定 表10-2 轴上零件常用的固定方法 第13页/共73页表10-2 轴上零件常用的固定方法 第14页/共73页表10-2 轴上零件常用的固定方法 第15页/共73页 2. 周向固定 为了传递运动和转矩， 轴上零件还需有周向固定。 常用的周向固定方法详见本章10.6节。 第16页/共73页 3. 轴的结构工艺性 轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、 装配和维修的要求。为此， 常采用以下措施： （1） 当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时， 应留有退刀槽或砂轮越程槽(如图10-6(

6、a)， (b)。 （2） 轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置(如图10-7)。 （3） 为了便于轴上零件的装配和去除毛刺， 轴及轴肩端部一般均应制出45的倒角。过盈配合轴段的装入端常加工出半锥角为30的导向锥面(如图10-7)。 (4) 为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、 退刀槽和越程槽等尺寸一致。 第17页/共73页图10-6 越程槽和退刀槽 第18页/共73页图10-7 键槽的布置 第19页/共73页10.2.3 提高轴的疲劳强度 1. 结构设计方面 改进零件的结构以消除或减小应力集中。零件的疲劳破坏通常从最大应力处开始，而应力集中往往是疲劳裂纹的根源。 因此，在轴的结构设计

7、中应考虑以下几点： 轴肩过渡处尽量避免直径尺寸变化过大， 并采用较大的过渡圆角。若过渡圆角受到轴尺寸的限制，可采用凹切圆角或卸荷槽等减少应力集中的结构， 如图10-8所示。 过盈联接的轴， 可在轮毂上开卸荷槽。 尽量避免在轴上打横孔。 轴上加工的键槽根部要有足够大的圆角。 第20页/共73页图10-8 减少圆角应力集中的结构 第21页/共73页 2. 改善轴的表面质量 主要措施有： 降低轴的表面粗糙度； 采用表面强化处理， 如表面高频淬火， 渗碳、 氮化， 以及辗压、 喷丸等方法。 第22页/共73页3. 合理布置轴上传动零件的位置 图10-9 轴上零件的合理布置 第23页/共73页10.3

8、轴的强度计算 10.3.1 轴的计算简图 图10-10 轴的受力和支点的简化 第24页/共73页10.3.2 轴的强度计算 1. 按扭转强度计算 对于传动轴可只按扭矩计算轴的直径；对于转轴，常用此法估算最小直径，然后进行轴的结构设计，并用弯扭合成强度校核。圆轴扭转的强度条件为 MPadnPWTTTT2 . 0/1055. 96(10-1) 式中：T轴的扭转切应力（MPa）； T轴传递的扭矩（Nmm）； WT轴的抗扭剖面模量（mm3）； P轴传递的功率（kW）； n轴的转速（rmin）。 第25页/共73页由上式可得到轴的设计公式 mmnPAnPdT336 2 . 01055. 9(10-2)

9、式中：A计算常数，与轴的材料和T值有关，可按表10-3确定。 第26页/共73页表10-3 轴常用材料的T和A值 第27页/共73页 2. 按弯扭合成强度计算 轴的结构设计初步完成后，通常要对转轴进行弯扭合成强度校核。 对于钢制轴可按第三强度理论计算，强度条件为 mmdTMWMbee13221 . 0)(10-3) 式中：e当量应力(Nmm2)； Me当量弯矩(Nmm)，； M危险截面上的合成弯矩， ，MH、MV分别为水平面上、垂直面上的弯矩； 22)( TMMe)(22mmNMMMVHe第28页/共73页 W轴的抗弯剖面模量（mm3），对圆截面轴W0.1d3，d为危险剖面直径； 折合系数。对

10、于不变的转矩，0.3；对于脉动循转矩，0.6；对于对称循环转矩，1。对于频繁正反转的轴， 可视为对称循环交变应力；若扭矩变化规律不清，一般也按脉动循环处理。 表10-4中的1b，0b，+1b分别为对称循环、 脉动循环及静应力状态下材料的许用弯曲应力，供设计时选用。 当危险截面有键槽时，应将轴径的计算值增大47。当计算只承受弯矩的心轴时，可利用式(10-3)，此时T=0。 第29页/共73页表10-4 轴的许用弯曲应力 单位：MPa 第30页/共73页 弯扭合成强度的计算按下列步骤进行： (1) 绘出轴的计算简图， 标出作用力的方向及作用点的位置。 (2) 取定坐标系，将作用在轴上的力分解为水平

11、分力和垂直分力，并求其支反力。 (3) 分别绘制出水平面和垂直面内的弯矩图。 (4) 计算合成弯矩， 并绘制出合成弯矩图。 (5) 绘制转矩图。 (6) 确定危险剖面， 校核危险剖面的弯扭合成强度。 第31页/共73页 3. 轴的强度计算步骤 进行轴的强度计算的一般步骤是： (1) 选定轴的材料及其热处理手段， 并按照扭转强度对轴径进行估算。 (2) 进行轴的结构设计(包括轴上零件的联接、定位、装拆、 调整、密封及轴的工艺性问题)。 (3) 进行轴的强度校核。 第32页/共73页 【例10-1】试设计如图10-11所示斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。已知轴的转速n=80r/min， 传递功率P=3

12、.15 kW。轴上齿轮的参数为：法面模数mn=3 mm，分度圆螺旋角=12，齿数z=94，齿宽b=72 mm。 （1） 选择轴的材料。 减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的45钢并作正火处理。由表10-1查得B=610 MPa。 第33页/共73页图10-11 带式输送机第34页/共73页 (2) 按转矩估算轴的最小直径。 应用式(10-2)估算。由表10-3取A107118(因轴上受较大弯矩)， 于是得 mmnPAd)18.4043.36(8 .7915. 3)118107(33考虑键槽对轴强度的影响和联轴器标准，取d40 mm。 第35页/共73页 (3) 轴的结构设计。 根据轴的结

13、构设计要求，轴的结构草图设计如图10-12所示。 轴段，之间应有定位轴肩；轴段，及，之间应设置台阶以利于装配；轴段，及， 之间应有定位轴肩。各轴段的具体设计如下 轴段：轴的输出端用HL4尼龙柱销联轴器， 孔径40 mm，孔长84 mm。取d1=40mm，l1=70mm。 轴段：取轴肩高2.5 mm，作定位用，故d2=45mm，该尺寸还应满足密封件的直径系列要求。该段长度可根据结构和安装要求最后确定。 第36页/共73页 轴段：齿轮两侧对称安装一对轴承，选择36210，宽度为20mm，取d3=50mm。左轴承用套筒定位，根据轴承对安装尺寸的要求，轴肩高度取3.5mm。该轴段的长度l3的确定如下：

14、齿轮两侧端面至箱体内壁的距离取10mm（箱体铸造精度的要求）。轴承采用脂润滑（润滑方式选用见11.6.1节），为使轴承和箱体内润滑油隔绝， 应设挡油环（兼作套筒定位），为此取轴承端面至箱体内壁的距离为10mm，故挡油环的总宽度为20mm。综合考虑，取l3=45mm。 第37页/共73页 轴段长度l2：根据箱体箱盖的加工和安装的要求，取箱体轴承孔长度为46mm，轴承端盖和箱体之间应有调整垫片，取其厚度为2mm，轴承端盖厚度取10 mm，端盖和联轴器之间应有一定的间隙，取10 mm。综合考虑，取l2=35mm。 轴段、：考虑设置装配轴肩，取d4=56 mm，该段长度应小于齿轮轮毂宽度， 取l4=6

15、8 mm。 由于采用轴环定位，取轴肩高4mm，作定位面，选取最小过渡圆角半径，r=2 mm，取d5=65 mm。取l5=8 mm。 轴段：取d5=d3=50mm。为使齿轮相对壳体对称布置，基于和轴段同样的考虑，取l6=34 mm。这样轴承跨距为132 mm， 由此可进行轴和轴承等的计算。 第38页/共73页图10-12 轴的结构设计图 第39页/共73页 (4) 按弯曲和扭转复合强度对轴进行强度计算。 绘出轴的计算简图（如图10-13(a)），根据结构设计参数lAB=lCD=66mm齿轮的受力计算 NFFNFFNdTFmmmmzmdmmNmmNnPTtantrtn48.55412tan61.2

16、608tan67.97012cos20tan61.2608costan61.260830.28825.0313762230.28812cos943cos25.3760318015. 31055. 91055. 91166第40页/共73页水平面支反力（如图10-13（b）： NNllFdFRBDCDraHB85.10901326667.9702/30.28848.5542/NRFRHBrHD181.12085.109067.970水平面弯矩图（如图10-13（c）： mmNdFMMmmNlRMaHCHCBCHBHC19.7932230.28848.5541 .9967121 .99671668

17、5.1090121第41页/共73页 垂直面支反力（如图10-13（d）： NFRMtVCVC31.1304261.26082垂直面弯矩图（如图10-13（e）： MVC=RVBlBC=1304.3166=86 084.16 Nmm 合成弯矩（如图10-13（f）： mmNMMMmmNMMMVCHCVCHC84.4488616.0848619.793264.22211216.084861 .99671222222222211扭矩图（如图10-13（g）：T=376 031.25 Nmm 第42页/共73页 当量弯矩图（如图10-13（h）：根据B=600 MPa，查表10-4得：-1b=55

18、MPa。由于转矩有变化，按脉动考虑，取=0.6。 T=0.6376 031.25=225 618.75 Nmm MPadMWMmmNTMMeececec35.14561 . 058.9872511 . 058.98725175.61822564.222112)(33422221 校核结果：ec-1b=55 MPa，剖面c的强度满足要求。 第43页/共73页图10-13 轴的受力分析及弯矩图 第44页/共73页10.4 轴的刚度计算 轴的刚度包括扭转刚度和弯曲刚度，前者以扭转角度量， 后者以挠度y或偏转角度量。轴的刚度计算就是计算出轴受载时的变形量， 并使其控制在允许的范围内，即 yy(10-4

19、) 第45页/共73页表10-5 轴的挠度、偏转角和扭转角的允许值 第46页/共73页10.5 轴的振动概念 当轴旋转时，由于外界干扰力的影响，轴会产生横向振动。 转速达到某个数值，使外界干扰力产生的振动频率和轴的自然振动频率相同或相近时，将会出现共振现象，其振幅和动载荷可能导致轴和机器的破坏，轴发生共振时的转速称为轴的临界转速。如果转速继续提高， 振动就会减弱， 轴的转动趋于平稳。 但当转速达到另一较高的数值时，共振可能再次出现。其中， 最低的临界转速称为第一阶临界转速nc1。轴的振动计算就是计算其临界转速，使轴的工作转速避开其各阶临界转速以防止共振的发生。 第47页/共73页 产生外界干扰

20、力的因素很多，由于轴及轴上零件材料本身的不均匀，安装对中性不好，制造中的误差等造成轴及轴上零件的重心偏移， 都会使轴旋转时产生离心力， 这些是常见的周期性干扰力。因此，高速转动的轴都要经过平衡试验，以满足运动平稳性的要求。 轴的临界转速取决于回转零件的质量和轴的刚度， 质量越大，刚度越小，则轴的临界转速越低。工作转速n低于一阶临界转速的轴称为刚性轴， 超过一阶临界转速的轴称为挠性轴。 通常情况下，对于刚性轴，应使n0.85nc1；对于挠性轴，应使n1.15nc1满足上述条件并避开各高阶临界转速的轴，都具有振动稳定性。 第48页/共73页10.6 轴 毂 联 接 10.6.1 键联接 1. 平键

21、联接 平键联接是齿轮、带轮等与轴联接的主要形式。平键的横截面呈正方形或矩形，键的两侧面是工作面， 键的顶面与轮毂上键槽的底面间留有间隙，工作时靠键与键槽侧面的挤压传递转矩(如图10-14(a)。平键联接结构简单、拆装方便、对中性好， 故得到广泛应用。 第49页/共73页图10-14 平键联接 第50页/共73页 常用的平键有普通平键、 导向平键和滑键。 (1) 普通平键。普通平键用于静联接，按端部形状可分为圆头(A型)、 平头(B型)和单圆头三种(如图10-14(b)，(c)，(d)。 A型和C型键的轴槽用端铣刀加工，键在槽中固定良好，但轴槽端部的应力集中较大。B型键的轴槽用盘铣刀加工，轴槽端

22、部的应力集中小，但要用螺钉把键固定在键槽中。 设计时，普通平键的宽度b及高度h按轴径d从标准中查得， 长度L按轮毂长度从标准中查得，但应比轮毂长略短些。 键的材料一般用抗拉强度极限B600MPa的碳素钢，常用45钢。当轮毂材料为有色金属或非金属时，键的材料可用20钢或Q235钢。 第51页/共73页 平键的两侧面是工作面，工作时两侧面受到挤压(如图10-15)，其主要失效形式是键、轴槽和毂槽三者中强度最弱的工作面被压溃。设计时，按工作面的平均挤压应力p进行强度校核，其强度条件为 ppkldT2(10-5) 式中：p工作面的挤压应力，MPa； T传递的转矩，Nmm； d轴的直径，mm； l键的工

23、作长度，mm（A型l=L-b，B型l=L，C型l=L-b/2。L，b分别为键的公称长度和键宽，mm）；k键与毂槽的接触高度，mm，k可从标准中查到，通常取=h/2； p许用挤压应力，MPa，见表10-6。 第52页/共73页图10-15 平键联接的受力分析第53页/共73页表10-6 平键联接的许用挤压应力p和许用压强p第54页/共73页（2） 导向平键联接。 图10-16 导向平键和滑键联接 第55页/共73页 导向平键联接主要失效形式是工作面的磨损。因此，要做耐磨性计算， 限制其压强p，强度条件为 2pkldTp(10-6) 式中：p许用压强， MPa，见表10-6；其他参数同式(10-5

24、)。 第56页/共73页2. 半圆键联接 图10-17 半圆键联接 第57页/共73页3. 楔键联接 图10-18 楔键联接 第58页/共73页10.6.2 花键联接 1. 矩形花键联接 矩形花键联接(如图10-19)应用很广。矩形花键联接中以小径(d)定心， 对轴和孔的小径都进行磨削加工， 定心精度高， 特别是有利于保证带花键孔的齿轮加工时定位定心。 矩形花键在标准中规定了两种尺寸系列，即轻系列和中系列。 轻系列承载能力较小，用于轻载荷的静联接；中系列多用于较重载荷的静联接或在空载下移动的动联接。 第59页/共73页图10-19 矩形花键联接第60页/共73页 2. 渐开线花键联接 渐开线花

25、键的齿廓是渐开线。根据分度圆压力角的不同分为30压力角渐开线花键(如图10-20(a)和45压力角渐开线花键(如图10-20(b)两种，后者齿数多、模数小，承载能力低，常用于轻载小直径联接，特别适用于薄壁零件间的联接。30压力角渐开线花键模数大，齿根较厚和齿根圆较大，应力集中较小，强度大，寿命长。 渐开线花键可利用加工齿轮的各种方法进行加工，故工艺性较好。联接中按齿形定心， 齿侧受力时有径向分力，可自动定心。 第61页/共73页图10-20 渐开线花键联接 第62页/共73页10.6.3 其他轴毂联接简介 1. 成形联接 图10-21 成形联接 第63页/共73页2. 弹性环联接 图10-22 弹性环联接 第64页/共73页3. 过盈配合联接 图10-23 过盈配合联接 第65页/共73页习 题 10-1 轴按其受力分类， 可以分为几种? 试列举生活中的几个例子。 10-2 轴的结构设计包括哪几方面的内容？ 10-3 为什么要对轴进行热处理？当轴较短且工作温度不高时，两端单向固定的方式是否适用?若轴较长且温升较大时， 应采用什么方式固定？ 10-4 轴系零件为什么要密封?有哪些密封方式?为什么要考虑轴系零件的调整? 10-5 某传动轴所传递的功率为P15kW，转速n750rmin。 若采用45钢正火，该轴所需的最小直径是多少?第66页/共73页 10-6 在