轴和轴毂连接1PPT课件

1、轴是组成机器的重要零件之一，其主要功能是支持作回转运动的传动零件(如齿轮、蜗轮等)，并传递运动和动力。 第一节 轴的功能、类型和材料一、轴的功能和分类带式运输机减速器电动机转轴类型转轴-传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：第1页/共79页类型转轴-传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩发动机后桥传动轴第2页/共79页第3页/共79页类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩前轮轮毂固定心轴火车轮轴车厢重力 前叉自行车前轮轴支撑反力转动心轴第4页/共79页类型转轴-传递扭

2、矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴光轴 阶梯轴 按轴的形状分有：一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴第5页/共79页类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴光轴 阶梯轴 曲轴第6页/共79页类型转轴-传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有： 分类：按轴的形状分有：传动轴-只传递扭矩心轴-只承受弯矩直轴光轴 阶梯轴 曲轴挠性钢丝轴第7页/共79页二、轴的材料及选择 轴 工作时多为转轴，产生的应力多为变应力。失效：疲劳损坏，轴颈过渡磨损、失圆或轴变形过大碳钢： 35、45、50 ，

3、尤其是45号钢。 对应力集中的敏感性低，加工工艺性好，故应用最广， 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。 轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。正火或调质处理。第8页/共79页轴的结构设计： 根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 工作能力计算： 轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。 轴的设计过程：N 选择材料 结构设计 轴的承载能力验算验算合格?结 束Y第9页/共79页第二节

4、 轴的结构分析轴的结构分析：包括定出轴的合理的外形和全部结构尺寸 1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定) 4.改善应力状况，减小应力集中。第10页/共79页轴的结构 轴主要由轴颈、 轴头、 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11页/共79页一、轴上零件的装配方案据轴上零件定位、加工要求以及不同的零件装配方案，参考轴的结构设计的基本要求，得出如图所示的两种不同轴结构。第12

5、页/共79页零件的轴向定位由轴肩（轴环）或套筒来实现。二、轴上零件的固定 轴肩及轴环-阶梯轴上截面变化之处。1、轴上零件的定位特点：结构简单，定位可靠 ，可承受较大的轴向力 应用：齿轮、带轮、联轴器、 轴承等的轴向定位第13页/共79页圆螺母特点：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：常用于轴的中部和端部第14页/共79页弹性挡圈特点：结构简单紧凑，只能承受很小的轴向力。 应用：常用于固定滚动轴承等的轴向定位第15页/共79页轴端压板应用：用于轴端零件的固定，特点：可承受剧烈振动和冲击。第16页/共79页紧定螺钉应用：适用于轴向力很小，转速低的场合特点：

6、可承受很小的轴向力。第17页/共79页2.轴上零件的周向固定 为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动，轴和轴上零件必须可靠地沿周向固定（连接）。常用的周向固定方法有：销、键、花键、过盈配合和成形联接等，其中以键和花键联接应用最广。 键连接花键连接销钉连接第18页/共79页各轴段所需的直径与轴上的载荷大小有关。初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin，然后再按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。1、各轴段直径确定三、各轴段直径和长度的确定63339.55 100.2TPPdAnn第19页/共79页1.轴上装配标准件（滚动轴承、联轴器、密封圈等)的轴

7、段（ ），其直径必须符合标准件的直径系列值2 与一般零件（齿轮和带轮）相配合的轴段直径和零件毂孔直径相同，采用标准尺寸。不予零件配合的轴段（5，6），其值不用去标准值。3 起定位作用的轴肩高度应按113原则确定，如12，45，67；非定位轴肩（23，34，56），高度一般13mm。第20页/共79页2 .各轴段长度的确定1.尽可能结构紧凑，保证零件所需要的装配和调整空间如L应根据轴承端盖和联轴器装拆要求定出3 为保证各传动件轴向固定，轴与传动件轮毂相配部分的长度一般比轮毂长度短13mm。2 各轴段长度主要由各零件和轴装配部分的轴向尺寸和各零件相对位置尺寸确定第21页/共79页 3. 结构设计的

8、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） 有利于提高轴的强度和刚度， 以及节省材料， 减轻重量。 第22页/共79页 倒角1）为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序四、轴的结构工艺性2）装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。第23页/共79页图10-6 越程槽和退刀槽 第24页/共79页（2） 轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置。 减少加工装夹次数。 （3

9、） 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)。 第25页/共79页 (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。 (5) 若各轴段具有较高同轴度，在轴两端开设中心孔 第26页/共79页五、提高轴的强度和刚度的常用措施输出输出输入输出输出 输入2.合理布置轴上零件，减小轴上的载荷Tmax = T1T1T1+T2T2合理Tmax= T1+T2T2T1T1+T2不合理 1）改进轴上零件结构，减小轴的载荷第27页/共79页3.减小应力集中合金钢对应力集中比较敏感，

10、应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化的。措施：1. 用圆角过渡；2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;3. 重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。过渡肩环30 r凹切圆角dd/4B位置d/4第28页/共79页第三节、轴的工作能力分析一、对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：设计公式为：3PAmmnTMPa639.55100.2Pd nTTTW6339.55 100.2TPdn对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。计算结果为：最小直径！轴的材料 A3,20 35 45 40Cr, 35SiMn(N/mm ) 1220

11、 2030 3040 4052A 160135 135118 118107 10792表14-2 常用材料的值和C值注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩时,A取较小值; 否则取较大值轴上有键槽时，考虑到键会削弱轴的强度，应将直径计算值加大。单键加大3，双键加大7第29页/共79页二、 按弯扭合成强度计算1、轴上力的简化一般配合过盈配合2、轴上支点的位置第30页/共79页 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)

12、，； 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31页/共79页材 料 b +1 0 -1 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢折合系数取值= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -对称循环转矩（频繁正反转）静应力状态下的许用弯曲应力310.1dMdmm

13、设计公式：第32页/共79页折合系数取值：= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -频繁正反转。310.1dMdmm设计公式：材 料 b +1 0 -1 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢脉动循环状态下的许用弯曲应力第33页/共79页折合系数取值：= 0.3 -转矩不变； 0.6 -脉动变化；1 -频繁正反转。310.1dMd

14、mm设计公式：材 料 b +1 0 -1 400 130 70 40 500 170 75 45 600 200 95 55 700 230 110 65 800 270 130 75 900 300 140 80 1000 330 150 90 500 120 70 40 400 100 5 0 30轴的许用弯曲应力 碳素钢合金钢铸钢对称循环状态下的许用弯曲应力第34页/共79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

15、图。 (5) 绘制转矩图。 (7)确定危险剖面， 校核危险剖面的弯扭合成强度。 (6) 按照强度理论求出当量弯矩，并做当量弯矩图 (4) 计算合成弯矩， 并绘制出合成弯矩图。第35页/共79页N212319321462860对2点取矩NFv42872123641011932146286021936410举例：计算某减速器高速轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N, 径向力， Fr=6140N, 轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFaFFAFaF

16、rF1vF2v12解：1) 求垂直面的支反力和轴向力LdFLFFarv2221vrvFFF12=FaaAFF d2aad第36页/共79页N930348034500MavMavFtF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadNLKFFF48031932064500187002/21tHHFFFF3) 求F力在支点产生的反力FFFFF124) 绘制垂直面的弯矩图2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM2/1LFMVaVmN 2055) 绘制水平面的弯矩图2/193.

17、08700 aVM 2/1LFMHaHmN 840第37页/共79页MaMavMavFtF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求F力产生的弯矩图L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadF7) 绘制合成弯矩图考虑F可能与H、V内合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面F力产生的弯矩为：2/193. 04803 aVM 2/1LFMFaFmN 463MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328Ma第38页/共79页MaMavMavFtF1HF2HMa

18、HF1FF2FM2F8) 求轴传递的转矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadF9)求危险截面的当量弯矩MaF22()daMMTM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数: =0.6 221400(0.61270 )dMTmN 1600mNMMF92722第39页/共79页求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大4%，故得：mmd6710)计算危险截面处轴的直径 33601 .0101600310.1dMdmN 4.64选45钢，调质，b =650 MPa, -1 =60 MPa 符合直径系列。第40页/共7

19、9页 【例11-2】 ：设计带式运输机减速器的主动轴. 已知传递功率 P=10kW, 转速 n=200 r/min, 齿轮齿宽 B=100mm, 齿数 z=40, 模数 m=5mm, 螺旋角 ，轴端装有联轴器。 解：1、计算轴上转矩和齿轮作用力轴传递的转矩： N.mm N齿轮的圆周力： N齿轮的径向力： 齿轮的轴向力：N 第41页/共79页第42页/共79页 轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，需开键槽，故将最小轴径增加5%，变为42.525mm。查机械设计手册，取标准直径45mm。 2、选择轴的材料和热处理方式选择轴的材料为45钢，经调质处理, 其机械性能查表得3、初算轴的最小轴径 则轴

20、的最小直径为： 第43页/共79页根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准 GB5014-85 或手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为： 4、选择联轴器取载荷系数 KA =1.3，则联轴器的计算转矩为： 5、初选轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用。故选用角接触球轴承。根据工作要求及输入端的直径(为45mm)，由轴承产品目录中选取型号为7211C的滚动轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=5510021。 第44页/共79页6、轴的结构设计 第45页/共79页由于联轴器型号已定，左端用轴端挡圈定位,右端用轴肩定位。故轴段6的直径即为相配合的半联轴器的直径，取D6=45mm。轴段6的长度比半联

21、轴器的毂孔长度要(为84mm)短23mm，这样可保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故该段轴长取为L6=82mm。(2)确定轴的各段直径和长度联轴器是靠轴段5的轴肩来进行轴向定位的，为了保证定位可靠，h（0.070.1）d63.154.5，轴段5要比轴段6的直径大69mm，取h3.5，轴段5的直径D5=52mm第46页/共79页轴段1和轴段4均是放置滚动轴承的，所以直径与滚动轴承内圈直径一样，为D1=D4=55mm,轴段1的长度即为滚动轴承的宽度，查手册为L1=21mm 考虑拆卸的方便，轴段3的直径只要比轴段4的直径稍大就行了，并取标准值（齿轮）这里取为D3=58mm。 轴段3的长

22、度要比齿轮的轮毂宽度(为100mm)短23mm，故该段轴长取为L3=98mm 第47页/共79页轴承端盖的总宽度为25mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=20mm ，故取轴段5的长度为L5=45mm。轴段2是一轴环，右侧用来定位齿轮，左侧用来定位滚动轴承，查滚动轴承的手册，可得该型号的滚动轴承内圈安装尺寸最小为64mm，同时轴环的直径还要满足比轴段3的直径(为58mm)大510mm的要求，故这段直径最终取D2=66mm。 轴环2宽度取为L2=18mm (b1.4h6.4）第48页/共79页 取齿轮距

23、箱体内壁之距离为10mm，考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离，取5mm。已知滚动轴承宽度为21mm，齿轮轮毂长为100mm,则轴段4的长度为：105(100-98)+21=38mm第49页/共79页齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接。对于齿轮，由手册查得平键的截面尺寸宽高= 1610 (GB1095-79)，键槽用键槽铣刀加工，长为80mm(标准键长见 GB1096-79),同时为了保证齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6；(4) 轴上零件的周向定位 同样，半联轴器与轴的联接，选用平键为14963， 半联轴器与轴的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡

24、配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为k6。 (5)确定轴上圆角和倒角尺寸。 取轴端倒角为245 第50页/共79页 画轴空间受力简图c，将轴上作用力分解为垂直面受力图d和水平受力图e。分别求出垂直面上的支反力和水平面上支反力。对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩(因轴上零件如齿轮、联轴器等均有宽度)可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。对于支反力的位置，随轴承类型和布置方式不同而异，其中a值参见滚动轴承样本，跨距较大时可近似认为支反力位于轴承宽度的中点 7、按弯扭合成校核(1)画受力简图 (2)计算作用于轴上的支反力水平面内支反力垂直面内支反力 第51页/共79页(3)计算轴的弯矩，并画弯、转

25、矩图分别作出垂直面和水平面上的弯矩图f、g，并按 计算合成弯矩 (4)计算并画当量弯矩图转矩按脉动循环变化计算, 取 第52页/共79页(5)校核轴的强度一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。 a-a 截面处当量弯矩为：故安全 第53页/共79页三、 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) 弯矩 弯曲变形扭矩 扭转变形一、弯曲变形计算方法有：1.按微分方程求解2.变形能

26、法适用于等直径轴。适用于阶梯轴。第54页/共79页图11-1 轴的饶度和转角 图11-2 轴的扭角第55页/共79页表11-5 轴的挠度、偏转角和扭转角的允许值 第56页/共79页轴的振动概念 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，

27、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57页/共79页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。 轴及轴上零件材料本身的不均匀安装对中性不好制造误差等造成轴及轴上零件的重心偏移外界常见的周期性干扰力因素轴旋转时产生离心力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。 第58页/共79页第四节 轴 毂 联 接 作用：联接

28、轴和轴上零件，实现周向固定以传递转矩和运动。一、键联接的类型类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。1、平键联接 结构简单、装拆方便，应用广泛。按用途不同分为：普通平键导向平键滑键第59页/共79页工作面间隙（1）普通平键 两侧面为工作面第60页/共79页普通平键的类型单圆头(C型)：用于轴端圆头(A型)：端铣刀加工，固定良好平头(B型)：盘铣刀加工，应力集中小盘铣刀 第61页/共79页（2）导向平键 加长平键，轴向移动量不大的动联接，用螺钉固定在轴上（3）滑键联接 图10-16 导向平键和滑键联接 轴向移动量大的动联接，滑键在轮毂上，与轮毂一起在轴上移动第62页/共79页2. 半圆键联接 图10

29、-17 半圆键联接 第63页/共79页3. 楔键联接 结构：楔键的上、下面为工作面，键的上表面及轮毂键槽底面均有1:100 的斜度。 特点：能承受单向轴向力。但对中性很差。 应用：用于低速、轻载和对中性要求不高的场合。联接。第64页/共79页d斜度1：1004、切向键 结构：由两个斜度为1:100的楔键组成。 特点：承载能力较大，但对中性差。 传递双向转矩时，须用两个键且分布成120130 。 应用：常用于对中精度要求不高的重型机械。第65页/共79页二、花键联接1)均匀受力；62 花键联接6)可用磨削方法提高加工精度及联接质量。 结构：外花键（花键轴）和内花键（花键孔）组成。键齿侧面是工作面

30、。 特点：承载能力高，对中性好;但制造要采用专用设备，成本较高。 应用：用于定心精度要求高、载荷较大的场合。第66页/共79页矩形花键 三角形花键 1）矩形花键1、矩形花键加工方便（可通过磨削获得高精度），应用广泛。 2、渐开线花键 工艺性好，强度高，承载能力大。用于重载、定心精度要求高的联接压力角30压力角45渐开线花键 压力角45：内花键为三角形，故称为三角形花键，其键齿细而多，适用于薄壁零件。第67页/共79页图10-20 渐开线花键联接 第68页/共79页三、平键的选用和强度校核1、平键的选用（1）键的尺寸选择 断面尺寸 bh： 根据轴径 d 查标准确定，表16-1。 键长 L：应略短

31、于轮毂的宽度，并符合标准尺寸系列。附：键的长度系列： 10 12 14 16 18 20 22 25 32 36 40 45 50 63 70 80 90 100 110 125 140 160 . （2）键的标记 B型平键bhL=1016125 键B 10125 A型键可不标型号第69页/共79页 d b h C或r L t t1 半径r 表16-1键的尺寸键 槽轴的直径 自 68 2 2 620 1.2 1 810 3 3 0.160.25 636 1.8 1.4 0.080.16 1012 4 4 845 2.5 1.8 1217 5 5 1056 3.0 2.3 1722 6 6 0.250.4 1470 3.5 2.8 0.160.25 2230 8 7 1890 4.0 3.3 3038 10 8 22110 5.0 3.3 3844 12 8 28140 5.0 3.3 4