第15章 连接、第17 轴.ppt

1、第十七章 轴,概述,一、轴的用途与分类,1、功用：1）支承回转零件；2）传递运动和动力,2、分类：,按承载情况分：,转轴扭矩和弯矩,心轴只受弯矩,传动轴主要受扭矩,2,3,铁路机车的轮轴,4,自行车轴,5,6,7,螺旋桨推进轴,8,按轴线形状分,直轴：,阶梯轴,光轴,曲轴：,空心轴 钢丝软轴 (变速器的转速传 到仪表板),9,二.轴的材料,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。（表17-1）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

2、，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.250.5%的中碳钢，尤其是45号钢。 低合金钢：40Cr 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。,17.3 轴的结构设计,要求：,轴和轴上零件要有准确的工作位置,轴上零件应有可靠的相对固定,轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性等,形状和尺寸应有利于避免应力集中,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

3、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。,11,一、便于轴上零件的装配,轴身,轴拆装,12,1、零件的轴向定位和固定,1）轴肩和轴环,定位轴肩： r轴R孔或r轴C孔 轴肩或轴环的高度h必须大于 R孔或 C孔 轴肩高度滚动轴承内圈高度 h= R(C)+(0.5-2)mm 轴环宽度 bl.4h,二、保证轴上零件的准确定位和可靠固定,2）套筒,3）轴用圆螺母,错误,正确,要求轴肩高度滚动轴承内圈高度,当用轴肩、轴环、套筒

4、、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位时，为保证轴向定位可靠，要求L轴L毂。,4）轴端挡圈,5）轴承端盖,6）弹性挡圈,7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销,轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置,8）圆锥面（+挡圈、螺母）,2、零件的周向定位,1）键,2）花键,3）紧定螺钉、销,4）过盈配合,轴上零件的轴向定位和周向定位,三、良好的制造工艺性和装配工艺性,1）轴肩圆角r和倒角高度C,2）轴端倒角,3）砂轮越程槽,4）螺纹退刀槽,5）多个键槽,20,四.减小应力集中，改善轴的受力情况 1.减小应力集中 2.提高轴的表面质量,五.轴上零件的装拆和调整1.中间粗两端细 2.轴肩高度1-3mm3.轴承定位轴肩高

5、度轴承内圈高度,轴系结构改错,四处错误,正确答案,三处错误,正确答案,两处错误,1.左侧键太长，套筒无法装入 2.多个键应位于同一母线上,轴安装,23,请完成如图所示的轴系设计。,请选择齿轮的装配方向,17.4 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（确定轴上零件的位置和固定方法；确定各轴段直径、长度。） 4）按弯扭合成进行轴的强度校核。一般选23个危险截面进行校核。若危险截面强度不够或强度裕度太大，则必须重新修改轴的结构。,25,一、轴的基本直径估算及各段直径和长度的确定,开始设计轴时，通常还不知道轴上零件的位置及支点

6、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(后结构设计强度校核)。,1.按扭转强度初步估算轴径：,强度条件,设计公式,放大轴径：一个键槽：35% 二个键槽：710%,轴上有键槽时：,取标准植,用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算,结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin,26,2、各轴段直径确定,轴上螺纹及花键部分直径应符合相应标准,与标准零件相配合轴径应取标准值 (如轴承),3、各轴段长度,转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙 轴头长度比相应零件轮毂宽度小1-2mm,各轴

7、段与其上相配合零件宽度相对应,与一般零件配合部分直径应与配合零件孔一致，并取标准尺寸,按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径，经验值,27,通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷（弯矩和扭矩）已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。 对于钢制的轴，按第三强度理论，强度条件为,设计公式：,（mm）,e为当量应力，Mpa。 d为轴的直径，mm;,为当量弯矩；M为危险截面的合成弯矩；,MH为水平面上的弯矩；MV为垂直面上的弯矩；,为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数,W为轴危险截面抗弯截面系数；,二、按弯扭合成强度条件计算,28

8、,三、轴的刚度计算概念 轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。轴的弯曲刚度是以挠度y或偏转角以及扭转角来度量，其校核公式为： yy; ; 。 式中：y、 、 分别为轴的许用挠度、许用转角和许用扭转角,29,四、轴的设计步骤： 设计轴的一般步骤为： （1）选择轴的材料 根据轴的工作要求，加工工艺性、经济性，选择合适的材料和热处理工艺。 （2）初步确定轴的直径 按扭转强度计算公式，计算出轴的最细部分的直径。 （3）轴的结构设计 要求：轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置；轴上零件装拆、调整方便；轴应具有良好的制造工艺

9、性等。尽量避免应力集中；根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。 原则：1）轴的结构越简单越合理；2）装配越简单越合理。 （4）轴的强度设计 1、作轴的空间受力简图（将分布看成集中力，）轴的支承看成简支梁，支点作用于轴承中点，将力分解为水平分力和垂直分力 2、求水平面支反力RH1、RH2 作水平内弯矩图 3、求垂直平面内支反力RV1、RV2，作垂直平面内的弯矩图 4、作合成弯矩图,5、作扭矩图,6、作当量弯矩图,为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数,30,7、校核轴的强度Mcamax 处

10、；Mca较大，轴径d较小处。 8、校核轴的刚度 yy; ; 。 （需要刚度计算的轴类零件要进行刚度计算） 如果计算所得d大于轴的结构设计d结构，则应重新设计轴的结构。,31,例13.1 图示为一电动机通过一级直齿圆柱齿轮减速器带动带传动的简图。已知电动机功率为30KW,转速n=970r/min,减速器效率为0.92，传动比i=4,单向传动，从动齿轮分度圆直d2=410mm,轮毂长度105mm,采用深沟球轴承。试设计从动齿轮轴的结构和尺寸。 单级齿轮减速器简图,32,解：（1）求输出轴的转速与输出功率。 n2=n1/i=970/4=242.5r/min P2=0.92*P1=0.92*30=27

11、.6KW （2）选择轴的材料和热处理方法。 轴采用45钢正火处理。查表b=600MPa。 （3）估算轴的最小直径 根据表17-3 (4)轴的结构设计及绘制结构草图,33,34,(5)按弯、扭组合作用验算轴的强度 (6)键槽设计及其公差 (7)确定轴的各处倒角、圆角，公差 (8)绘制轴的工作图,35,第15章 连接,连接：两个或两个以上的零件组合在一起。 可拆连接：键、螺纹、销。 不可拆连接：焊接、铆接、粘接、过盈。 动连接：各种运动副。 本章：键、螺纹。,36,轴毂联接：实现轴和轴上零件周向固定的 联接 键是一种标准件，通常用于联接轴与轴上旋转零件或摆动零件，起周向固定零件的作用以传递旋转运动

12、成扭矩，而导键、滑键、花键还可用作轴上移动的导向装置。,15.1 键连接,37,38,1、平键,平键的两侧面是工作面，上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键的上、下表面为非工作面。工作时靠键与键槽侧面的挤压来传递扭矩，故定心性较好。,普通平键与轮毂上键槽的配合较紧，属静联接。 导向平键和滑键与轮毂的键槽配合较松，属动联接。,根据用途，平键又可分为 普通平键 导向平键 滑键,一、键联接的类型特点和应用,39,40,41,平键联接的标准、尺寸和公差,注：1、表中的基本尺寸系原标准中的公称尺寸。 2、（d-t）和（d+t）两组组合尺寸的偏差按相应的t和t1偏差选取，但（d-t）偏差应取负号； 3、

13、键的长度系列：6、8、10、12、14、15、18、20、22、25、28、32、36、40、45、51、56、63、70、80、90、100、 110、125、140、160、180、200、220、250、320、360mm。 4、普通平键标记示例：平头普通平键（B型）b=18mm,h=11mm,L=100mm,标记：键B18100 GB1096-79。A型的A可省去不写。,42,43,1.尺寸选择：1)根据键联接的工作要求和使用特点，选择平键的类型 2)按照轴的公称直径d，从国家标准中选择平键的尺寸bXh 3)根据轮毂长度选择键长L:键的长度L应略小于轮毂的长度B，L=B-(510)mm

14、。键长L应符合标准长度系列,二、平键联接的选择和计算,2.强度计算： 1)失效形式：键与被联接件较弱工作面被压溃（一般没有剪切） 磨损（动联接）,44,2)强度计算 挤压强度条件：,耐磨性校核：,45,例 选择如图所示的减速器输出轴与齿轮间的平键联接。已知传递的转矩=600N.m，齿轮材料为铸钢，载荷有轻微冲击。,解：（1）尺寸选择。由轴径d=75mm及轮毂宽度80mm，按 表10-4 选择A型平键b=20mm, h=12mm, L=70mm, 标记为：键20*70GB1095-79。 （2）强度验算。,46,花键联接是将具有均布的多个凸齿的轴置于轮毂相应的凹槽中所构成的联接。其工作面是键齿侧

15、。,花键联接是多齿传递载荷，故比平键联接的承载能力高，定心性和导向性好，对轴的削弱小(齿浅、应力集中小)；,花键联接一般用于定心精度要求高和载荷较大的地方。,花键加工需用专门的设备和工具，成本较高。,花键联接按齿形不同，可分为矩形花键和渐开线花键两类，且均已标准化。,三、花键联接的类型标准和选用,47,48,15.4 螺纹连接,任何机械均由若干零件按一定方式相互联接而成。如果相连接的零件其相对位置在工作时按一定的规律进行变化，此种联接称动联接。如果相联接的零件在工作时其相对位置固定不变，此种联接称静联接。根据是否可拆卸，联接还可分为可拆联接和不可拆联接。现将联接分类如下：,49,机械制造中的常

16、用螺 纹,一、螺纹的形成,1、螺纹的形成,将一直角三角形abc绕在直径为d2的圆柱表面上，使三角形底边ab与圆柱体的底边重合，则三角形的斜边amc在圆柱体表面形成一条螺旋线am1c1。三角形abc的斜边与底边的夹角，称为螺纹升角。若取一平面图形，使其平面始终通过圆柱体的轴线并沿着螺旋线运动，则这平面图形在空间形成一个螺旋形体，称为螺纹。,50,2、螺纹的类型,(1)按螺纹在轴向剖面内的形状，分为矩形螺纹、三角形螺纹、梯形螺纹及锯齿形螺纹。,(2)按螺纹旋线绕行的方向，分为右旋螺纹和左旋螺纹。只有在特殊需要时，才采用左螺纹。比如煤气罐等危险设备中使用的螺纹。,51,(3)按螺纹的线数，分为单线螺

17、纹和多线螺纹。,52,1）外径（大径）d（D）与外螺纹牙顶相重合的假想圆柱 面直径，亦称公称直径 2）内径（小径）d1(D1) 与外螺纹牙底相重合的假想圆柱 面直径（危险剖面直径） 3）中径d2 在轴向剖面内牙厚与牙间宽相等处的假想圆柱 面的直径，d20.5(d+d1),二、螺纹的主要参数,53,4）螺 距 P 相邻两螺牙上对应两点间的轴向距离 5）导程（L）同一螺旋线上相邻两牙上的对应两点间的 轴向距离 6）线 数 n 螺纹螺旋线数目，一般为便于制造n4 螺距、导程、线数之间关系：L =nP,54,7）螺旋升角 中径圆柱面上螺旋线的切线与垂直于螺旋 线轴线的平面的夹角 8）牙型角 螺纹轴向平

18、面内螺纹牙型两侧边的夹角 9）牙型斜角螺纹牙的侧边与螺纹轴线垂直平面的夹角,55,56,按牙型: 三角形螺纹、管螺纹 联接螺纹 矩形、梯形、锯齿形螺纹传动螺纹,三.几种常用螺纹的特点和应用,57,58,一、螺纹联接主要类型,1、螺栓联接,a) 普通螺栓联接被联接件不太厚，螺杆带钉头，通孔不带螺纹，螺杆穿过通孔与螺母配合使用。装配后孔与杆间有间隙，并在工作中不许消失，结构简单，装拆方便，可多个装拆，应用较广。,b) 铰制孔用螺栓联接装配后无间隙，主要承受横向载荷，也可作定位用，采用基孔制配合铰制孔螺栓联接,螺纹联结的基本类型及其预紧和防松,59,60,2、双头螺栓联接螺杆两端无钉头，但均有螺纹，

19、装配时一端旋入被联接件，另一端配以螺母。适于常拆卸而被联接件之一较厚时。拆装时只需拆螺母，而不将双头螺栓从被联接件中拧出。,3、螺钉联接适于被联接件之一较厚（上带螺纹孔），不需经常装拆，一端有螺钉头，不需螺母，适于受载较小情况,61,特殊联接：地脚螺栓联接 , 吊环螺钉联接,4、紧定螺钉联接拧入后，利用杆末端顶住另一零件表面或旋入零件相应的缺口中以固定零件的相对位置。可传递不大的轴向力或扭矩。,62,二、螺纹联接件,2）双头螺柱两端带螺纹 A型有退刀槽 B型无退刀槽,1）螺栓 普通螺栓 六角头，小六角头，标准六角头，大六角头, 内六角 铰制孔螺栓螺纹部分直径较小螺母较大,63,标准六角头螺栓,

20、内六角螺栓,双头螺柱,64,4）紧定螺钉 锥 端适于零件表面硬度较低不常拆卸常合 平 端接触面积大、不伤零件表面，用于顶紧硬度较大的平面，适于经常拆卸 圆柱端压入轴上凹抗中，适于紧定空心轴上零件的位置轻材料和金属薄板,3）螺钉 与螺栓区别要求螺纹部分直径较粗;要求全螺纹,65,66,6）螺母 六角螺母：标准，扁，厚,5）自攻螺钉由螺钉攻出螺纹,圆螺母+止退垫圈带有缺口，应用时带翅垫圈内舌嵌入轴槽中，外舌嵌入圆螺母的槽内，螺母即被锁紧,67,68,7）垫圈,螺纹联接件精度： A:精度最高，用于要求配合精度高，防止振动的重要联接 B:用于受载较大且经常装拆调整或承受变载荷的联接 C:一般联接，最常

21、用。,69,70,15.4.4 螺纹联接的预紧和防松,1、预紧,预紧目的增加联接的可靠性与紧密性，防止受载后被联接件间出现缝隙与相对滑移。保持正常工作。 预紧力F0预先轴向作用力（拉力）,螺纹联接：松联接在装配时不拧紧，只存受外载时才受到力的作用 紧联接在装配时需拧紧，即在承载时，螺栓已预先受力，预紧力F0,预紧过紧拧紧力F0过大，螺杆静载荷增大、降低本身强度 过松拧紧力F0过小，工作不可靠,71,扳手拧紧力矩：T=T+Tf T拧紧力矩 T螺纹摩擦阻力矩 Tf螺母端环形面与被联接件间的摩擦力矩 对于M10-普通粗牙螺纹： T 0.2F0*d0.001 Nm,72,预紧力FQ的控制： 测力矩板手

22、测出预紧力矩，如左图 定力矩板手达到固定的拧紧力矩T时，弹簧受压将自动打滑，如右图 测量预紧前后螺栓伸长量精度较高,重要联结若不能严格控制预紧力，而只靠安装经验来拧紧螺栓时，为避免螺栓拉断，通常不宜采用小于M12的螺栓，一般采用M12-M24的螺栓。,73,(1)、防松目的 实际工作中，外载荷有振动、变化、材料高温蠕变等会造成摩擦力减少，螺纹副中正压力在某一瞬间消失、摩擦力为零，从而使螺纹联接松动，如经反复作用，螺纹联接就会松驰而失效。因此，必须进行防松，否则会影响正常工作，造成事故,(2)、防松原理 消除（或限制）螺纹副之间的相对运动，或增大相对运动的难度。 (3)、防松办法及措施,1）摩擦

23、防松,双螺母、弹簧垫圈、尼龙垫圈、自锁螺母等,2、螺纹防松,74,弹簧垫圈,自锁螺母螺母一端做成非圆形收口或开峰后径面收口，螺母拧紧后收口涨开，利用收口的弹力使旋合螺纹间压紧,2）机械防松： 开槽螺母与开口销，圆螺母与止动垫圈，弹簧垫片，轴用带翅垫片，止动垫片，串联钢丝等,75,3）永久防松：端铆、冲点、点焊 4）化学防松粘合,开槽螺母 与开口销,圆螺母 与止动垫圈,串联钢丝,76,螺栓联接件的材料和许用应力,一、螺纹联接件的常用材料 1、普通垫圈的材料推荐采用Q235（冷轧钢） ，15，35；弹簧垫圈用65Mn钢制造，并经热处理和表面处理。 2、制造一般螺栓常用的材料为Q215，Q235，1

24、0，35和45等钢。 3、对于承受冲击、振动或变载荷的螺纹联接件，可采用低合金钢、合金钢，如15Cr，40Cr，30CrMnsi等材料制造。 4、对于特殊用途的螺纹联接件，可采用特种钢、铜合金、铝合金等材料制造。,国家标准规定了螺纹联接件的性能等级。螺栓、螺柱、螺钉的性能等级分为10级，螺母的性能等级分为7级。在一般用途的设计中，通常选用4.8级左右的螺栓，在重要的或有特殊要求设计中的螺纹联接件，要选用高的性能等级，如在压力容器中常采用8.8级的螺栓。,77,螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动变为直线运动，同时传递运动或动力。,传动形式： a)螺杆转螺母移 b)螺杆又转又移（螺母固定）用得多 c) 螺母转螺杆移 d) 螺母又转又移（螺杆固定）用得少,螺旋传动,78,一、螺旋传动的类型和特点,螺旋传动按其用途，受力情况不同，可分为以下三种类型:,1）传力螺旋举重器、千斤顶、加压螺旋 用途：传递动力，以小转矩产生大轴向力，要求自