轴及其联接.pptx

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授,2004,年,2,月,第二级,第三级,第四级,第五级,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,#,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,第,14,章 轴和轴毂连接,14-1,概述,14-2,轴的结构设计,14-3,轴的强度计算,14-5,轴的设计,14-6,轴毂连接,14-4,轴的材料及选择,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,带式运输机,减速器,电动机,转轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,曲轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,本章只研究直轴,14-1,概述,功用：,用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、,链轮、凸轮等。,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,曲轴,挠性钢丝轴,设计任务：,选材、结构设计、强度和刚度设计、确,定尺寸等,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计任务：,使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,14-2,轴的结构设计,设计要求：,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。,轴端挡圈,带轮,轴承盖,套筒,齿轮,滚动轴承,设计：潘存云,典型轴系结构,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,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。,设计：潘存云,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,一、制造安装要求,倒角,取值见,P119,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,零件的,轴向定位,由轴肩或套筒来实现。,二、轴上零件的定位,4,、,5,间的轴肩使齿轮在轴上定位，,1,、,2,间的轴肩使带轮定位，,6,、,7,间的轴肩使右端滚动轴承定位。,设计：潘存云,轴肩,阶梯轴上截面变化之处。,起轴向定位作用。,轴肩,套筒,12,12,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向固定,由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。,三、轴上零件的固定,齿轮受轴向力时，向右是通过,4,、,5,间的轴肩，并由,6,、,7,间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠,1,、,2,间的轴肩和轴端当圈。,双向固定,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,无法采用套筒或套筒太长时，可采用,双圆螺母,加以固定。,轴肩的尺寸要求,:,r C,1,或,r R,b1.4h(,与滚动轴承相配合处的,h,和,b,值,见轴承标准,),D,d,r,R,轴端挡圈,双圆螺母,D,d,C,1,r,h(0.07d+3)(0.1d+5)mm,装在轴端上的零件往往采用,轴端挡圈,固定。,C,1,D,d,r,取值见,P119,D,d,r,R,h,h,b,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向力较小时，,可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。,周向固定,大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。,为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。,键槽应设计成同一加工直线,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,T,T,T,T,T,Q,方案,b,四、改善轴的受力状况，减小应力集中,图示为起重机卷筒两种布置方案。,A,图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图,b,中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图,a,结构轴的直径要小。,输出,输出,输入,T,max,=T,1,+T,2,T,max,=T,1,1.,改善受力状况,当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。,T,2,T,1,T,1,+T,2,T,1,T,1,+T,2,T,2,合理,不合理,T,T,Q,方案,a,输出,输出,输入,F,t,F,t,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,R,d,d/4,30,2.,减小应力集中,合金钢对应力集中比较敏感，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,r,凹切圆角,B,卸载槽,也可以,在轮毂上增加卸载槽,B,位置,d/4,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,14-3,轴的强度计算,一、按扭转强度计算,轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。,对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为,设计公式为,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！,解释各符号的意义及单位,轴的材料,A3,20 35 45 40Cr,35SiMn,(N/mm),1220 2030 3040 4052,C,160135 135118 118107 10792,表,14-1,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,C,取较小值,;,否则取较大值,应圆整为,标准直径！,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。,在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。,因,b,和,的循环特性不同，,折合后得,二、按弯扭合成强度计算,对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。,强度条件为,l,1,l,弯曲应力,扭切应力,代入得,W,抗弯截面系数；,W,T,抗扭截面系数；,-,折合系数,M,e,-,当量弯矩,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,材 料,b,+1b,0b,-1b,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,表,14-2,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,频繁正反转。,静应力状态下的许用弯曲应力,设计公式,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,折合系数取值,=,0.3,转矩不变；,0.6,脉动变化；,1,频繁正反转。,设计公式,材 料,b,+1b,0b,-1b,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,表,14-2,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,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,折合系数取值,=,0.3,转矩不变；,0.6,脉动变化；,1,频繁正反转。,设计公式,材 料,b,+1b,0b,-1b,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,表,14-2,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,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：,1.,将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力,F,V,和水平面支撑反力,F,H,;,2.,作垂直弯矩,M,V,图和弯矩,M,H,图,;,3.,作合成弯矩,M,图；,4.,作转矩,T,图；,5.,弯扭合成，作当量弯矩,M,e,图；,6.,计算危险截面轴径,:,1.,若危险截面上有键槽，则应加大,4%,2.,若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；,3.,若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相,不大，一般以结构设计的轴径为准。,对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。,说明：,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,种类,碳素钢,35,、,45,、,50,、,Q235,轴的毛坯,:,一般用,圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。,14-4,轴的材料及选择,合金钢,20Cr,、,20CrMnTi,、,40CrNi,、,38CrMoAlA,等,用途：,碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是,45,钢应用最广,。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有,特殊要求的轴。,如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。,为了改善力学性能,正火或调质处理。,表,14-3,轴的常用材料及其主要力学性能,材料及热处理,毛坯直径,mm,硬度,HBS,强度极限,b,屈服极限,s,MPa,弯曲疲劳极限,-1,应用说明,Q235,440,240,200,用于不重要或载荷不大的轴,35,正火,520,270,250,有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。,100,149,187,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,对,2,点取矩,举例：,计算某减速器输出轴危险截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力,F,t,=17400N,径向力，,F,r,=6140N,轴向力,F,a,=2860N,齿轮分度圆直径,d,2,=146 mm,作用在轴右端带轮上外力,F=4500N,（方向未定）,L=193 mm,K=206 mm,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,解：,1),求垂直面的支反力和轴向力,=F,a,d,2,a,a,d,P231,14-4,轴的设计,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,M,av,M,av,F,t,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,2),求水平面的支反力,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,P231,F,3),求,F,力在支点产生的反力,4),绘制垂直面的弯矩图,5),绘制水平面的弯矩图,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,M,a,M,av,M,av,F,t,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,M,2F,6),求,F,力产生的弯矩图,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,P231,F,7),绘制合成弯矩图,考虑,F,可能与,H,、,V,内合力共面,a-a,截面,F,力产生的弯矩为：,M,aF,M,a,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,M,a,M,av,M,av,F,t,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,M,2F,8),求轴传递的转矩,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,P231,F,9),求危险截面的当量弯矩,M,aF,M,2,M,a,T,扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数,=0.6,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,求考虑到键槽对轴的削弱，将,d,值增大,4%,，故得：,10),计算危险截面处轴的直径,选,45,钢，调质，,b,=650 MPa,-1b,=60 MPa,符合直径系列。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,1,4,6,轴毂连接,作用：,用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，,或实现零件的轴向固定或移动。,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,工作面,特点：,定心好、装拆方便。,种类,普通平键,导向平键,间隙,轴,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,普通平键结构,单圆头,(C,型,),圆头,(A,型,),方头,(B,型,),用指状铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端,普通平键应用最广。,A,型,B,型,C,型,盘铣刀,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,起键螺孔,导向平键,固定螺钉,零件可以在轴上移动，构成动联接。,结构特点：,长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔。,起键螺孔,固定螺钉,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,表,14-4,普通平键和键槽尺寸（,GB1095-79,、,GB1096-79,）,A,型,B,型,C,型,b,h,R=b/2,C,45,或,r,1,L,L,L,b,h,b,t,d,-,t,b,t,1,d+t,1,标记实例：,圆头普通平键,(A,型,):,键,16,100 GB1096-79,方头普通平键,(B,型,):,键,B16,100 GB1096-79,单圆头普通平键,(C,型,):,键,C16,100 GB1096-79,d,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,d b h C,或,r L t t,1,半径,r,续表,14-4,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 3.3,4450 14 9 0.40.6 36160 5.5 3.8 0.250.4,5058 16 10 45180 6.5 4.3,5865 18 11 50200 7.0 4.4,6575 20 12 56220 7.5 4.9,7585 22 14 63250 9.0 5.4,0.60.8 0.40.6,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,2.,半圆键,联接,优点：,定心好，装配方便。,因半圆键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。,缺点：,对轴的削弱较大，只适,用于轻载联接。,特别适用于锥形轴端的联接。,工作面,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,3.,楔键,联接和切向键联接,结构特点：,键的上表面有,1:100,的斜度，,轮毂槽的底面也有,1:100,的斜度。,缺点：,定心精度不高。,应用：,只能应用于定心精度不高，载荷,平稳和低速的联接。,安装时用力打入,工作面,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,d,d,类型：,普通楔键、钩头楔键。,钩头是用来拆卸用的,拆卸空间,斜度,1,：,100,120 130,在重型机械中常采用,切向键,一对楔键组成。,装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成,120130,。,窄面,工作面,设计：潘存云,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,b,A,型,d,二、平键联接的强度校核,键的材料：,B,370,Mpa,的碳素钢，常用,45,钢。,键的截面尺寸,b,、,h,查表选取，长度,L,参照轮毂长度从标准中选取。,键的主要失效形式：,压溃、磨损,(,动联接,),、,剪断。,L,b,h/2,挤压强度条件：,p,=,S,F,t,(,d/2,)(,h/2,),l,T,=,p,MPa,d h l,4T,=,l=L-b,l=L,b,B,型,一般不会出现,l,d,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,p,d h l,4T,p=,对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：,钢,125150 100120 6090,表,14-5,键联接的许用压强,许用值 轮毂材料,静载荷 轻微冲击 冲 击,载 荷 性 质,铸铁,7080 5060 3045,钢,50 40 30,p,p,若强度不时，可采用两个键按,180,布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按,1.5,个键计算。,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,三、花键联接,结构特点：,沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,优点：,承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、,导向性好。,类型：,矩形花键、键开线花键、三角形花键。,制造容易最常用,用于高强度联接,用于薄壁零件联接,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,四、,销联接,作用：,固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。,类型,圆柱销,圆锥销,-,经多次拆装后，定位精度会降低；,有,1:50,的锥度，可反复多次拆装。,拆装方便,用于盲孔,螺母锁紧抗冲击,不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。,带槽圆柱销,装配前、后,长沙航空职院专用 作者：潘存云教授,本 章 重 点,掌握轴的结构设计,掌握对轴进行强度计算,了解轴与轴类零件的连接,