轴与轴毂连接宋宝玉版.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,9.1,概述,转轴,:,心轴,:,传动轴,:,工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。,用来支撑转动零件且只承受弯矩而不传递转矩的轴称为芯轴。,只传递转矩而不承受弯矩的轴称为传动轴。,转动芯轴,固定芯轴,9.1.1,轴的分类,按照轴的承受载荷情况,轴的功用,:,支撑回转零件；,传递运动和转矩,转轴,芯轴,转动芯轴,按轴线的形状分：直轴、曲轴、挠性轴,2,、强度问题,防止轴发生断裂和过大塑性变形,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,防止轴发生共振,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,轴的受力、应力及失效形式,以减速器的输出轴为例来讨论转轴的受力、应力及失效形式,在,AB,之间的任意截面上，只有弯矩,M,，因此只有弯曲应力,在,BC,之间的任意截面上，既作用有弯矩,M,，又作用有转矩,T,，因此，即有弯曲应力 ，又有扭转切应力,而在,CD,之间的任意截面上，只作用有转矩,T,，因此只有扭转切应力,1,、受力及应力分析,转轴,弯曲应力 为对称循环变应力，其循环特征,r=-1(,见图,a),。,扭转切应力的循环特征,r,随转矩的性质而变化,:,当转矩,T,的大小及方向恒定不变时，扭转切应力 为静应力，其循环特征,r=+1,（见图,b,）。,当转矩,T,按脉动循环变化时，扭转切应力 也为脉动循环，其循环特征,r=0,（见图,c,）。,当转矩,T,为对称循环时，扭转切应力 也为对称循环，其循环特征,r=-1,（见图,d,）。,图,a,图,b,图,c,图,d,2,、应力循环特征,3,、轴的一般失效形式,疲劳断裂：疲劳裂纹发展到一定程度后突然断裂。,轴的设计过程,轴的设计分三步进行,:,（,1,）初定轴径,;,（,2,）结构设计,:,画草图,确定轴的各段尺寸,得到轴的跨距和力的作用点,;,（,3,）计算弯矩、弯曲应力及扭剪应力，进行校核计算。,已知,条件,选择,轴的,材料,初算,轴径,结构,设计,计算,弯矩,校核,计算,完善,设计,修改直径,转轴设计程序框图,设计计算,结构设计,轴的设计主要解决两个方面的问题,合理的结构,和,足够的强度,是轴的设计必须满足的基本要求,轴的材料主要采用,常用的优质碳素钢有,30,、,40,、,45,、和,50,钢，,其中,45,钢,应用最多。,一般调质或正火处理。,碳素钢,合金钢,常用的合金钢有,20Cr,、,40Cr,、,35SiMn,和,35CrMo,等,9.2,轴的材料,3,、球墨铸铁：适于制造成形轴，它价廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及对应力集中敏感性较低。,注意,：,1,）采用合金钢,代替,碳素钢,(,或,热处理,）来 提高轴的刚度，收效甚微。,2,）合金钢对应力集中敏感性强,9.3,轴径的初步估算,一、类比法,二、经验公式计算,高速输入轴的直径,d,可按与其相联的电动机轴的直径,D,估算,d,=(0.81.2),D,各级低速轴的直径,d,可按同级齿轮传动中心,a,估算,d,=(0.30.4),a,通常估算轴的最小直径，作为结构设计的依据,参考同类已有机器的轴的结构和尺寸进行分析对比,三、按扭转强度计算最小轴径,或,计算公式,当最小直径剖面上有一个键槽时增大,5%,，当有两个键槽时增大,10%,，然后圆整为标准直径,对于转轴，必须降低许用扭切应力,。,C,值见表,9.2,弯矩相对转矩较小或只受转矩时，,C,取小值。,弯矩较大时，,C,取大值。,注意：,令其为系数,C,94,轴的结构设计,轴的结构设计的主要要求是：,1,、轴应便于加工，轴上零件应便于装拆。,（制造安装要求）,2,、轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置。,（定位固定要求）,3,、轴的受力合理，尽量减少应力集中等。,以,减速器的轴,为例加以说明,减速器低速轴结构图,9.4.1,制造安装要求,便于拆卸、便于安装、便于制造,做成阶梯轴,应有倒角,有越程槽,键应靠近端部,加工工艺性,键槽的布置,:,多个键槽应同一母线，尽量等宽,砂轮越程槽,螺纹退刀槽,1.,轴上零件的轴向固定,(1),轴肩固定：优先采用,9.4.2,固定要求,轴肩,(2),套筒固定：,轴上相邻零件轴向固定,(3),圆螺母固定,(4),轴端挡圈,(5),弹性挡圈,(6),紧定螺钉,键连接,花键连接,成形连接,弹性环连接,销连接,过盈配合连接,为了,传递运动,和,转矩,或因某些需要,轴上零件还需有周向固定（参考轴毂连接）,2.,轴上零件的周向固定,三、提高轴的强度措施,1.,合理布置轴上传动零件的位置,2.,合理设计轴上零件的结构,过渡肩环,轴肩过渡结构,内凹圆角,3.,减小应力集中,配合轴段上的卸载槽,轮毂上的卸载槽,4.,提高轴的表面质量,提高轴的疲劳强度,:,表面强化，预加压应力,碾,压,、,喷丸,等,轴的,径向,尺寸确定,四、轴的结构设计,1.,箱体内壁位置的确定,轴的,轴向,尺寸确定,2.,轴承座端面,位置的确定,3轴承在轴承座孔,中位置的确定,4.,轴的外伸长度,的确定,d,i,由外向内、,L,i,由内向外逐段确定,1.,箱体内壁位置的确定,H,=510mm,A,=,b,+2,H,A,应圆整,轴的轴向尺寸确定,2.,轴承座端面位置的确定,C,=,+,C,1,+,C,2,+(510)mm,-,箱体壁厚,C,1,、,C,2,-,螺栓扳手空间,B,=,A,+2,C,3.,轴承在轴承座孔中位置的确定,值尽量小,减小支点距离,油润滑时,=(35)mm,脂润滑时,=(812)mm,4.,轴的外伸长度的确定,(,1),当轴端安装弹性套柱销联轴器时,K,值由联轴器的型号确定,(,2),当使用凸缘式轴承盖时,K,值由连接 螺栓长度确定,(,3),当轴承盖与轴端零件都不需拆卸或不影响拆卸时,一般取,K=5mm8mm,轴的结构合理性分析,轴的结构合理性分析,9-5,轴的强度校核计算,一、轴的计算简图,阶梯轴简化成简支梁，,力的作用点、弯矩、扭矩，简化在中点，,支点：与轴承类型有关，简化时可取中点。,双支点轴简化成受集中力的简支梁,强度计算,1,）确定危险截面，,2,）强度校核。,二、按弯扭合成强度计算,强度条件（第三强度理论、当量应力）,在计算截面上,弯曲应力,b,=,M/W,扭转切应力,=,T/W,T,对称循环变应力下的许用应力,三、轴的安全系数校核计算,1,、轴的疲劳强度安全系数的校核计算,危险剖面,是指发生破坏可能性最大的截面,:,（,1,）,M,、,T,较大,（,2,）尺寸较小或突变,（,3,）应力集中,当难以确定时，校核所有可能的危险截面,校核危险剖面疲劳强度安全系数的公式为,弯曲应力的循环特性,:,扭剪应力的循环特性,:,2.,静强度的安全系数校核计算,对瞬时尖峰载荷，静强度安全系数条件,:,若强度不够：换材料、增大尺寸、改善表面状态、修 改结构减小应力集中,若强度富裕：减小尺寸等,综合考虑刚度、结构和标准等要求,许用安全系数：,查表,9-5,应力集中系数：,影响因素：,圆角半径,键槽、横孔,过盈配合,表面质量系数：,影响因素：,表面强化处理,表面粗糙度,尺寸系数：,影响因素：,尺寸大小,材料性能,9.6,轴的刚度计算,设计时的轴的刚度条件为,阶梯轴按其当量光轴计算,9.6.1,弯曲变形计算,1,、等直径轴的挠曲线近似微分方程,2,、对于直径差较小的阶梯轴，采用当量直径,3,、还可以采用有限差分法、有限元方法、,能量法等求挠度,积分及边界条件可得到偏转角和挠度,9.6.2,扭转变形计算,1,、等直径轴的扭转角,2,、对于阶梯轴,3,、同样可以采用有限差分法、有限元方法、,能量法等转角,4,、如果强度和刚度满足不了要求怎么办？,轴的振动稳定性概念,若轴所受的外力频率与轴的自振频率一致时,运转便不稳定而发生显著的振动,这种现象称为轴的,共振,。,轴的转速达到一定值时，运转便不稳定而发生显著的反复变形，这种现象叫轴的振动。,产生共振时轴的转速称为,临界转速,。,轴的临界转速可以有许多个,一阶、二阶、三阶,挠性轴,:,超过一阶临界转速的轴。,刚性轴,:,工作转速低于一阶临界转速的轴。,第四章 其他常用连接,4.1,键连接,平键的两侧是工作面，上表面与轮毂键槽底面间有间隙,常用的平键有普通平键和导向平键。,键主要用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递转矩。有些类型的键还可实现轴上零件的轴向固定或轴向移动。,一,.,平键连接,1.,普通平键,-,应用广泛,普通平键的端部形状可制成圆头,(A,型,),、方头（,B,型）或单圆头（,C,型）。,基本结构：,普通平键用于静连接,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。,平键连接的强度校核,平键连接的主要失效形式是,键的剪断,或,工作面的压溃,（三者中强度最弱的），一般校核挤压强度。,载荷均匀分布，挤压强度条件：,工作面的平均挤压应力,材料,（,B,600MPa,）：通常为,45,钢,轮毂强度低，可键材料采用,20,钢、,Q235,钢,强度条件：,*,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,但应比轮毂长度略短些。,如果强度不够怎么办？,2.,导向平键连接,导向平键用于动连接,导向平键连接主要失效形式是工作面的磨损。,强度条件为（限制压强）,:,MPa,二、半圆键联接,侧面工作，键的顶面与毂槽底面间有间隙,自动对中性好，对强度削弱大，用于轻载、轴端、锥端,三,.,楔键连接,楔键的上下面工作，分别与毂和轴上的键槽的底面贴合；,依靠上下面的挤压和摩擦力传递转矩；,可传递小的轴向载荷；,但破坏对中，用于平稳载荷、低速连接,楔键分为普通楔键和钩头,楔,键,普通楔键,四、花键联接,花键联接由具有多个沿周向均布的凸齿的外花键和有对应凹槽的内花键组成。,齿的侧面是工作面,。按其齿型分为矩形花键和渐开线花键两种；可以用于较大转矩的静连接，也可以用于动连接。,4.2.1,矩形花键联接,定心方式：小径定心,比平键连接具有承载能力高，对轴削弱程度小（齿浅、应力集中小），对中性好,4.2.2,渐开线花键,定心方式：齿形定心,加工方法：按齿轮加工,常用于载荷较大，定心精度高，尺寸大的连接,30,度花键，模数大，承载能力大,45,度花键，齿数多，承载能力小，薄壁零件,其它连接,:,1,、销连接,柱形面,锥形面,2,、成形连接：非圆截面轴与相应的毂孔构成。,