精密机械设计基础课件(合肥工业大学)第十章(轴)

第十章轴、联轴器、离合器第十章轴联轴器离合器参考文献张策主编，《机械原理与机械设计》（下册），机械工业出版社，2004濮良贵主编，《机械设计》，高等教育出版社，2006其他机械设计的相关书籍第十章轴联轴器离合器第一节概述第十章轴联轴器离合器第一节概述一、轴的功用：轴系的核心零件，一切做回转运动的零件，只有装在轴上后才能实现其运动。用来支撑旋转的机械零件（如齿轮、带轮、链轮、凸轮等），承受弯矩和扭矩。二、轴的分类1、按载荷和应力的不同，分为三种：心轴——随同回转零件一起或不一起转动。只承受弯矩而不传递转矩。转动心轴受变应力，不转动心轴受静应力。转轴——既承受弯矩又承受转矩。传动轴——主要承受转矩。第十章轴联轴器离合器火车轮轴车厢力转动心轴固定心轴（自行车）转轴传动轴第一节概述第十章轴联轴器离合器2、按轴的中心线的不同，分为三种直轴——轴的各截面中心在同一直线上。光轴、阶梯轴实心轴、空心轴曲轴——轴的各截面中心不在同一直线上。曲轴通常是专用零件。软轴——轴线可变，把回转运动灵活地传到任何位置。第一节概述第十章轴联轴器离合器直轴潘存云教授研制光轴阶梯轴第一节概述空心轴难以加工，但刚度较大第十章轴联轴器离合器第一节概述曲轴第十章轴联轴器离合器第一节概述软轴第十章轴联轴器离合器三、联轴器和离合器用来联接两根轴，使之一同回转并传递转矩的一种部件。联轴器只有当运动停止后，可拆卸，才能将轴分开；离合器可在运动中随时使两轴分离或结合。第一节概述第十章轴联轴器离合器第二节轴设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。N选择材料结构设计轴的承载能力验算验算合格?结束Y设计的主要问题：1、合理的结构设计—保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整；2、工作能力计算a、有足够的强度—疲劳强度、静强度；b、有足够的刚度—防止产生大的变形；c、有足够的稳定性—防止共振—稳定性计算。设计的主要过程：第十章轴联轴器离合器设计内容：选材、根据轴传递的转矩最小轴径，确定轴的结构、计算轴的强度和刚度，计算轴的振动稳定性（高速运转的轴），绘制出轴的零件工作图。设计步骤：1.选材料2.估算轴径3.轴的结构设计4.强度校核轴的设计要与轴承、轴系零件统一考虑第二节轴第十章轴联轴器离合器一、轴的材料及其选择（表10-1）1、选材原则：根据轴的工作能力（强度、刚度、振动稳定性、耐磨性等）、热处理方式、制造工艺性——经济。2、常用材料碳素钢——对应力集中敏感性小，价格低廉，通过热处理提高其耐磨性和疲劳强度。常用45、35、50（调质or正火），Q235、Q275合金钢——较高的力学性能和热处理性能,用于受力较大且尺寸较小、重量轻和耐磨性高的轴。20Cr、40Cr、含Mo合金钢。球墨铸铁——适用于曲轴、凸轮轴等形状复杂的轴。QT600-3（球墨铸铁，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）注意：①采用合金钢并不能提高轴的刚度。②轴的热处理和表面强化可提高轴的疲劳强度。第二节轴第十章轴联轴器离合器2、要求1)、轴与轴上零件要有准确的相对位置；2)、受力合理——轴结构有利于提高轴的强度和刚度；3)、轴的加工、装配有良好的工艺性、减少应力集中；3、轴的毛坯d小——圆钢（棒料）：车制；d大——锻造毛坯；空心轴：充分利用材料，↓质量，但加工困难。二、轴的结构设计1、目的确定轴的尺寸、形状：d、l；结构复杂——铸造毛坯，如曲轴；第二节轴第十章轴联轴器离合器4、阶梯轴的结构设计F等强度阶梯轴组成轴颈：装轴承处尺寸=轴承内径；轴头：装轮毂处直径与轮毂内径相当；轴身：联接轴颈和轴头部分；第二节轴第十章轴联轴器离合器第二节轴第十章轴联轴器离合器轴颈轴头轴身第二节轴方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。方案二第二节轴方案一第十章轴联轴器离合器轴系结构设计还要解决的问题：轴的支承形式；轴上零件的固定方法；轴系的润滑及密封方式第二节轴第十章轴联轴器离合器轴系的支承形式1.两端单向固定两端的轴承各限制一个方向的轴向移动第二节轴第十章轴联轴器离合器2.一端固定一端游动（单支点双向固定）轴系的一端限制两个方向的轴向移动第二节轴第十章轴联轴器离合器第二节轴第十章轴联轴器离合器第二节轴第十章轴联轴器离合器3.两端游动:人字齿轮的轴第二节轴第十章轴联轴器离合器轴上零件的固定方法轴向定位和固定是指将轴上的零件沿轴线方向进行定位和固定。(轴向定位有时与轴承预紧有关）常用方式：轴肩、轴环套筒、圆螺母弹性挡圈、紧定螺钉；轴端挡圈、圆锥面。零件的定位分：轴向定位、周向定位第十章轴联轴器离合器第二节轴轴肩—由定位面和内圆角组成。轴环a=(0.07~0.1)d,b=1.4a轴圆角半径r＜轴上零件倒角尺寸C＜轴肩高度h或轴圆角半径r＜轴上零件圆角半径R＜轴肩高度h。定位面内圆角rRor(C)a=(0.07~0.1)d,b=1.4a非定位轴肩:h=(1~2)mm;与滚动轴承配合处的h和b值,见轴承标准第十章轴联轴器离合器套筒－简单可靠，简化轴的结构且不消弱轴的强度；常用于轴上两个近距零件间的相对固定；不宜用于高速转轴；套筒内径与轴的配合较松。注意：防止过定位L轴段长度=B轮毂宽-(2~3)mm第十章轴联轴器离合器第二节轴螺母－固定可靠，承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整；常用于两零件的间距较大外，亦可用于轴端；为减小对轴的强度的消弱，常用细牙螺纹；为防松，须加止动垫圈或使用双螺母。正确错误1L=B-(1～3）（单位：mm）错误2第十章轴联轴器离合器第二节轴轴端挡圈－工作可靠，承受较大轴向力；只用于轴端，且采用止动垫片等防松措施。锥面－装拆方便，且可兼作周向定位；宜用于高速、冲击及对中性要求高的场合。第十章轴联轴器离合器第二节轴弹性挡圈－结构紧凑、简单，装拆方便，但受力较小，且轴上切槽引起应力集中；常用于轴承的固定。紧定螺钉、锁紧挡圈－结构简单，受力较小，不适于高速场合。第十章轴联轴器离合器零件在轴上的周向固定键联接、销联接、紧定螺钉、过盈联接等第二节轴第十章轴联轴器离合器轴承游隙及轴系的轴向位置调整方法垫片圆螺母第二节轴第十章轴联轴器离合器良好的加工工艺性1轴的直径变化尽可能少，并尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差（节省材料，减少切削量）。2轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽。3轴上有多个键槽时，应开在同—直线上，以免加工键槽时多次装夹。4尽可能使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准，以利于加工和检验。5轴上配合轴段直径应取标准值；与滚动轴承配合的轴径应按轴承内径尺寸选取：轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。第二节轴第十章轴联轴器离合器装配工艺性1为便于轴上零件的装配，使其能顺利通过相邻轴段而到达轴上的确定位置，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴。轴上的各阶梯，除用作轴上零件轴向固定的可按确定轴肩高度外，仅为便于安装而设置的轴肩，其高度常可取1～3mm。2轴端应倒角，以去掉毛刺并便于装配。3固定滚动轴承的轴肩高度应小于轴承内圈厚度，以便拆卸。第二节轴第十章轴联轴器离合器1、需磨削的轴段：砂轮越程槽。3、轴端应有倒角：c×45°——便于装配。4、装配段不宜过长。5、固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上，以减少装夹次数。2、需切制螺纹的轴段：螺纹退刀槽。第二节轴第十章轴联轴器离合器指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘出改进后的结构图2.齿轮右侧未作轴向固定1.轴两端均未倒角7.轴端挡圈未直接压在轴端轮毂上6.齿轮与右轴承装卸不便3.齿轮处键槽太短4.键槽应开在同一条直线上5.左轴承无法拆卸第二节轴643211745第十章轴联轴器离合器注意：各轴段直径d和长度L的确定。第二节轴第十章轴联轴器离合器第二节轴图10-3第十章轴联轴器离合器三、轴的强度计算㈠按许用切应力计算轴颈已知：轴传递的功率P、转速n639.5510/[]0.2TTTTPnWd6339.5510/0.2[]TPnPdCn（10－1）（10－2）第二节轴㈡按弯曲和扭转复合强度计算轴颈13[]0.1VVbbMMWd310.1[]VbMd（10－3）（10－4）第十章轴联轴器离合器第二节轴第十章轴联轴器离合器四、轴的刚度计算㈠扭转刚度计算㈡弯曲刚度计算计算法工程－查表法第二节轴66449.5510(/)9.5510(/)(/32)0.1pTLPnLPnLGIGdGdaEIxMdxyd/)(/22第十章轴联轴器离合器联轴器——联结两根轴一同回转，仅在停止时经拆卸才能将二者分离。•联轴器分类：刚性联轴器——用于两轴严格对中，工作中不发生相对偏移的地方。挠性联轴器——用于两轴有相对位移的地方。如果使用弹性元件，则称弹性联轴器。•联轴器的设计选用原则:拆卸方便、质量较轻、尺寸较小、便于拆卸安装、位置尽量靠近轴承第三节联轴器第十章轴联轴器离合器一、刚性联轴器套筒联轴器凸缘联轴器二、挠性联轴器（一）无弹性元件挠性联轴器盘销联轴器十字滑块联轴器单万向节联轴器双万向节联轴器齿轮联轴器链式联轴器（二）有弹性元件挠性联轴器1金属弹性元件挠性联轴器2非金属弹性元件挠性联轴器弹性套柱销联轴器弹性柱销联轴器轮胎式联轴器弹性圆盘联轴器第三节联轴器第十章轴联轴器离合器离合器——联结两根轴一同回转，运动中可随时使二者分离或结合。离合器的分类与典型介绍离合器外力操纵自动操纵机械离合器电磁离合器气压离合器液压离合器啮合式－牙嵌、齿式。摩擦式－单盘、多盘、圆锥、弹簧。超越离合器－牙嵌、滚柱、楔块。离心离合器－闸块、钢珠。安全离合器－牙嵌、钢珠、圆盘、圆锥。第四节离合器（离合方式）（操纵方式）（工作原理）（特性）第十章轴联轴器离合器第三节联轴器第十章轴联轴器离合器特点：结构简单紧凑（特别是径向尺寸），成本低廉，便于装卸与维护。可以一定程度上起安全保护作用。要求在两轴严格对中情况下使用。（已有标准化设计资料）第三节联轴器图10-11第十章轴联轴器离合器第三节联轴器半联轴器螺栓第十章轴联轴器离合器特点：结构简单，可传递较大转距，要求在两轴严格对中情况下使用。是一种应用广泛，便于购得标准件的联轴器类型。其中凸肩－凹槽型拆卸时需要轴向位移，受剪螺栓型无需轴向位移。第三节联轴器第十章轴联轴器离合器图10-12盘销联轴器－允许连接轴的最大轴向位移量要小于两盘间最大间隙。在读数系统中应用时，应注意两轴线不重合所引起的传动误差。第三节联轴器第十章轴联轴器离合器特点：用于联结径向位移或角位移很小的两根轴。可传递中等力矩。滑动面间存在磨损，存在偏心质量，产生离心力，不宜用于高速旋转，效率较低。空回误差较大。第三节联轴器第十章轴联轴器离合器图10-1515特点：结构简单，用于联接两交叉轴。不能传递等角位移，在转动一周过程中，两轴传动比不能始终为1。主要用于精度要求不高的传动中。第三节联轴器1－万向接头套2－万向接头环3－球头轴4－销杆第十章轴联轴器离合器特点：用于不对心的两根轴间实现等角速度传动。条件①α1＝α2②中间轴的两端的万向接头环3、5应在同一平面内。第三节联轴器图10-16主动轴中间轴从动轴第十章轴联轴器离合器第三节联轴器第十章轴联轴器离合器特点：对两轴综合偏移有很好的补偿性。齿轮联轴器外廓紧凑。因为很多齿同时工作，故传递转矩大、工作可靠。适用于启动频繁，经常正反转使用的场合。第三节联轴器第十章轴联轴器离合器第三节联轴器第十章轴联轴器离合器特点：拆卸方便。第三节联轴器第十章轴联轴器离合器金属弹性元件挠性联轴器序号名称结构图特点及应用1蛇形弹簧联轴器工作转矩通过菱形的齿和弹簧来传递。适用于转矩变化不大的两轴联接，多用于有严重冲击载荷的重型机械中。2弹性杆联轴器在两半联轴器凸缘上的孔中插有圆形截面的金属钢丝。结构简单，弹性均匀，尺寸小，价格便宜，弹性元件容易制造。一般用于风机、泵等机械设备中。3簧片联轴器高弹性，可靠，结构紧凑，有良好的阻尼性能。主要用于载荷变化