武汉理工大学机械设计课件第10、12章

第十章键联接和销联接设计第十章键联接掌握平键联接类型、结构、特点、应用和尺寸的选择方法，了解平键的强度计算。键联接是一种将轴和轴上转动零件联接起来的可拆联接，主要用于轴和轮毂间的周向固定并传递转矩。有些类型的键还能实现轴向固定或轴向动联接。松联接：平键联接和半圆键联接。键联接紧联接：楔键联接和切向键联接。花键联接键联接一、平键联接平键联接按用途分为三类：普通平键、导向平键、滑键。键的上表面和轮毂槽底之间有间隙，是靠两侧面传递转矩，两侧面是工作面。且有结构简单、装拆方便、加工容易，对中良好，应用广泛，但不能实现轴向固定的特点。（1）普通平键用于静联接，即轴与轮毂间无相对滑动。按端部形状不同分为A型（圆头）、B型（方头）、C型（半圆头）三种。（2）导向平键用于动联接。即轴和轮毂之间可以轴向相对移动。导键是一种很长的平键（图10-2），用螺钉固定在轴槽中，轴上零件能沿键作轴向滑移，为装拆方便，制有起键螺钉。键联接][22phdplTl——键的工作长度。A型l=L-bC型l=L–b/2强度不够,可用两个普通平键相隔180°布置（为使轴与轮毂对中良好），强度计算按1.5个键计算（由于载荷分布不均）。键联接（3）平键联接的选择与校核计算1）平键联接的选择直接从手册中选a.按轴径选键的截面尺寸bhb.按轮毂长度B选键长，使L=B-（5~10）mm，并按标准系列2）平键联接的校核计算a.失效形式压溃、剪断、过度磨损b.校核计算一般校核挤压强度或限制压强键联接两侧面为工作面，对中良好，用于静联接。轴槽用尺寸与半圆键直径相同的盘形铣刀铣出，因此半圆键能在槽中摆动，尤其适用锥形轴与轮毂的联接，但轴槽较深，对轴的强度削弱大，只用于轻载。二、半圆键键联接楔键的上、下表面为工作面，靠挤压产生的摩擦力传递转矩，能承受一定的单向的轴向载荷。但由于楔键打入时，使轴和轮毂产生偏心，故用于定心精度不高，载荷平稳和低速场合。三、楔键花键联接规格用N×d×D×B分别表示键数，小径、大径、键齿宽。根据键数和尺寸不同分轻、中、重系列，重系列的键数多，适用于重载。一般以小径定心。1、矩形花键四、花键联接当传递载荷较大且对心精度要求高时，可用花键联接。花键联接的导向性好，对轴的削弱较小，但需专用设备加工，成本高。花键按齿形不同，分为矩形、渐开线花键等，都是两侧面为工作面。花键联接2、渐开线花键用加工齿轮的加工方法加工。工艺性好；键根部强度大，应力集中小，负载能力大；但加工花键孔的拉刀制造成本高，尺寸小时受到限制；故用于载荷大，定心精度高和轴径大的场合。3、强度计算主要失效：齿面压溃（静联接）或磨损（动联接）。计算公式见表10-2本章英语单词键联接keyjoint平键flatkey(straightkey)普通平键generalflatkey键槽keyway(keyseat)(keyslot)(keygroove)导键featherkey滑键slidingkey半圆键woodruffkey斜键taperkey楔键wedgekey切向键tangentkey花键spline矩形花键parallel-sidedspline渐开线花键involutesspline本章小结内容归纳本章小结重点学习内容1.掌握键联接及花键联接的类型、结构、特点和应用。2.掌握键联接的类型和尺寸的选择方法，并能对平键和花键联接进行强度计算。第十二章轴的设计第十二章轴的设计本章重点掌握轴的强度计算和结构设计方法。轴是机械中最重要的零件之一，它的主要功用是支承回转的机械零件（如齿轮、带轮等），并传递运动和动力。一、轴的分类根据轴的承载情况，轴可分为心轴、传动轴、转轴。1、心轴只承受弯矩不传递转矩的轴。心轴转动心轴（图12-3铁路车辆的轴）固定心轴（图12-4自行车的前轴）2、传动轴主要传递转矩，不承受或承受很小弯矩的轴。（图12-2汽车传动轴）§12-1概述概述3、转轴既承受弯矩又传递转矩的轴。（图12-1齿轮减速器中的轴）转轴是机械中最常见的轴，应用最广，本章主要讨论转轴的设计。心轴和传动轴可视为转轴的特例。二、轴的材料轴是重要零件，工作时产生应力多为变应力，一般选用机械性能较好的材料。主要考虑强度、刚度、较小的应力集中敏感性、良好的加工性能。1）受力较小或不重要的轴：Q235，Q275等普通碳素钢2）受力较大用35，45，50等优质碳钢3）对强度、耐磨性要求高选合金钢40cr20cr等4）铸铁，价格便宜、对应力集中敏感性低、吸振、易于得到复杂的形状直轴、曲轴，钢丝软轴。三、轴设计的主要问题和设计特点概述1.设计要求1）足够强度（静强度、疲劳强度）在正常工作时不发生断裂。2）足够刚度限制变形量（一般刚度够强度也够）如机床主轴、电机转子轴。3）振动稳定性要求高速轴除强度、刚度要求外，要考虑。4）结构合理2.设计特点轴径的初步估算——结构设计——较精确的强度验算。其中以结构设计为重点。MPandPdWTTnPTT][2.01055.91055.9363166mmnPCnPnPdTT333636][2.01055.9][2.01055.9C与轴的材料及弯矩的大小有关。见表12-2上式所求d作为轴的最小直径进行轴的结构设计，若该处有一个键槽，d增大5%，有两个键槽，d增大10%。§12-2轴径的初步估算一、按扭转强度估算轴径这种方法视轴只受转矩，根据转矩大小估算d，并用降低许用扭剪应力的方法来考虑弯矩的影响。轴径的初步估算二、按经验公式估算对于一般减速装置中的轴，也可用经验公式估算轴的最小轴径。对于高速级输入轴d=(0.8~1.2)DD——与高速级轴相联的电动机轴径对于各级低速轴d=(0.3~0.4)aa——同级齿轮中心距§12-3轴的结构设计初估最小轴径后，即可进行轴的结构设计。结构设计的目的是确定轴的合理外形和全部结构尺寸。主要考虑便于加工、装拆以及定位和提高轴的强度和刚度等方面要求，一般做成阶梯轴。1、轴肩、轴环（表12-3）一、轴上零件的轴向定位轴上零件一般均应作双向固定，定位方法有：轴的结构设计2.套筒、圆螺母、双螺母套筒——两零件相对较近圆螺母——两零件相对较远3.轴端挡圈、圆锥面可承受较大轴向力4.弹性挡圈、紧定螺钉承受轴向力较小注意：1）轴肩、轴环定位时，为保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径或倒角须留意。2）为保证固定可靠，与轴上零件相配合的轴段长度比轮毂宽度略短1~3mm。二、轴上零件的周向固定传递扭矩和运动1.键联接、花键联接2.过盈配合联接3.销联接、紧定螺钉联接综合看轴的结构设计三、轴的结构工艺性及应注意的问题1.键槽开在同一母线上，且宽度尽可能相同（图12-6）2.轴上圆角、倒角尽量取相同的值3.需磨削的轴段，应留有砂轮越程槽；需切削螺纹轴段，应留有退刀槽（图12-7）4.为便于加工和检测，轴的直径应取整数值；与滚动轴承相配合轴颈及有螺纹的轴段直径应符合轴承、螺纹标准直径5.为了便于装配，轴端应加工出450倒角（图12-8a)6.过盈配合零件的装入端加工导向锥面(图12-8b)四、提高轴的强度和刚度由轴的分类和应力状态的分析看到，大多数轴受变应力作用，故提高轴的疲劳强度尤为重要。而影响疲劳强度主要因素有应力集中、表面质量等。1、减小应力集中2、改善轴的表面质量3、改善轴的受力状况轴的结构设计轴的设计实例减小应力集中实例：ZQ350齿轮箱的高速轴在联轴器与轴承过渡圆角处往往剪断。这是因为联轴器的轴段到轴承直径处的过渡圆角半径r太小，应力集中太大所致。改善轴的表面质量实例一：常州戚墅堰机车厂生产的曲轴圆角半径处应力集中过大，一直没有过关，后在圆角处采用滚压工艺，结果寿命提高了一倍。改善轴的表面质量实例二：1974年东风船厂6E350柴油机减速箱的一根主轴，在试车过程中连续断掉两根，经理论验算强度和刚度，是够的。但为什么会断呢?经分析后，查明原因有两点：(1)柴油机振动对轴的破坏影响估计不足；(2)轴表面粗糙度未达到图纸要求。改进后经275h试车通过。这说明，考虑问题要从多方面分析。轴的设计实例改善轴的表面质量实例三：提高轴的疲劳强度问题。我校教师在重庆民生船厂发现，制成试验用的增速器，经核算其中轴的安全系数为0.8。他们建议把轴从原来的调质处理改为高频淬火，从而解决了问题。轴的结构设计实例单级减速器中的低速轴轴的装配24be3321.03dMMWMdb22322221.01124)(TMdTMWWTWMeWTdTTWTdT2.02.03163§12-4轴的强度验算在初估轴径及结构设计完成以后，即可确定轴上载荷大小、方向、作用点和轴的支撑点位置。从而可求出支承反力，画出弯矩图和扭矩图，这时就可按当量弯矩校核轴径。由弯矩图和转矩图可初步判断轴的危险剖面。对于一般的钢制轴，可用第三强度理论求出危险剖面的当量应力e，其强度条件为：beedMTMdTMW][1.0)(1.01)(11322322mmMdbe31][1.0轴的强度验算对于一般转轴，b为对称循环，而的应力特性常是不变或脉动，考虑到两者循环特性不同的影响，将上式中的转矩乘以校正系数α，得校核轴的强度基本公式为：α——校正系数Me——当量弯矩[-1b]——对称循环下许用弯曲应力设计式：设计注意：1）找危险截面：Me较大或d较小处2）强度不足采取措施a)增大轴径，其它尺寸跟着变化b)改用材料、热处理方法§12-5轴的设计实例分析轴的结构设计实例轴的结构设计实例轴的结构设计实例轴的结构设计实例本章英语单词轴shaft(axle)轴颈journal(neckofshaft)轴肩shaftshoulder轴环shaftcollar轴套axlesleeve圆螺母roundnut弹簧垫圈springwasher轴端挡圈shaftendtripring本章小结内容归纳重点学习内容1.能对不同类型的轴进行强度计算。2.重点掌握轴的结构设计方法。本章小结习题1：轴的结构设计应满足的基本要求是什么？答：轴的结构设计应满足的基本要是：1)轴及轴上零件应有确定的位置和可靠固定；2)轴上零件应便于安装，折卸和调整；3)轴应具有良好的加工工艺性；4)力求受力合理，有利提高疲劳强度和刚度。与滚动轴承配合结构应注意：轴肩高度滚动轴承内圈高度习题2：指出图中所示轴结构有哪些不合理？,rc不能定位rc必须习题3：指出图中所示轴结构设计的错误。解答：1)轴肩过高挡住了内圈，轴承不便于折卸；2)两边均有轴肩，齿轮无法安装；3)键的顶面应与轮毂槽底面有间隙，且轮毂槽应开通，轴上键槽处应有局部剖视；4)轴承不便于安装，此处应该有过渡轴肩；5)此处的轮毂没有确定的位置，且无轴向固定；6)键过长，且两键不在同一方位，不便于加工；7)轴端过长，轮毂无法进行轴向固定。习题3：指出图中结构设计的错误，在错误处标出序号，并按序号一一说明理由。习题4：试指出图中结构不合理的地方。概述概述概述轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法演示轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴上零件的轴向固定方法轴的结构设计不合理结构F合理结构F轴的结构设计轴肩B轴端挡圈l止动垫片止动销轴端挡圈螺钉螺钉轴端挡圈装配演示止动销止动垫片