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1、第14章 轴、联轴器及离合器,14-1 概述 14-2 轴的结构设计 14-3 轴的强度计算 14-4 轴的刚度计算 14-5 联轴器、离合器的类型 14-6 联轴器 14-7 离合器,主要内容,基本要求,了解轴的功用和类型，搞清转轴、心轴和转轴的载荷和应力特点； 了解轴的常用材料及性能； 掌握轴的结构设计要求和方法； 掌握轴的两种强度计算方法，即扭转强度计算和弯扭合成强度计算； 了解轴的刚度计算方法及轴的临界转速的概念； 掌握常用联轴器和离合器的类型、结构特点、工作原理和应用。,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； 传递运动和动力,类型,转轴-传递扭矩
2、又承受弯矩。,按承受载荷分有：,分类：,按轴的形状分有：,一、轴的用途及分类,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,类型,转轴-传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有：,按轴的形状分有：,传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩,固定心轴,火车轮轴,分类：,类型,转轴-传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有：,传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩,直轴,光轴,阶梯轴,按轴的形状分有：,一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴,分类：,类型,转轴-传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有：,按轴的形状分有：,传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩,
3、直轴,光轴,阶梯轴,曲轴,分类：,类型,转轴-传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有：,按轴的形状分有：,传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩,直轴,光轴,阶梯轴,曲轴,挠性钢丝轴,分类：,设计任务：选材、结构设计、工作能力计算。,二、轴设计的主要内容,轴的结构设计： 根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。,工作能力计算： 轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。,轴的设计过程：,选择材料,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。,三、 轴的材料,合金钢: 20Cr、20CrM
4、nTi、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,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。,一、拟定轴上零件的装配方案,装配方案：确定轴上零
5、件的装配方向、顺序、和相互 关系。,轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。,图示减速器输出轴就有两种装配方案。,圆锥圆柱齿轮二级减速器,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 。,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。,轴肩-阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。,定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。,轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。,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
6、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,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 C1 或 r R,b1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准),轴端挡圈,h(0.07d+3)(0.1d+5)mm或(23)C1, (23)R,装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。,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、过盈配合或型面联接等形式来实现。,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,
7、三、各轴段直径和长度的确定,确定轴段直径大小的基本原则：,最小轴径dmin的确定:,轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；,1. 按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。,4. 有配合要求的零件要便于装拆。,3. 安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。,2. 有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。,T扭矩 ，,T许用应力，,WT抗扭截面系数，,P功率，n转速，,d计算直径，,C材料系数。,标准直径应按优先数系选取：,优先数-表中任意一个数值。,大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000 。,常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。 配合轴段的直径 应由标准件和配
8、合性质确定。,1) 装配轴承,与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；( 20385 mm),与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套： 32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70 ,2) 装配联轴器,配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：,便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：,为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。,2) 配合段前端制成锥度；,3) 配合段前后采用不同的尺寸公差。,1) 在配合段轴段前应采用较小的直径；,1） 轴头的长度应比轮毂的宽度小23mm ，以保证固定可靠。,2） 轴颈的长度一般等于轴承的宽度。,轴段长度的确定原则,四、提高轴的强度的常用措施,
9、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。,Tmax= T1+T2,Tmax = T1,1.改进轴上零件的结构,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。,合理,不合理,2.合理布置轴上零件,轴径大,轴径小,3.改进轴的局部结构可减小应力集中的影响,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或过盈配合边缘处。,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、过
10、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。,毂上开卸载槽 应力集中系数可减少1525%,3）采取增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、 等也可以减小过盈配合处的局部应力。,4.改善轴的表面质量可提高轴的疲劳强度,1）表面愈粗糙疲劳强度愈低； 提高表面粗糙度；,轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响,2）表面强化处理的方法有：, 表面高频淬火；, 表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；, 碾压、喷丸等强化处理。,通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力。,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。在满足使
11、用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。,五、轴的结构工艺性,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。,例题：轴结构改错,14-3 轴的强度计算,一、 按扭转强度计算,对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：,设计公式为：,计算结果为：最小直径！,考虑键槽对轴有削弱，可按以下方式修正轴径：,轴径d100mm d 增大5%7% d 增大10%15%,注: 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩、载荷较平稳、无轴向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转, T取较大值， C取较小值; 否则T取较小值， C取较大值。,轴的材料 Q235-A3
12、, 20 Q275, 25 45 40Cr, 35SiMn 1Cr18Ni9Ti 38SiMnMo, 3Cr13,T(N/mm ) 1525 20305 2545 3555,C 149126 135112 126103 11297,表14-2 常用材料的T值和A0值,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。,二、 按弯扭合成强度计算,1) 轴的弯矩和扭矩分析,一般转轴强度用这种方法计算，其步骤如下：,水平面受力及弯矩图,铅垂面受力及弯矩图,水平铅垂弯矩合成图,扭矩图,二、 按弯扭合成强度计算,1) 轴的弯矩和扭矩分析,一般转轴强度用这种方法计算，其步骤如
13、下：,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。,弯曲应力：,扭切应力：,W-抗弯截面系数； WT -抗扭截面系数；,2) 轴的强度校核,按第三强度理论得出的轴的强度条件为：,因b和的循环特性不同， 折合后得：,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。,弯曲应力：,扭切应力：,代入得：,W-抗弯截面系数； WT -抗扭截面系数；,2) 轴的强度校核,按第三强度理论得出的轴的强度条件为：,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：,脉动循环状态下的许用弯
14、曲应力,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：,对称循环状态下的许用弯曲应力,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：,弯矩 弯曲变形,扭矩 扭转变形,变形量的描述：,挠度 y,、转角,、扭角,设计要求：,y y,1）弯曲变形计算,方法有：,1.按微分方程求解,2.变形能法,适用于等直径轴。,适用于阶梯轴。,复习材料力学相关内容。,14-4 轴的刚度校核计算,2）扭转变形计算,等直径轴的扭转角：,阶梯轴的扭转角：,其中：T-转矩；,Ip-轴截面的极惯性矩,l -轴受转矩作用的长度；,d -
15、轴径；,G-材料的切变模量；,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Ft=17400N, 径向力， Fr=6140N, 轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径d2=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,解：1) 求垂直面的支反力和轴向力,=Fa,轴的设计实例,2) 求水平面的支反力,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,6) 求F力产生的弯矩图,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：,8) 求轴传递的转矩,9)求危险截面的当量弯矩,扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数: =0.6,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，
