第10章轴及其连接

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1、1,第10章 轴与联轴器,联轴器与离合器的选用,轴的设计,2,10.1 轴的分类及设计要点,10.2 轴的常用材料,10.3 轴径的初步计算,10.4 轴的结构设计,第 10 章 轴 及 其 连 接,目录,10.5 轴的工作能力校核计算简介,10.6 轴的连接,3,10.1 轴的分类及设计要点,轴：穿在轮子中间的圆柱形物体。,轴的作用：,(1)支持旋转零件； (2)传递运动和动力。,10.1.1 基本概念,4,10.1.2 轴的分类,(1)根据轴所受载荷分类,1)心轴：仅用来承转动零件，而不传递动 力，因此只受弯曲作用。,心轴可以是转动的； 也可以是固定不动的。,5,自行车 前轮轴,固定心轴：

2、,转动心轴：,火车轮轴,6,2)转轴：既支承转动零件，又传递运动和动力， 因此既受弯曲又受扭转两种作用。,7,3)传动轴：仅传递运动和动力，因此只受 扭转作用。,8,传动轴,9,(2)根据轴的结构形状分类,直轴：,光轴：一般用于轴上无零件的传动轴。 阶梯轴：零件可以进行轴向定位。,10,曲轴:,11,(1)根据工作要求选择合适的材料； (2)轴径的计算； (3)进行轴的结构设计； (4)进行轴的强度校核计算，必要时还要进行刚度、振动等稳定性校核计算。,10.1.3 轴的设计步骤：,12,10.2 轴常用的材料,常用材料：35、45、50,10.2.1 碳素钢,最常用材料：45,常用热处理：正火

3、或调质处理,13,40Cr、35SiMn、40MnB,10.2.2 合金钢,低碳合金钢：20Cr、20CrMnTi,中碳合金钢：,调质处理,渗碳 淬火+低温回火,14,常用材料：QT400-10、QT450-5,10.2.3 球墨铸铁,应用：曲轴,特点：成本低廉、强度较高、吸振性较好、 应力集中的敏感性较低和易切削等 优点，但铸件品质不易控制、可靠 性稍差。,15,10.3 轴径的初步计算,对于传动轴，强度条件为：,最细处的直径,圆整至系列尺寸,16,例10-1 试计算如图10-2所示的搅拌轴直径。已知：搅拌轴的功率为2.2kW, 轴的转数n=60r/min。,考虑到搅拌时介质腐蚀等影响，故按

4、表10-3取搅拌轴的最小直径为40mm。,解：(1)选取轴的材料为45钢，由于搅拌轴主要承受扭矩，故由表10-2取A为较小值，取A=107。,(2)由式(10-2)得,17,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,设计要求：,(1)轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；,(2)轴和轴上零件要有准确的工作位置；,(3)各零件要牢固而可靠地相对固定；,(4)改善应力状况，减小应力集中。,10.4 轴的结构设计,18,单级齿轮减速器轴上零件的定位和固定,19,(1)轴向定位,10.4.1 轴上零件的定位与固定,轴肩,轴环,20,无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定,装在轴端上的零件往往

5、采用轴端挡圈固定,21,轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。,弹性挡圈,紧定螺钉,22,轴上零件一般均应作双向固定。,23,轴肩与轴环的尺寸要求:,r C1 或 r R,h(0.07d+3)(0.1d+5)mm,24,(2)周向固定,形式：平键、花键、过盈配合、销连接、紧钉螺钉,平键：,25,半圆键,滑键,26,钩头楔键,27,键槽应设计成同一加工直线,花键,28,过盈配合,29,销连接,30,紧定螺钉,31,10.4.2 轴的加工与轴上零件装拆的要求,1)轴的直径变化应尽可能少，这样既节省材料， 可减少切削加工量； 2)轴上有磨削或切制螺纹处，要留砂轮越程槽或 螺纹退刀槽； 3)轴上

6、有多个键槽时，应将它们开在同一直线上。,(1)为了便于轴的加工,32,33,(2)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； 轴端倒角。,34,35,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)增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。,10.4.3 减少应力集中的措施,36,10.5 轴的工作能力校核计算简介,10.5.1 轴的强度校核计算,一般用途的轴：按工程力学中弯曲和扭转组合强 度的当量弯矩法核算其强度。,对于重要的轴：先按当量弯矩法核算其强度， 再用许用安全系数法核算其疲劳强度。,当量弯矩

7、法：按弯曲和扭转组合强度进行核算。其核算一般步骤为:,(1)作轴的空间受力简图；,图。 （4）作扭矩T图。 （5）按当量弯矩校核轴的强度：,(4)作转矩T图；,(5)按当量弯矩校核轴的强度：,(3)作全弯矩 图；,(2)作水平面受力图及弯矩图MH、 MH图；,38,1)确定危险截面：根据弯矩、转矩最大或弯矩、转 矩较大，而轴截面尺寸较小的原则确定一个或几个 危险截面。,2) 求危险截面的当量弯矩,3)强度校核：实心圆轴上危险截面应满足,强度条件：,39,10.5.2 轴的刚度计算,刚度：轴抵抗变形的能力。,轴的变形：弯曲变形和扭转变形。,yy ,弯曲变形：,扭转变形：,40,10.5.3 轴的

8、振动稳定性概念,不稳定振动：对于一定材料、形状和尺寸的轴，当 转速达到某一特定值时，轴将进入不 稳定的工作状态而发生显著的反复变 形的现象。,外载荷：轴在旋转时，轴及轴上零件的重心偏移回 转轴线产生的不平衡的离心力。,共振：当外载荷的频率和轴系统的固有频率相同时， 轴将产生激烈振动，称为共振。,41,改变临界转速的方法：通过调整轴的刚度。,临界转速ncr：轴产生共振时的转速。,轴的临界转速：从低速到高速依次为一阶、 二阶、 三阶等。,共振后果：能使轴乃至整机破坏。,刚性轴: n0.75ncr1 挠性轴: 1.4 ncr1n0.7 ncr2,轴的振动稳定性条件为：,42,10.6 轴的连接,被连

9、接两轴间相互位置的变化:,(1)轴向位移； (2)径向位移； (3)角位移； (4)综合位移。,联轴器的基本要求:,(1)适应被连接两轴间相互位置和变化； (2)具有吸收振动、缓和冲击的能力； (3)具有较大传递转矩的能力。,43,(1)固定式联轴器,10.6.1 联轴器,1)套筒联轴器,结构：套筒把两根轴线重合的轴连接起来，轴 与套筒间用键或销固定。,特点：结构简单、径向尺寸小、成本低，但装拆不 便。,应用：工作平稳、两轴能严格对中并要求径向尺寸 小的场合。,44,2)凸缘联轴器（GB/T5843）,结构：由两个带凸缘的半联轴器组成，半联轴器分别由键 与两轴连接，然后两半联轴器用螺栓连接。,

10、优点：结构简单、制造方便、能传递较大的转矩。,缺点：传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动，安装要求高。,原理： (1)普通螺栓连接：依靠接触面的摩擦力传递转矩。 (2)铰制孔螺栓连接：依靠铰制孔螺栓传递转矩。,常用材料：v50m/s, ZG270- 500或碳素钢：35。,45,普通型,凹凸榫对中型,靠铰制孔用螺栓来实现两轴对中，靠螺栓杆承受挤压与剪切来传递转矩。,靠半联轴器上的凸肩与凹槽相配合而对中，采用普通螺栓连接，转矩靠半联轴器接合面的摩擦力矩来传递。,46,如果轴端是锥形，轴端需加锁紧螺母固定联轴器。,47,结构： 由两半圆筒形 的夹壳组成，并 用螺栓锁紧。,3)夹壳联轴器,48,优点：装

11、拆方便、拆卸时不需要作轴向移动。,缺点：传递载荷时不能缓和冲击和吸收振动。,原理：依靠轴与夹壳间的摩擦力来传递转矩。,适用：低速，一般v5m/s。,常用材料：HT200，HT400。,49,(2)可移式刚性联轴器,十字滑块联轴器 齿式轮联轴器 万向联轴器,原理：利用具有自身具有相对可动的元件或间隙， 以补偿被联接两轴之间的相对位移。,特点：对两轴的对中性要求不高，由于没有弹性元 件，所以不能减振。,类型,50,(3)弹性联轴器,原理：仍依靠螺栓传递转矩。,用有弹性的柱销代替了刚性的螺栓,1)弹性套柱销联轴器(GB/T5014),51,优点：制造容易、装拆方便、 成本较低，能缓 和冲击和吸收振动

12、；补偿量较大。,缺点：两轴对中性差；但弹性套易磨损、寿命较 短。,适用场合：载荷平稳、启动频繁及换向的中、小 功率传动。常用于电动机与机器的连接。,设计安装：留出安装柱销的空间尺寸。,常用材料：柱销 35钢； 半联轴器HT200或ZG270-500； 弹性套耐油橡胶。,v25m/s,v36m/s,52,结构：采用简单的尼龙或橡胶棒来代替弹性套和柱 销，为防止柱销脱落，在两端加档板。,2)弹性柱销联轴器(GB/T5014),53,优点：有一定的减振作用和补偿能力。,缺点：两轴对中性差。,原理：依靠弹性柱销传递转矩。,应用：不适用于对减振要求高和 对噪声要严加控制的部位。,弹性柱销联轴器,54,(

13、4)联轴器的选择,1)联轴器类型的选择,载荷的大小及性质； 轴转速的高低； 两轴相对位移的大小及性质； 工作环境及允许空间等。,主要考虑:,55,2)联轴器型号及尺寸的确定,根据直径、转速及计算扭矩从有关标准中选择型号和尺寸。,计算转矩 Tc=kT,名义载荷,载荷系数,56,10.6.2 离合器,应用：车辆运输装备。,操纵离合器 自动离合器,特点：用离合器联接的两轴在运转过程中能做 到按需要随时分离或接合。,分类：,啮合式 摩擦式,牙嵌式 转键式 滑键式 齿轮式,圆盘摩擦式 圆锥摩擦式,安全式 离心离式 超越式,按工作原理,57,(1)操纵离合器,定义：通过操纵使之达到分离或接合，一般 由机械

14、杠杆机构来实现。,1、3-半离合器；2-对中环；4-滑环,牙嵌离合器：,58,1-主动轴；2-从动轴；3、4-摩擦环；5-操纵杆,单盘摩擦离合器,59,特点：当所传递的转矩超过一定数值时能自动分离， 以保证不发生过载现象。,(2)自动离合器,自动离合器：是一种能根据装备运动或动力参数（如 转矩、转速或转向）的变化而自动完成 接合或分离的离合器。,安全离合器：,60,离心离合器：,是通过转速变化、利用离心力的作用来控两轴的接合和分离。,1-轴套；2-外鼓轮；3-瓦块；4-板弹簧；5-螺钉,61,特点：是一种利用装备本身转速、转向的变化来 控制两轴的接合和分离的离合器。,超越离合器:,1-主动轴；2-从动轴；3、4-摩擦环；5-操纵杆,62,小 结,1.轴的功用、分类和设计步骤。,2.轴的常用材料。,3.轴径的初步计算方法。,4.轴的结构设计。,5.轴的强度校核(当量弯矩法)、刚度计算以 及振动稳定性概念。,6.轴的连接-联轴器和离合器的分类、特 点及选择。,