机械设计基础第十二章 轴和联轴器课件

1、第十二章第十二章 轴和联轴器轴和联轴器第一节第一节 轴轴 轴是机器中重要的零件之一，主要用来：支轴是机器中重要的零件之一，主要用来：支撑回转件并传递转矩撑回转件并传递转矩 T，承受弯矩，承受弯矩 M。一、轴的分类一、轴的分类 1、按承受载荷的情况分：、按承受载荷的情况分： 1）传动轴：只承受转矩）传动轴：只承受转矩 T。 2）心）心 轴：只承受弯矩轴：只承受弯矩 M。 3）转）转 轴：即承受弯矩轴：即承受弯矩 M，也承受转矩，也承受转矩 T。 2、按轴线形状分：、按轴线形状分： 1）直轴：又可分为光轴和阶梯轴。）直轴：又可分为光轴和阶梯轴。 2）曲轴：）曲轴： 3、按轴的刚性分：、按轴的刚性分

2、： 1）刚性轴）刚性轴 2）挠性轴（钢丝软轴）挠性轴（钢丝软轴）二、轴的一般设计步骤和主要内容二、轴的一般设计步骤和主要内容 （1）拟定轴上零件的布置）拟定轴上零件的布置（2）选择轴的材料）选择轴的材料（3）初步估算轴的直径）初步估算轴的直径（4）轴（轴系）的结构设计）轴（轴系）的结构设计（5）轴的强度校核）轴的强度校核（6）刚度（较细及跨度较大时）和临界转速校）刚度（较细及跨度较大时）和临界转速校核（高速时）核（高速时）（7）绘制轴的工作图）绘制轴的工作图 主要内容：主要内容：轴的设计包括结构设计和工作能力轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。计算两方面的内容。 轴的结构设计在轴设

3、计中占很大的比重，轴的结轴的结构设计在轴设计中占很大的比重，轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性。因此，合理地确定轴的结构形式和尺寸，作可靠性。因此，合理地确定轴的结构形式和尺寸，保证轴上零件的顺利安装、精确定位以及符合轴的制保证轴上零件的顺利安装、精确定位以及符合轴的制造工艺等是轴的结构设计的重要内容。造工艺等是轴的结构设计的重要内容。 轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动轴的工作能力计算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的

4、强度，这时只需要对轴进行强度计算，要取决于轴的强度，这时只需要对轴进行强度计算，以防轴发生断裂或塑性变形。特殊情况下，要进行刚以防轴发生断裂或塑性变形。特殊情况下，要进行刚度和稳定性计算。度和稳定性计算。 大多数轴受交变应力的作用，主要失效形式是疲劳大多数轴受交变应力的作用，主要失效形式是疲劳断裂，也有因过大的弹性变形或共振失效（高速）等。断裂，也有因过大的弹性变形或共振失效（高速）等。1、对轴的材料要求、对轴的材料要求 1）、要有较好的强度、韧性和耐磨性。）、要有较好的强度、韧性和耐磨性。 2）、要有良好的加工工艺性和经济性。）、要有良好的加工工艺性和经济性。2、常用材料、常用材料 常用碳素

5、钢、合金钢或球墨铸铁制造轴。常用碳素钢、合金钢或球墨铸铁制造轴。 1）碳素钢）碳素钢 价格低廉，主要用价格低廉，主要用45或或35号钢调质或正火号钢调质或正火处理，处理， 轻载和不重要的轴也可以用轻载和不重要的轴也可以用Q235、Q255等。等。三三 轴的材料和热处理轴的材料和热处理2）合金钢）合金钢 合金刚比碳钢具有更高的机械性能，合金刚比碳钢具有更高的机械性能，淬火性能好。通常用于重载、高速的重要轴或淬火性能好。通常用于重载、高速的重要轴或有特殊要求的轴，如耐高温、耐低温、耐腐蚀、有特殊要求的轴，如耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐磨损，要求尺寸小、重量轻但强度高等场合。耐磨损，要求尺寸小、重量轻

6、但强度高等场合。 常用常用40Cr、38CrSi、20CrMnTi、35SiMn、38CrMoAlA等，通过调质、表面淬火或渗碳淬等，通过调质、表面淬火或渗碳淬火等热处理方法提高强度，但材料对应力集中火等热处理方法提高强度，但材料对应力集中较敏感，结构设计时应注意。较敏感，结构设计时应注意。 在以刚度为主的重要轴，由于碳素钢与合金在以刚度为主的重要轴，由于碳素钢与合金 钢的弹性模量相差不大，故不宜选用合金钢。钢的弹性模量相差不大，故不宜选用合金钢。3）球墨铸铁）球墨铸铁 球墨铸铁铸造容易成型，且有廉价、良好球墨铸铁铸造容易成型，且有廉价、良好的吸振性、的吸振性、缓冲性缓冲性和耐磨性，以及对应力

7、集中和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，的敏感性较低等优点，但韧性低但韧性低、可靠性差。、可靠性差。用于制造结构较复杂、尺寸较大的轴，用于制造结构较复杂、尺寸较大的轴， 常用材料的主要性能见表常用材料的主要性能见表122 P211四、四、 轴的直径估算轴的直径估算1、心、心 轴轴 弯曲强度条件：弯曲强度条件：2、传动轴、传动轴 扭转强度条件：扭转强度条件：3、转、转 轴轴 扭转强度条件：扭转强度条件： 考虑弯矩的影响，适当降低考虑弯矩的影响，适当降低值。值。 )(MPaWM )(MPaWTp )(MPaWTp )(161055. 936MPadnPWTp式中：式中： T = 9.551

8、06 P / n (Nmm) Wp = d3/16 （对于圆截面）（对于圆截面） (mm3)得：得： 式中式中 C 只与材料有关，其值见表只与材料有关，其值见表12-3。 如有一个键槽，直径要加大如有一个键槽，直径要加大3%，两个加大，两个加大7% )(161055. 93336mmnPCnPd例题：传动比例题：传动比 i = 8 的一级齿轮减速器，高速轴的一级齿轮减速器，高速轴 d1=20 mm，低速轴，低速轴 d2=60mm，两轴的材，两轴的材 料，热处理方法相同，不计摩擦等损耗，料，热处理方法相同，不计摩擦等损耗， 按扭转强度条件设计时，哪一个强度高？按扭转强度条件设计时，哪一个强度高？

9、解：解： 如果等强度，如果等强度， d2 = 2 d1 d1=20 ， 则则 d2=40 ，为等强度，为等强度 现在现在d2=60， 所以所以 d2 强度高。强度高。28333213111322212innnPCnPCdd 轴的结构分析轴的结构分析基本要求：基本要求：（1）轴上零件有确定位置（周向定位和轴向定位）轴上零件有确定位置（周向定位和轴向定位）（2）轴受力合理，能可靠地传递力和转矩，有利于提）轴受力合理，能可靠地传递力和转矩，有利于提 高强度和刚度。高强度和刚度。（3）具有良好的工艺性）具有良好的工艺性（4）便于装配和调整）便于装配和调整（5）节省材料，）节省材料， 减轻重量减轻重量五

10、、轴的结构设计五、轴的结构设计1拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案2、零件在轴上的定位和固定、零件在轴上的定位和固定 轴上零件的定位是针对安装而言，使其安装轴上零件的定位是针对安装而言，使其安装一次到位，保证零件在轴上有一一次到位，保证零件在轴上有一个准确的位置。个准确的位置。 零件在轴上必须有牢靠的轴向固定和周向固定，零件在轴上必须有牢靠的轴向固定和周向固定，以防止工作时与轴发生相对轴向窜动和周向转动，以防止工作时与轴发生相对轴向窜动和周向转动，从而丧失工作能力。从而丧失工作能力。 1） 周向定位：键、销、过盈配合或螺钉联接。周向定位：键、销、过盈配合或螺钉联接。2） 轴向定位：轴

11、肩、轴环、套筒、挡圈、套筒、轴向定位：轴肩、轴环、套筒、挡圈、套筒、圆螺母、轴端挡圈等。圆螺母、轴端挡圈等。3、尺寸细节、尺寸细节 1) 轴上圆角要小于轮毂上圆角或倒角轴上圆角要小于轮毂上圆角或倒角 2) 轴上长度要小于轮毂上相应长度轴上长度要小于轮毂上相应长度23mm。 3) 与其他零件配合的尺寸，取标准值或整数。与其他零件配合的尺寸，取标准值或整数。 4) 非配合的尺寸，可以取非标准值，最好圆整非配合的尺寸，可以取非标准值，最好圆整5) 轴肩或轴环的高度一般不小于轴肩或轴环的高度一般不小于5，如果是，如果是 用于滚动轴承定位，则不能高于滚动轴承用于滚动轴承定位，则不能高于滚动轴承 内环的三

12、分之二。便于拆卸！内环的三分之二。便于拆卸！6) 各阶梯轴的个段加倒角，便于安装。各阶梯轴的个段加倒角，便于安装。7) 键槽应在同一个方向，避免重新对刀。键槽应在同一个方向，避免重新对刀。8) 加工螺纹或磨削时，要有退刀槽、砂轮越程加工螺纹或磨削时，要有退刀槽、砂轮越程 槽等。槽等。 9) 合理安排轴的零件，减轻轴的负荷。合理安排轴的零件，减轻轴的负荷。10) 减小应力集中，尽量避免端面形状的突然减小应力集中，尽量避免端面形状的突然 变化，避免开横孔、切口或凹槽、加大圆变化，避免开横孔、切口或凹槽、加大圆 角半径、角半径、 对于重要的轴，找出危险断面后，要进行对于重要的轴，找出危险断面后，要进

13、行强度校核，强度校核，对于不重要的轴，可按经验设计或对于不重要的轴，可按经验设计或类比法设计。类比法设计。 力的分析与简化：力的分析与简化： 一一. 支点的确定支点的确定 1. 带轮、齿轮和链轮等，将合力简化到轮宽中点。带轮、齿轮和链轮等，将合力简化到轮宽中点。 2. 轴承按类型定：径向轴承为宽度中点，角接触轴轴承按类型定：径向轴承为宽度中点，角接触轴承为外滚道接触点的法线和轴线的交点处，滑动轴承为承为外滚道接触点的法线和轴线的交点处，滑动轴承为油膜合力的中点！油膜合力的中点！ 二二. 轴上零件作用在轴上的力的简化（大小和方向）轴上零件作用在轴上的力的简化（大小和方向） 三三. 弯矩图和转矩图

14、的绘制（水平面、垂直面、合成）弯矩图和转矩图的绘制（水平面、垂直面、合成）六六 轴的强度计算轴的强度计算一、按弯扭合成法一、按弯扭合成法校核轴的疲劳强度校核轴的疲劳强度 由弯矩由弯矩 M 形成的弯曲应力为：形成的弯曲应力为： = = M / W ( W = d3/32) 由扭矩由扭矩 T 形成的扭转剪应力为形成的扭转剪应力为 ： = = T / Wp = T / 2W ( Wp = d3/16)按第三强度理论：按第三强度理论：WTMWTWM2222223244 转轴的转轴的 通常是对称循环的，但则通常是对称循环的，但则 视情况定视情况定须将不同循环的须将不同循环的 转化到与转化到与对称循环相当

15、的值，对称循环相当的值， 引入一个修正系数：引入一个修正系数： r 为应力特性系数为应力特性系数 （ r = minmin / / maxmax ） 对于不变的扭矩，对于不变的扭矩，r = 1 对于脉动的扭矩，对于脉动的扭矩，r = 0对称循环的扭矩，对称循环的扭矩，r = -1brb1 3 . 011bb6 . 001bb111bbbWTM1223)(按弯扭合成法按弯扭合成法校核轴的强度条件为：校核轴的强度条件为：以此公式计算心轴时，以此公式计算心轴时，T = 0。第二节第二节 联轴器、离合器和制动器联轴器、离合器和制动器一、一、 概述概述 联轴器和离合器是把机器中的两根轴联接联轴器和离合器

16、是把机器中的两根轴联接起来起来, ,使之一同回转，以便传递动力和运动的常使之一同回转，以便传递动力和运动的常用部件。用部件。 例如例如: :汽车柴油机与变速箱之间联轴器汽车柴油机与变速箱之间联轴器, ,变变速箱与后桥之间联轴器；速箱与后桥之间联轴器； 机床转挡离合器；机床转挡离合器；电机与减速箱之间的联轴器。电机与减速箱之间的联轴器。 根据工作特性分为：根据工作特性分为： 1 1联轴器：联轴器： 把两根轴牢固的联接在一把两根轴牢固的联接在一起起, ,在工作过程中不能分离。在工作过程中不能分离。 2 2离合器：离合器： 根据工作需要，随时可将根据工作需要，随时可将两轴联接或分离。两轴联接或分离。

17、 3 3安全联轴器和安全离合器安全联轴器和安全离合器 机器工作时机器工作时, ,如果扭矩超过规定值如果扭矩超过规定值, ,能自能自动断开或分离动断开或分离, ,以保证机器中的主要部件防止过以保证机器中的主要部件防止过载而损坏。载而损坏。 联轴器和离合器已标准化，所以要求只需联轴器和离合器已标准化，所以要求只需掌握不同类型联轴器和离合器的特点及其选用掌握不同类型联轴器和离合器的特点及其选用原则和方法，以便根据使用要求进行选择。原则和方法，以便根据使用要求进行选择。 一）、刚性联轴器一）、刚性联轴器 1、套筒联轴器、套筒联轴器 结构简单，制造成本低，结构简单，制造成本低，径向尺寸小，但拆装不方便，

18、适用于两轴同轴度高，径向尺寸小，但拆装不方便，适用于两轴同轴度高，工作平稳，转速不高（一般速度小于工作平稳，转速不高（一般速度小于 250 rpm）的场）的场合！合！ 2、夹壳联轴器、夹壳联轴器 由两个半圆形的铸铁夹壳组成并用螺栓锁紧，主由两个半圆形的铸铁夹壳组成并用螺栓锁紧，主要靠摩擦力传递扭矩，为传动可靠，可加一平键。特要靠摩擦力传递扭矩，为传动可靠，可加一平键。特点：拆装方便，结构简单，传递力矩不大，一般用于点：拆装方便，结构简单，传递力矩不大，一般用于d d200mm200mm的轴。的轴。一、一、 联轴器联轴器3、凸缘联轴器、凸缘联轴器 由两个带有凸缘的半联轴器由两个带有凸缘的半联轴器

19、用螺栓联接而成，半联轴器轴用用螺栓联接而成，半联轴器轴用键联接。键联接。 对中形式：凸肩对中对中形式：凸肩对中(YLD(YLD型型) )对中性好；剖分环对中对中性好；剖分环对中(YL (YL 型型 ) )，装拆方便。装拆方便。 螺栓联接：精制螺栓联接螺栓联接：精制螺栓联接, , 靠摩擦力传力；铰靠摩擦力传力；铰制孔用螺栓，紧配合靠挤压剪切传力。制孔用螺栓，紧配合靠挤压剪切传力。 常用材料：铸铁或碳钢常用材料：铸铁或碳钢 重载或重载或 V V30m/s30m/s时，应用铸钢或锻钢。时，应用铸钢或锻钢。 特点：结构简单特点：结构简单, ,能传递较大的扭矩能传递较大的扭矩, ,应用很广应用很广, ,

20、适用于轴的刚性大适用于轴的刚性大, ,对中性较好的场合。对中性较好的场合。二、挠性联轴器二、挠性联轴器 因具有弹性元件，所以除可以补偿位移外，因具有弹性元件，所以除可以补偿位移外，还可以缓冲吸振，适用于起动频繁高速变载以还可以缓冲吸振，适用于起动频繁高速变载以及经常正反转的场合。及经常正反转的场合。 弹性元件弹性元件 a. a. 定刚度金属材料定刚度金属材料 b. b. 变刚度金属材料变刚度金属材料 c. c. 变刚度非金属材料变刚度非金属材料-吸振性好，可吸振性好，可减少共振的可能性减少共振的可能性1）无弹性元件的无弹性元件的挠性联轴器挠性联轴器 l l、十字滑块联轴器、十字滑块联轴器 由两

21、个带有凹槽的半联轴器和一个两端面由两个带有凹槽的半联轴器和一个两端面均带有相互垂直齿牙的圆盘组成。均带有相互垂直齿牙的圆盘组成。 常用材料：常用材料：4545号钢，工作表面经热处理号钢，工作表面经热处理 适用于转速适用于转速 n n250rpm250rpm，轴的刚性大的场，轴的刚性大的场合。合。l l、弹性圈柱销联轴器、弹性圈柱销联轴器 其构造与凸缘联轴器相似，只是把联接螺栓换其构造与凸缘联轴器相似，只是把联接螺栓换上带有弹性圈的栓销上带有弹性圈的栓销 材料：半联轴器材料：半联轴器: HT200: HT200或或3030，3535，柱销，柱销: 45 : 45 弹性圈弹性圈: :耐油橡校，做成

22、梯形剖面耐油橡校，做成梯形剖面使用条件使用条件: :工作温度一工作温度一202050,50,安装时留有轴向间隙安装时留有轴向间隙最大外径速度最大外径速度 V V30m/s30m/s。 这种联轴器已标准化这种联轴器已标准化, ,可根据了可根据了T T、n nmaxmax以及轴的以及轴的直径选取直径选取. . 2）有弹性元件的有弹性元件的挠性联轴器挠性联轴器2 2、尼龙柱销联轴器、尼龙柱销联轴器 用尼龙柱销代替弹性圈柱销用尼龙柱销代替弹性圈柱销使用条件使用条件: :工作温度工作温度 -20-207070 结构更简单，更换方便，寿命长，效果结构更简单，更换方便，寿命长，效果比弹性圆柱销好。比弹性圆柱

23、销好。 己标准化，与己标准化，与同尺寸的弹性圈柱同尺寸的弹性圈柱销联轴器比，传递销联轴器比，传递力矩能力大。力矩能力大。3 3、轮胎联轴器、轮胎联轴器 由两个半联轴器，轮胎、压板联接螺钉组由两个半联轴器，轮胎、压板联接螺钉组成成 特点：弹性变形特点：弹性变形大，寿命长，不需润大，寿命长，不需润滑，径向尺寸大，适滑，径向尺寸大，适用于起动频繁双向运用于起动频繁双向运转潮湿多水处。转潮湿多水处。4 4、梅花形弹性联轴器、梅花形弹性联轴器 两半联轴器上均有凸爪，中间装梅花形状两半联轴器上均有凸爪，中间装梅花形状的橡胶块。的橡胶块。 特点：有较大的补偿两轴相对偏移的能力，特点：有较大的补偿两轴相对偏移

24、的能力，减振、耐磨性能较好。工作温度在减振、耐磨性能较好。工作温度在 -35-358080。 汽车、拖拉机、机床上均装有离合器，它汽车、拖拉机、机床上均装有离合器，它的作用是随时将联接的两轴分离或接合，对离的作用是随时将联接的两轴分离或接合，对离合器的主要要求就是接合、分离迅速平稳，耐合器的主要要求就是接合、分离迅速平稳，耐磨性好，散热性能好。磨性好，散热性能好。 离合器可分为离合器可分为操纵式离合器操纵式离合器和和自动式离合器自动式离合器。 二、二、 离合器离合器一、操纵式离合器一、操纵式离合器 1、牙嵌式离合器、牙嵌式离合器 由两个端面上带有牙的套筒组成，套筒由两个端面上带有牙的套筒组成，

25、套筒 l l固定在主固定在主动轴上，套筒动轴上，套筒2 2安装在从动轴上，并可沿轴上的导键做安装在从动轴上，并可沿轴上的导键做轴向移动，达到接合和分离的目的。这种离合器采用轴向移动，达到接合和分离的目的。这种离合器采用对中环对中对中环对中, ,将移动套筒放在从动轴上将移动套筒放在从动轴上, ,只有在停车或只有在停车或转速很低时方可嵌入连接（转速很低时方可嵌入连接（n n10 r/min10 r/min）。）。 常采用梯形牙常采用梯形牙(3(31515个个) ) 容易嵌合，牙根强度大，容易嵌合，牙根强度大，能传递大能传递大的扭矩，的扭矩，能自动补能自动补偿牙的磨偿牙的磨损和间隙。损和间隙。2、摩

26、擦式离合器、摩擦式离合器 1）单盘式单盘式 由两个摩擦盘组成，依靠两圆盘接触由两个摩擦盘组成，依靠两圆盘接触面间的摩擦力来传递扭矩。面间的摩擦力来传递扭矩。 2 2）多盘式）多盘式 一组外摩擦盘插入固连在主动轴的一组外摩擦盘插入固连在主动轴的外鼓轮外鼓轮2 2的纵向槽内，一组内摩擦盘套在沿从动轴滑移的纵向槽内，一组内摩擦盘套在沿从动轴滑移的套筒凸齿上，借助于的套筒凸齿上，借助于曲臂压杆曲臂压杆8 8压板压板9 9，使，使所有内外摩擦盘压紧所有内外摩擦盘压紧在调节螺母上使离合在调节螺母上使离合器处接合状态。器处接合状态。 摩擦离合器的操纵摩擦离合器的操纵方法：机械、电磁、方法：机械、电磁、气动、液动等。气动、液动等。3、超越式离合器、超越式离合器 1）、滚柱式）、滚柱式 2）、偏心凸轮式）、偏心凸轮式 4、离心式离合器、离心式离合器 钢壳外簧弹珠轴溜溜球工作原理溜溜球工作原理 离心式离合器离心式离合器三、三、 安全联轴器、安全离合器安全联轴器、安全离合器 通过联接件的折断、脱开、打滑从而使联轴器或离通过联接件的折断、脱开、打滑从而使联轴器或离合器自动停止工作达到过载保护的目的。合器自动停止工作达到过载保护的目的。 如：如：剪切销剪切销安全联轴器安全联轴器 过载时销被剪断，销材料过载时销被剪断，销材料4545号淬火或高碳工具钢，号淬火或高碳工具钢，销装入两段钢制套管内。按剪切强度