课件及视频第12章轴和联轴器

1、机械设计基础（BIT）-by第十二章轴和联轴器第一节轴第二节联轴器、离合器和制动器机械设计基础（BIT）-by第一节轴一、轴的用途及分类二、轴设计的主要内容三、轴的材料和热处理四、转轴的初算直径 五、轴的结构设计六、轴的强度计算机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类（一）用途1.支承做回转运动的零件（如凸轮、齿轮、带轮及联轴器等），其具有确定的工作位置。2.传递运动和动力。机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、

2、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类汽轮机转子的加工机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类小龙潭水电站空心大

3、轴的加工机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类深孔钻的加工20110509-11W-28T-56H机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类二、分类1.根据轴线形状光轴阶梯轴空心轴（1）直轴光轴齿轮轴空心轴机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类（2）曲轴：往复式运械，发曲轴（3）挠性轴：应用于狭窄空间中的运动传递机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类2.根据轴所受载荷性质分类转动心轴固定心轴（1）心轴只承受弯矩的轴固定心轴转动心轴机械设计基础（BIT）-by一、轴的用途及分类（2）传动轴只承受转矩的轴（3）转轴既承受弯矩，又承受转矩的轴OK-W12-27T09120

4、7-14W-28T-56H机械设计基础（BIT）-by二、轴设计的主要内容1.设计内容：结构设计和工作能力计算。2.设计步骤材料选择估算最小直径结构设计（确定轴的结构形式和尺寸，保证轴上零件顺利拆、装和调整、精确定位、使轴受力合理及具有良好的加工工艺性等）轴）校核，高速下稳定性校核强度校核、刚度（重要绘制零件图。机械设计基础（BIT）-by三、轴的材料和热处理对轴材料的性能要求具有足够的强度；对应力集中敏感性小；良好的加工工艺性和经济性。轴的常用材料轴的常用材料为碳素钢、合金钢。碳素钢合金钢价格便宜，对应力集中敏感性小，应用最广。如45调制。机械强度高，热处理性能好，淬火性好。如40Cr40C

5、rNi，42o等调制处理； 20nTi渗碳淬火。常用于高速、重载，要求结构紧凑，耐磨性好的工况下。铸铁性好,吸振性耐磨性强,对应力集中敏感性较低，易得到复杂结构。机械设计基础（BIT）-by四、轴的初算直径(一)类比法参考同类型已有机器的轴的结构和尺寸，并进行分析对比，从而最终确定所设计的轴的直径。(二)经验公式法轴通过联轴器相连，其直径d可按对于一般器，高速输入轴与电照公式d =(0.81.2)D来估算（其中D为电外伸轴的轴端直径）。而各级低速轴的直径d可根据公式：d=（0.30.4）a来进行估算，式中a为同级齿轮传动的中心距。机械设计基础（BIT）-by四、轴的初算直径(三)扭转强度法6

6、P1055 9T . 1.扭转强度条件3W0.2dnT55 0.2 69.10PPnd 3 C32.直径设计公式3nP: 轴所传递的功率（kW）n: 轴的转速（r/min）:轴材料的许用切应力（MPa）C: 与轴材料有关的系数。参见P213表12-3。注意：当轴上有一个键槽时，轴径增大45，有两个键槽时，轴径增大710。增大轴径后，应将其圆整为标准直径。20100517-11W-28T-56H机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计主要任务是根据工作条件和要求，合理确定出轴的具体结构形状和全部尺寸。组成081210-16W-28T-56H机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计轴结构设

7、计时应满足的要求（1）轴上零件应便于装拆和调整。（2）轴上零件应定位准确，固定可靠。（3）轴应具有良好的加工和装配工艺性。（4）轴应受力合理，尽量减小应力集中，并有利于提高轴的强度和刚度。OK-W12-28T机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（一）拟定轴上零件的装配方案（二）轴上零件的定位（三）确定各轴段直径和长度（四）轴的结构工艺性（五）提高轴的强度机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计201405013-11W-29T-58H（一）轴上零件的装配方案确定主要指确定装配方向和装配顺序-仿真装配方案一方案二机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计中低速级小齿轮轴的结构设计简

8、图1-轴端档圈；2-V带轮；3-轴承盖；4-滚动轴承；5-套筒；6-平键；7-齿轮机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（二）轴上零件的定位定位：键、花键、过盈配合、销和紧定螺钉等轴向定位：轴肩、轴环：用于轴向力比较大的场合。套筒：用于零件之间尺寸较小的场合，与轴间隙配合。 圆螺母 +止动垫片：用于较大轴向力的轴端及不宜用定位套筒的场合。轴端挡圈：用于轴端。弹性挡圈：轴向力不太大场合紧定螺钉：轴向力不太大场合机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（二）轴上零件的定位与固定1.轴上零件的轴向定位与固定（1）轴肩与轴环rc, rRh（0.070.1）d，b1.4h简单可靠，能承受较大载

9、荷。机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（2）套筒两零件相隔距离L不大时，用套筒作轴向固定零件，结构简单，可减少轴的阶梯数。但不适用轴的转速较高的场合机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（3）圆螺母固定可靠，可承受大的轴向力。用于轴上相邻两零件距离较远时零件的轴向固定，这样可避免采用过长的套筒，以减轻质量。但轴上须切制螺纹和退刀槽，一般用细牙螺纹，由于应力集中较大，故常用于轴端零件的固定。机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（4）轴头用圆锥面配合可使轴和轮毂间无径向间隙，能承受冲击及振动载荷，定心精度高，拆卸容易。但加工圆锥表面配合比较轴端挡圈（又称压板），用于轴端零件

10、的固定，可承受较大轴向力机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（5）轴端挡圈适用于心轴轴端零件的固定，只能承受较小的轴向力机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（6）弹性挡圈结构简单、紧凑，只能承受较小的轴向力，且可靠性差，常用于滚动轴承的轴向固定机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（7）紧定螺钉紧定螺钉适用于轴向力很小，转速很低或仅为防止偶然轴向滑移的场合。同时可起固定作用20120507-11W-29T-58H机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计2.轴上零件的定位与固定花键连接键连接销连接型面连接过盈连接弹性环连接机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计(三

11、)、各轴段直径和长度的确定1.如何确定各轴段的直径确定原则和方法：零件在轴上的定位与装配方案确定后，轴的形状便已经大体确定，这时各轴段所需的轴径大小与轴上的载荷有关，这时一般按照轴所受扭矩确定的轴段的最小直径 dmin为基准，然后按照装配方案和定位要求依次确定个轴段直径大小，直到最后轴的强度校核成功为止。20130515-12W-30T-60H20110511-11W-29T-58H机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计注意事项：与标准零件（如滚动轴承、联轴器、密封圈等）有配合要求的轴段，应按照所选择的标准件的孔的公称直径来确定该轴段直径大小。例如安装滚动轴承处轴段的直径必须等于所选滚动

12、轴承的内孔直径。与非标准零件（如齿轮、带轮等）有配合要求的轴段，其轮毂孔径大小应该与该轴段直径大小一致进行设计。无配合要求的轴段直径取为整数值。例如，轴上安装齿轮处齿轮毂孔的直径必须等于该轴段的直径。且要满足轴段长度小于与之配合的轮毂长度。（3）为提高安装工艺性，使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少对配合表面的擦伤，装配轴段前应设计非定位轴肩，整个轴系应设计成中间大、两头小的阶梯轴。(4)为便于滚动轴承的拆卸，安装滚动轴承处的定位轴肩高度不应高于轴承内圈厚度的2/3，具体尺寸可查阅相关滚动轴承标准。20130515-12W-30T-60H20110511-11W-29T-58H机械设

13、计基础（BIT）-by五、轴的结构设计机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计2.确定各轴段的长度各轴段长度尺寸，主要由轴上零件与轴配合部分的轴向尺寸、相邻零件间距离、轴向定位及轴上零件的装配和调整空间等决定。l1l2（23）mm机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计(四)、轴的结构工艺性在满足要求的情况下，轴的结构应尽量简单，阶梯数尽可能少，以减少加工时间和减小应力集中。同一轴有多个轴段上设有键槽时，键槽应开在轴的同一条母线上，以保证工件一次装夹即可完成多个键槽的加工，减少了工时间。（3）当轴段上需要进行磨削加工或螺纹加工时，应留有砂或退刀(a)砂(b)螺纹退刀槽机械设计基础（BI

14、T）-by五、轴的结构设计（4）同一轴上所有的过渡圆角、倒角、退刀槽、砂以及中心孔等尺寸应尽可能时间，并便于检验。，以减少所需刀具数目和换刀（5）轴端及部分轴段端部应制成倒角，以防止锐棱或毛刺划伤轴上零件的配合表面，也便于装配。（6）在满足要求的情况下，轴的加工精度应尽可能低，以降低加工成本。机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计（7）当轴与轴上零件采用过盈配合时，若配合轴段的装入端过长，则可采用非定位轴肩结构、同一轴段不同部位选用不同的尺寸公差或在装入端加工出导向圆锥面。20120509-11W-30T-60H机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计(五)提高轴强度的常用措施1合理

15、布置轴上传动零件的位置当动力需以两个轮输出时，为了减小轴上的转矩，尽量将输入轮布置在中间，图a轴上受的最大转矩为T1；在图b的结构中，轴上最大转矩为T1+ T2。轴所受转矩小输入轮布置在中间轴所受转矩大输入轮布置在一端机械设计基础（BIT）-by五、轴的结构设计2合理设计轴上零件的结构图a的方案大齿轮和卷筒联在一起，转矩经大齿轮直接传给卷筒，这样，卷筒轴只受弯矩而不受转矩，在起重同样载荷F时，轴的直径可小于图b的结构。(a)大齿轮安装在卷筒上（轴只承受弯矩而不承受扭矩-心轴）(b)大齿轮安装在卷筒轴上 (轴既受弯矩又受扭矩转轴)3.改进轴的结构，减少应力集中;4. 改进轴的表面质量，以提高轴的

16、疲劳强度。20100519-11W-29T-58H081212-16W-29T-58H091209-14W-29T-58H机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算13241. 方法弯扭法（一般用途轴）；安全系数法（重要轴）。建立力学模型。计算弯矩，并画出弯矩图。计算转矩T，并画出转矩图。弯扭法4. 确定截面，根据第三强度理论校核轴的强度2 M 2T 4 4d 322d 3W1caW W WT T1632对于圆轴（表12-5） T 2 M 2W=2W 4T 4221ca W WT ( 2T)2M ca1W机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算1324 T2圆轴校核公式：2M ca1W轴

17、产生的弯曲应力一般为对称循环应力。而由扭矩产生的扭转切应力不一定为对称循环应力，因此，引入修正系数（折合系数）。轴所受转矩稳定不变时，可视为静应力=0.3，轴单向转动时，可视为脉动循环应力=0.60 ，对于经常正、反转的轴，视为称循环应力=1。机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算13242. 步骤画出轴的受力计算简图，求取支反力。确定支反力的作用点（近似取轴承宽度的1/2处)、确定轴上载荷的大小、方向及作用点，将轴上的力分解为水平面（下标用H表示）和垂直面（下标用V表示），分别求各面支反力。及垂直面弯矩 M V ，分别绘制两平面的MH计算水平面弯矩弯M矩M 22V弯矩图。计算,M 并绘

18、制弯矩图。H计算转矩T并绘制转矩图。(M2)2计算当量弯矩MT,并绘制当量弯矩图。ca确定截面，按弯扭法校核轴的强度。机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算已知：两级斜齿圆柱齿轮传动器示意图轴的传递功率P=15kW，转速n 500r/min ，齿轮2、3的分度圆直径分别为： d2286mm，d392mm，宽度分别为： B2 75mm ， B3 115mm，螺旋角11 5 88试设计中间轴的轴系结构机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算1.选择轴的材料及热处理方式6B4035S 5MPaMPa MPa MPaMPa271 51515 1 6045钢，调质，查表12-2机械设计基础（B

19、IT）-by六、轴的强度计算2.最小轴径估算dPC3nP=15kW, C=115n500r/min15 120 3 35.73mm500取dmin40mmdmin机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算3.轴的结构设计（1）确定轴上零件的装配方案。机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（2）确定各轴段的直径由于斜齿轮会产生轴向力，因此，支承选用角接触球轴承7308C，此轴段（左轴颈）直径取为d140mm。为了便于齿轮2的装拆，并不损伤左轴颈表面，与齿轮2配合的轴段直径取为d245mm。3）齿轮2右端用轴肩实现轴向定位，轴肩高度h(0.070.1)d23.154.5。因此，轴肩处直径取

20、为d355mm。（文图不对应错误）机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（2）确定各轴段的直径4）由于齿轮3的直径较小，符合设计为齿轮轴结构的条件。其齿根圆直径df3=84.5mm。与左轴颈一样，右支承也选用相同的角接触球轴承7308C，因此，此轴段（右轴颈）直径取为d4d1=40mm。齿轮3与右轴颈之间采用轴肩过渡，为便于右轴承的左端轴向定位，取该轴段直径为d550mm。机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（3）确定各轴段的长度1）取右轴颈d4轴段的长度等于轴承7308C的宽度（经查表为23mm）。2）考虑到齿轮端面距离器箱体内壁的距离应不小于箱体壁厚（考虑到铸造工艺，壁厚应8

21、mm），因此，取d5轴段长度为20mm。3）齿轮3处轴段即为其宽度，根据已知条件，该段长度为115mm。071213-15W-22T-55H机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（3）确定各轴段的长度取d3轴段处长度为10mm。已知齿轮2的宽度为75mm，则d2轴段长度应比其小12mm，取该轴段长度为73mm。6）与 2）同，齿轮2左端面也应距箱体内壁至少8mm，同样取其与左轴承右端面距离为20mm，因此，d1轴段的长度为（23202）45mm。071213-15W-22T-55H机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（4）确定其他细节尺寸轴两端倒角尺寸经查表取为1.545，轴肩处

22、过渡圆角半径取为1.5mm，齿轮3与其两边轴段之间的过渡圆角半径可 取为10mm。齿轮2与轴为过渡配合（H7/k6），且采用A型平键连接实现固定。该轴段上键槽宽度b=14mm，槽深t=5.5mm，键槽长度L=63mm。20110513-11W-30T-60H机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算4.按弯扭法校核轴的强度（1）建立力学模型。受力计算简图机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算受力计算简图水平面内受力计算简图竖直面内受力计算简图机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（2）计算弯矩，并画出弯矩图1）分别计算齿轮2、3的受力。9.T55 6 P29 .655 22101

23、015Ft 220032 d2N20dn2865002Ftan2003tan 745Fr 2 t 2n cos cosN1158 8F 2003F tan tan1158 8425Na2t 22T556 P29.56529.101015Ft 362283d3Ndn925003Ftan6228tan 202317Fr 3 t 3n cos cosN11588F6228Ftan tan115881320Na3t 3机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算2）计算水平面内弯矩，绘制水平弯矩（MH）图3）计算竖直面内弯矩，绘制垂直弯矩（MV）图机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算弯矩（M）

24、图4）计算弯矩，绘制机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算弯矩（M）图4）计算弯矩，绘制（3）计算转矩，绘制转矩（T）图机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算（4）确定截面，校核轴的强度a、h、处可以看出，E截面处受转矩和弯矩最大，C截面i31-2结合图1虽然弯矩、转矩不是最大，但轴径较小，因此，该轴的截面。截面为C、E两C截面 T2240401. 926286502 02M ca_C14 45 5 . 5(4532W5.4532MPa2MPa 610.392机械设计基础（BIT）-by六、轴的强度计算E截面 T2286502 0410220. 4262Mca_E84.3W532M

25、Pa 6107 .5MPa结论：轴的结构满足强度要求。机械设计基础（BIT）-by第二节联轴器、离合器和制动器1325一、联轴器二、离合器三、制动器机械设计基础（BIT）-by第二节联轴器、离合器和制动器一、用途联轴器和离合器是把机器中的两根轴联接起来,使之一同回转，以便传递动力和运动的常用部件。标准化和系列化二、区别联轴器：只能在停车时联接或分离两轴。离合器：绝大多数可以在运动过程中联接或分离两轴。三、计算转矩选取或校核时，考虑启动、惯性力及过载等的影响，按计算扭矩进行。 KKATT为工作情况系数cA选定类型（依据工作条件）选择型号和尺寸（依据计算转矩、轴的转速和轴的估算直径）必要时校核选用步骤机械设计基础（BIT）-by第二节联轴器、离合器和制动器一、联轴器无位移补偿能力对中性要求高。套筒联轴器夹壳式联轴器刚性联轴器凸缘联轴器滑块联轴器齿轮联轴器万向联轴器可以补偿位移无弹性元件挠性联轴器弹性圈柱销联轴器尼龙柱销联轴器轮胎联轴器有弹性元件缓冲吸振，用于起动频繁、高速变载以及经常正反转的场合。机械设计基础（BIT）-by第二节联轴器、离合器和制动器刚性联轴器凸缘联轴器两个带有凸缘的半联轴器用键分别与两轴连接，用螺栓把两个半联轴器连成一体，以传递运动和转矩。特点：转速低、对中性较好、载荷平稳机械设计基础（BIT）-by