機械設計基礎第十二章 軸與聯軸器課件

1、第十二章第十二章 軸和聯軸器軸和聯軸器第一節(jié)第一節(jié) 軸軸 軸是機器中重要的零件之一，主要用來：支軸是機器中重要的零件之一，主要用來：支撐回轉件并傳遞轉矩撐回轉件并傳遞轉矩 T，承受彎矩，承受彎矩 M。一、軸的分類一、軸的分類 1、按承受載荷的情況分：、按承受載荷的情況分： 1）傳動軸：只承受轉矩）傳動軸：只承受轉矩 T。 2）心）心 軸：只承受彎矩軸：只承受彎矩 M。 3）轉）轉 軸：即承受彎矩軸：即承受彎矩 M，也承受轉矩，也承受轉矩 T。 2、按軸線形狀分：、按軸線形狀分： 1）直軸：又可分為光軸和階梯軸。）直軸：又可分為光軸和階梯軸。 2）曲軸：）曲軸： 3、按軸的剛性分：、按軸的剛性分

2、： 1）剛性軸）剛性軸 2）撓性軸（鋼絲軟軸）撓性軸（鋼絲軟軸）二、軸的一般設計步驟和主要內容二、軸的一般設計步驟和主要內容 （1）擬定軸上零件的布置）擬定軸上零件的布置（2）選擇軸的材料）選擇軸的材料（3）初步估算軸的直徑）初步估算軸的直徑（4）軸（軸系）的結構設計）軸（軸系）的結構設計（5）軸的強度校核）軸的強度校核（6）剛度（較細及跨度較大時）和臨界轉速校）剛度（較細及跨度較大時）和臨界轉速校核（高速時）核（高速時）（7）繪制軸的工作圖）繪制軸的工作圖 主要內容：主要內容：軸的設計包括結構設計和工作能力軸的設計包括結構設計和工作能力計算兩方面的內容。計算兩方面的內容。 軸的結構設計在軸設

3、計中占很大的比重，軸的結軸的結構設計在軸設計中占很大的比重，軸的結構設計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工構設計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性。因此，合理地確定軸的結構形式和尺寸，作可靠性。因此，合理地確定軸的結構形式和尺寸，保證軸上零件的順利安裝、精確定位以及符合軸的制保證軸上零件的順利安裝、精確定位以及符合軸的制造工藝等是軸的結構設計的重要內容。造工藝等是軸的結構設計的重要內容。 軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數情況下，軸的工作能力主穩(wěn)定性等方面的計算。多數情況下，軸的工作能力主要取決于軸的

4、強度，這時只需要對軸進行強度計算，要取決于軸的強度，這時只需要對軸進行強度計算，以防軸發(fā)生斷裂或塑性變形。特殊情況下，要進行剛以防軸發(fā)生斷裂或塑性變形。特殊情況下，要進行剛度和穩(wěn)定性計算。度和穩(wěn)定性計算。 大多數軸受交變應力的作用，主要失效形式是疲勞大多數軸受交變應力的作用，主要失效形式是疲勞斷裂，也有因過大的彈性變形或共振失效（高速）等。斷裂，也有因過大的彈性變形或共振失效（高速）等。1、對軸的材料要求、對軸的材料要求 1）、要有較好的強度、韌性和耐磨性。）、要有較好的強度、韌性和耐磨性。 2）、要有良好的加工工藝性和經濟性。）、要有良好的加工工藝性和經濟性。2、常用材料、常用材料 常用碳素

5、鋼、合金鋼或球墨鑄鐵制造軸。常用碳素鋼、合金鋼或球墨鑄鐵制造軸。 1）碳素鋼）碳素鋼 價格低廉，主要用價格低廉，主要用45或或35號鋼調質或正火號鋼調質或正火處理，處理， 輕載和不重要的軸也可以用輕載和不重要的軸也可以用Q235、Q255等。等。三三 軸的材料和熱處理軸的材料和熱處理2）合金鋼）合金鋼 合金剛比碳鋼具有更高的機械性能，合金剛比碳鋼具有更高的機械性能，淬火性能好。通常用于重載、高速的重要軸或淬火性能好。通常用于重載、高速的重要軸或有特殊要求的軸，如耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、有特殊要求的軸，如耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、耐磨損，要求尺寸小、重量輕但強度高等場合。耐磨損，要求尺寸小、重量輕

6、但強度高等場合。 常用常用40Cr、38CrSi、20CrMnTi、35SiMn、38CrMoAlA等，通過調質、表面淬火或滲碳淬等，通過調質、表面淬火或滲碳淬火等熱處理方法提高強度，但材料對應力集中火等熱處理方法提高強度，但材料對應力集中較敏感，結構設計時應注意。較敏感，結構設計時應注意。 在以剛度為主的重要軸，由于碳素鋼與合金在以剛度為主的重要軸，由于碳素鋼與合金 鋼的彈性模量相差不大，故不宜選用合金鋼。鋼的彈性模量相差不大，故不宜選用合金鋼。3）球墨鑄鐵）球墨鑄鐵 球墨鑄鐵鑄造容易成型，且有廉價、良好球墨鑄鐵鑄造容易成型，且有廉價、良好的吸振性、的吸振性、緩沖性緩沖性和耐磨性，以及對應力

7、集中和耐磨性，以及對應力集中的敏感性較低等優(yōu)點，的敏感性較低等優(yōu)點，但韌性低但韌性低、可靠性差。、可靠性差。用于制造結構較復雜、尺寸較大的軸，用于制造結構較復雜、尺寸較大的軸， 常用材料的主要性能見表常用材料的主要性能見表122 P211四、四、 軸的直徑估算軸的直徑估算1、心、心 軸軸 彎曲強度條件：彎曲強度條件：2、傳動軸、傳動軸 扭轉強度條件：扭轉強度條件：3、轉、轉 軸軸 扭轉強度條件：扭轉強度條件： 考慮彎矩的影響，適當降低考慮彎矩的影響，適當降低值。值。 )(MPaWM )(MPaWTp )(MPaWTp )(161055. 936MPadnPWTp式中：式中： T = 9.551

8、06 P / n (Nmm) Wp = d3/16 （對于圓截面）（對于圓截面） (mm3)得：得： 式中式中 C 只與材料有關，其值見表只與材料有關，其值見表12-3。 如有一個鍵槽，直徑要加大如有一個鍵槽，直徑要加大3%，兩個加大，兩個加大7% )(161055. 93336mmnPCnPd例題：傳動比例題：傳動比 i = 8 的一級齒輪減速器，高速軸的一級齒輪減速器，高速軸 d1=20 mm，低速軸，低速軸 d2=60mm，兩軸的材，兩軸的材 料，熱處理方法相同，不計摩擦等損耗，料，熱處理方法相同，不計摩擦等損耗， 按扭轉強度條件設計時，哪一個強度高？按扭轉強度條件設計時，哪一個強度高？

9、解：解： 如果等強度，如果等強度， d2 = 2 d1 d1=20 ， 則則 d2=40 ，為等強度，為等強度 現在現在d2=60， 所以所以 d2 強度高。強度高。28333213111322212innnPCnPCdd 軸的結構分析軸的結構分析基本要求：基本要求：（1）軸上零件有確定位置（周向定位和軸向定位）軸上零件有確定位置（周向定位和軸向定位）（2）軸受力合理，能可靠地傳遞力和轉矩，有利于提）軸受力合理，能可靠地傳遞力和轉矩，有利于提 高強度和剛度。高強度和剛度。（3）具有良好的工藝性）具有良好的工藝性（4）便于裝配和調整）便于裝配和調整（5）節(jié)省材料，）節(jié)省材料， 減輕重量減輕重量五

10、、軸的結構設計五、軸的結構設計1擬定軸上零件的裝配方案擬定軸上零件的裝配方案2、零件在軸上的定位和固定、零件在軸上的定位和固定 軸上零件的定位是針對安裝而言，使其安裝軸上零件的定位是針對安裝而言，使其安裝一次到位，保證零件在軸上有一一次到位，保證零件在軸上有一個準確的位置。個準確的位置。 零件在軸上必須有牢靠的軸向固定和周向固定，零件在軸上必須有牢靠的軸向固定和周向固定，以防止工作時與軸發(fā)生相對軸向竄動和周向轉動，以防止工作時與軸發(fā)生相對軸向竄動和周向轉動，從而喪失工作能力。從而喪失工作能力。 1） 周向定位：鍵、銷、過盈配合或螺釘聯接。周向定位：鍵、銷、過盈配合或螺釘聯接。2） 軸向定位：軸

11、肩、軸環(huán)、套筒、擋圈、套筒、軸向定位：軸肩、軸環(huán)、套筒、擋圈、套筒、圓螺母、軸端擋圈等。圓螺母、軸端擋圈等。3、尺寸細節(jié)、尺寸細節(jié) 1) 軸上圓角要小于輪轂上圓角或倒角軸上圓角要小于輪轂上圓角或倒角 2) 軸上長度要小于輪轂上相應長度軸上長度要小于輪轂上相應長度23mm。 3) 與其他零件配合的尺寸，取標準值或整數。與其他零件配合的尺寸，取標準值或整數。 4) 非配合的尺寸，可以取非標準值，最好圓整非配合的尺寸，可以取非標準值，最好圓整5) 軸肩或軸環(huán)的高度一般不小于軸肩或軸環(huán)的高度一般不小于5，如果是，如果是 用于滾動軸承定位，則不能高于滾動軸承用于滾動軸承定位，則不能高于滾動軸承 內環(huán)的三

12、分之二。便于拆卸！內環(huán)的三分之二。便于拆卸！6) 各階梯軸的個段加倒角，便于安裝。各階梯軸的個段加倒角，便于安裝。7) 鍵槽應在同一個方向，避免重新對刀。鍵槽應在同一個方向，避免重新對刀。8) 加工螺紋或磨削時，要有退刀槽、砂輪越程加工螺紋或磨削時，要有退刀槽、砂輪越程 槽等。槽等。 9) 合理安排軸的零件，減輕軸的負荷。合理安排軸的零件，減輕軸的負荷。10) 減小應力集中，盡量避免端面形狀的突然減小應力集中，盡量避免端面形狀的突然 變化，避免開橫孔、切口或凹槽、加大圓變化，避免開橫孔、切口或凹槽、加大圓 角半徑、角半徑、 對于重要的軸，找出危險斷面后，要進行對于重要的軸，找出危險斷面后，要進

13、行強度校核，強度校核，對于不重要的軸，可按經驗設計或對于不重要的軸，可按經驗設計或類比法設計。類比法設計。 力的分析與簡化：力的分析與簡化： 一一. 支點的確定支點的確定 1. 帶輪、齒輪和鏈輪等，將合力簡化到輪寬中點。帶輪、齒輪和鏈輪等，將合力簡化到輪寬中點。 2. 軸承按類型定：徑向軸承為寬度中點，角接觸軸軸承按類型定：徑向軸承為寬度中點，角接觸軸承為外滾道接觸點的法線和軸線的交點處，滑動軸承為承為外滾道接觸點的法線和軸線的交點處，滑動軸承為油膜合力的中點！油膜合力的中點！ 二二. 軸上零件作用在軸上的力的簡化（大小和方向）軸上零件作用在軸上的力的簡化（大小和方向） 三三. 彎矩圖和轉矩圖

14、的繪制（水平面、垂直面、合成）彎矩圖和轉矩圖的繪制（水平面、垂直面、合成）六六 軸的強度計算軸的強度計算一、按彎扭合成法一、按彎扭合成法校核軸的疲勞強度校核軸的疲勞強度 由彎矩由彎矩 M 形成的彎曲應力為：形成的彎曲應力為： = = M / W ( W = d3/32) 由扭矩由扭矩 T 形成的扭轉剪應力為形成的扭轉剪應力為 ： = = T / Wp = T / 2W ( Wp = d3/16)按第三強度理論：按第三強度理論：WTMWTWM2222223244 轉軸的轉軸的 通常是對稱循環(huán)的，但則通常是對稱循環(huán)的，但則 視情況定視情況定須將不同循環(huán)的須將不同循環(huán)的 轉化到與轉化到與對稱循環(huán)相當

15、的值，對稱循環(huán)相當的值， 引入一個修正系數：引入一個修正系數： r 為應力特性系數為應力特性系數 （ r = minmin / / maxmax ） 對于不變的扭矩，對于不變的扭矩，r = 1 對于脈動的扭矩，對于脈動的扭矩，r = 0對稱循環(huán)的扭矩，對稱循環(huán)的扭矩，r = -1brb1 3 . 011bb6 . 001bb111bbbWTM1223)(按彎扭合成法按彎扭合成法校核軸的強度條件為：校核軸的強度條件為：以此公式計算心軸時，以此公式計算心軸時，T = 0。第二節(jié)第二節(jié) 聯軸器、離合器和制動器聯軸器、離合器和制動器一、一、 概述概述 聯軸器和離合器是把機器中的兩根軸聯接聯軸器和離合器

16、是把機器中的兩根軸聯接起來起來, ,使之一同回轉，以便傳遞動力和運動的常使之一同回轉，以便傳遞動力和運動的常用部件。用部件。 例如例如: :汽車柴油機與變速箱之間聯軸器汽車柴油機與變速箱之間聯軸器, ,變變速箱與后橋之間聯軸器；速箱與后橋之間聯軸器； 機床轉擋離合器；機床轉擋離合器；電機與減速箱之間的聯軸器。電機與減速箱之間的聯軸器。 根據工作特性分為：根據工作特性分為： 1 1聯軸器：聯軸器： 把兩根軸牢固的聯接在一把兩根軸牢固的聯接在一起起, ,在工作過程中不能分離。在工作過程中不能分離。 2 2離合器：離合器： 根據工作需要，隨時可將根據工作需要，隨時可將兩軸聯接或分離。兩軸聯接或分離。

17、 3 3安全聯軸器和安全離合器安全聯軸器和安全離合器 機器工作時機器工作時, ,如果扭矩超過規(guī)定值如果扭矩超過規(guī)定值, ,能自能自動斷開或分離動斷開或分離, ,以保證機器中的主要部件防止過以保證機器中的主要部件防止過載而損壞。載而損壞。 聯軸器和離合器已標準化，所以要求只需聯軸器和離合器已標準化，所以要求只需掌握不同類型聯軸器和離合器的特點及其選用掌握不同類型聯軸器和離合器的特點及其選用原則和方法，以便根據使用要求進行選擇。原則和方法，以便根據使用要求進行選擇。 一）、剛性聯軸器一）、剛性聯軸器 1、套筒聯軸器、套筒聯軸器 結構簡單，制造成本低，結構簡單，制造成本低，徑向尺寸小，但拆裝不方便，

18、適用于兩軸同軸度高，徑向尺寸小，但拆裝不方便，適用于兩軸同軸度高，工作平穩(wěn)，轉速不高（一般速度小于工作平穩(wěn)，轉速不高（一般速度小于 250 rpm）的場）的場合！合！ 2、夾殼聯軸器、夾殼聯軸器 由兩個半圓形的鑄鐵夾殼組成并用螺栓鎖緊，主由兩個半圓形的鑄鐵夾殼組成并用螺栓鎖緊，主要靠摩擦力傳遞扭矩，為傳動可靠，可加一平鍵。特要靠摩擦力傳遞扭矩，為傳動可靠，可加一平鍵。特點：拆裝方便，結構簡單，傳遞力矩不大，一般用于點：拆裝方便，結構簡單，傳遞力矩不大，一般用于d d200mm200mm的軸。的軸。一、一、 聯軸器聯軸器3、凸緣聯軸器、凸緣聯軸器 由兩個帶有凸緣的半聯軸器由兩個帶有凸緣的半聯軸器

19、用螺栓聯接而成，半聯軸器軸用用螺栓聯接而成，半聯軸器軸用鍵聯接。鍵聯接。 對中形式：凸肩對中對中形式：凸肩對中(YLD(YLD型型) )對中性好；剖分環(huán)對中對中性好；剖分環(huán)對中(YL (YL 型型 ) )，裝拆方便。裝拆方便。 螺栓聯接：精制螺栓聯接螺栓聯接：精制螺栓聯接, , 靠摩擦力傳力；鉸靠摩擦力傳力；鉸制孔用螺栓，緊配合靠擠壓剪切傳力。制孔用螺栓，緊配合靠擠壓剪切傳力。 常用材料：鑄鐵或碳鋼常用材料：鑄鐵或碳鋼 重載或重載或 V V30m/s30m/s時，應用鑄鋼或鍛鋼。時，應用鑄鋼或鍛鋼。 特點：結構簡單特點：結構簡單, ,能傳遞較大的扭矩能傳遞較大的扭矩, ,應用很廣應用很廣, ,

20、適用于軸的剛性大適用于軸的剛性大, ,對中性較好的場合。對中性較好的場合。二、撓性聯軸器二、撓性聯軸器 因具有彈性元件，所以除可以補償位移外，因具有彈性元件，所以除可以補償位移外，還可以緩沖吸振，適用于起動頻繁高速變載以還可以緩沖吸振，適用于起動頻繁高速變載以及經常正反轉的場合。及經常正反轉的場合。 彈性元件彈性元件 a. a. 定剛度金屬材料定剛度金屬材料 b. b. 變剛度金屬材料變剛度金屬材料 c. c. 變剛度非金屬材料變剛度非金屬材料-吸振性好，可吸振性好，可減少共振的可能性減少共振的可能性1）無彈性元件的無彈性元件的撓性聯軸器撓性聯軸器 l l、十字滑塊聯軸器、十字滑塊聯軸器 由兩

21、個帶有凹槽的半聯軸器和一個兩端面由兩個帶有凹槽的半聯軸器和一個兩端面均帶有相互垂直齒牙的圓盤組成。均帶有相互垂直齒牙的圓盤組成。 常用材料：常用材料：4545號鋼，工作表面經熱處理號鋼，工作表面經熱處理 適用于轉速適用于轉速 n n250rpm250rpm，軸的剛性大的場，軸的剛性大的場合。合。l l、彈性圈柱銷聯軸器、彈性圈柱銷聯軸器 其構造與凸緣聯軸器相似，只是把聯接螺栓換其構造與凸緣聯軸器相似，只是把聯接螺栓換上帶有彈性圈的栓銷上帶有彈性圈的栓銷 材料：半聯軸器材料：半聯軸器: HT200: HT200或或3030，3535，柱銷，柱銷: 45 : 45 彈性圈彈性圈: :耐油橡校，做成

22、梯形剖面耐油橡校，做成梯形剖面使用條件使用條件: :工作溫度一工作溫度一202050,50,安裝時留有軸向間隙安裝時留有軸向間隙最大外徑速度最大外徑速度 V V30m/s30m/s。 這種聯軸器已標準化這種聯軸器已標準化, ,可根據了可根據了T T、n nmaxmax以及軸的以及軸的直徑選取直徑選取. . 2）有彈性元件的有彈性元件的撓性聯軸器撓性聯軸器2 2、尼龍柱銷聯軸器、尼龍柱銷聯軸器 用尼龍柱銷代替彈性圈柱銷用尼龍柱銷代替彈性圈柱銷使用條件使用條件: :工作溫度工作溫度 -20-207070 結構更簡單，更換方便，壽命長，效果結構更簡單，更換方便，壽命長，效果比彈性圓柱銷好。比彈性圓柱

23、銷好。 己標準化，與己標準化，與同尺寸的彈性圈柱同尺寸的彈性圈柱銷聯軸器比，傳遞銷聯軸器比，傳遞力矩能力大。力矩能力大。3 3、輪胎聯軸器、輪胎聯軸器 由兩個半聯軸器，輪胎、壓板聯接螺釘組由兩個半聯軸器，輪胎、壓板聯接螺釘組成成 特點：彈性變形特點：彈性變形大，壽命長，不需潤大，壽命長，不需潤滑，徑向尺寸大，適滑，徑向尺寸大，適用于起動頻繁雙向運用于起動頻繁雙向運轉潮濕多水處。轉潮濕多水處。4 4、梅花形彈性聯軸器、梅花形彈性聯軸器 兩半聯軸器上均有凸爪，中間裝梅花形狀兩半聯軸器上均有凸爪，中間裝梅花形狀的橡膠塊。的橡膠塊。 特點：有較大的補償兩軸相對偏移的能力，特點：有較大的補償兩軸相對偏移

24、的能力，減振、耐磨性能較好。工作溫度在減振、耐磨性能較好。工作溫度在 -35-358080。 汽車、拖拉機、機床上均裝有離合器，它汽車、拖拉機、機床上均裝有離合器，它的作用是隨時將聯接的兩軸分離或接合，對離的作用是隨時將聯接的兩軸分離或接合，對離合器的主要要求就是接合、分離迅速平穩(wěn)，耐合器的主要要求就是接合、分離迅速平穩(wěn)，耐磨性好，散熱性能好。磨性好，散熱性能好。 離合器可分為離合器可分為操縱式離合器操縱式離合器和和自動式離合器自動式離合器。 二、二、 離合器離合器一、操縱式離合器一、操縱式離合器 1、牙嵌式離合器、牙嵌式離合器 由兩個端面上帶有牙的套筒組成，套筒由兩個端面上帶有牙的套筒組成，

25、套筒 l l固定在主固定在主動軸上，套筒動軸上，套筒2 2安裝在從動軸上，并可沿軸上的導鍵做安裝在從動軸上，并可沿軸上的導鍵做軸向移動，達到接合和分離的目的。這種離合器采用軸向移動，達到接合和分離的目的。這種離合器采用對中環(huán)對中對中環(huán)對中, ,將移動套筒放在從動軸上將移動套筒放在從動軸上, ,只有在停車或只有在停車或轉速很低時方可嵌入連接（轉速很低時方可嵌入連接（n n10 r/min10 r/min）。）。 常采用梯形牙常采用梯形牙(3(31515個個) ) 容易嵌合，牙根強度大，容易嵌合，牙根強度大，能傳遞大能傳遞大的扭矩，的扭矩，能自動補能自動補償牙的磨償牙的磨損和間隙。損和間隙。2、摩

26、擦式離合器、摩擦式離合器 1）單盤式單盤式 由兩個摩擦盤組成，依靠兩圓盤接觸由兩個摩擦盤組成，依靠兩圓盤接觸面間的摩擦力來傳遞扭矩。面間的摩擦力來傳遞扭矩。 2 2）多盤式）多盤式 一組外摩擦盤插入固連在主動軸的一組外摩擦盤插入固連在主動軸的外鼓輪外鼓輪2 2的縱向槽內，一組內摩擦盤套在沿從動軸滑移的縱向槽內，一組內摩擦盤套在沿從動軸滑移的套筒凸齒上，借助于的套筒凸齒上，借助于曲臂壓桿曲臂壓桿8 8壓板壓板9 9，使，使所有內外摩擦盤壓緊所有內外摩擦盤壓緊在調節(jié)螺母上使離合在調節(jié)螺母上使離合器處接合狀態(tài)。器處接合狀態(tài)。 摩擦離合器的操縱摩擦離合器的操縱方法：機械、電磁、方法：機械、電磁、氣動、液動等。氣動、液動等。3、超越式離合器、超越式離合器 1）、滾柱式）、滾柱式 2）、偏心凸輪式）、偏心凸輪式 4、離心式離合器、離心式離合器 鋼殼外簧彈珠軸溜溜球工作原理溜溜球工作原理 離心式離合器離心式離合器三、三、 安全聯軸器、安全離合器安全聯軸器、安全離合器 通過聯接件的折斷、脫開、打滑從而使聯軸器或離通過聯接件的折斷、脫開、打滑從而使聯軸器或離合器自動停止工作達到過載保護的目的。合器自動停止工作達到過載保護的目的。 如：如：剪切銷剪切銷安全聯軸器安全聯軸器 過載時銷被剪斷，銷材料過載時銷被剪斷，銷材料4545號淬火或高碳工具鋼，號淬火或高碳工具鋼，銷裝入兩段鋼制套管內。按剪切強度