联轴器设计基础.ppt

第十章 轴、联轴器、离合器•第一节　概述•第二节　轴•第三节　联轴器•第四节　离合器第一节　概述•一 轴的分类：•1 载荷、应力：–心轴:只受弯矩不受转矩•键联接：随回转件转动，图10-1a；受变应力•间隙配合：不随回转件转动，图10-1b；受静应力–转轴：受弯矩又受转矩，图10-2–传动轴：只受转矩或主要受转矩心轴:只受弯矩不受转矩•键联接：随回转件转动，图10-1a；受变应力•间隙配合：不随回转件转动，图10-1b；受静应力转轴：受弯矩又受转矩，图10-2•2 轴的中心线形状：–直轴：空心轴、实心轴•　 光轴　：加工容易• 阶梯轴：强度接近、便于安装、定位–曲轴–钢丝软轴直轴：•空心轴、实心轴–光轴　：加工容易–阶梯轴：强度接近、便于安装、定位空心轴曲轴:专用零件钢丝软轴•用于受连续振动的场合•具有缓和冲击的作用•共同点：–联接两轴、与之回转、传递转矩•区别 ：–分离方式，•联轴器: 停止•离合器: 运动二、联轴器、离合器第二节　轴•轴的设计包括：•１　选定轴的材料、确定结构•２　计算强度、刚度，•　　　对于高速轴要计算其振动稳定性•３　绘制轴的零件图一　轴的材料、选择•一）选材依据：–1轴的工作能力、实现其能力的热处理方式•强度、刚度、振动稳定性、耐磨性–2考虑其制造工艺等问题二）轴的材料：碳素钢、合金钢•碳素钢：–对应力集中敏感性小、价格低廉，应用广泛–优质碳素结构钢：35、45、50钢，•45钢最常用。

•热处理：调质或正火处理–不重要的或受力较小的传动轴：•Q235、Q275等普通碳素结构钢•合金钢：较高的力学性能、热处理性能–应用：•受力较大并要求尺寸小、重量轻或耐磨性较高的重要轴–常用：20Cr、40Cr•　当温度超过300c时，用含Mo的合金钢•受力较小而耐磨性高的轴：–为保证其硬度，用T8A、T10A等碳素工具钢•防磁：黄铜、青铜作轴•防腐：2Cr13、4Cr13等不锈钢二　轴的结构设计•轴的组成：–轴颈–轴头–轴身•轴的组成：轴颈、轴头、轴身–轴颈：轴上被支承的部分–轴头：安装轮毂部分–轴身：联接轴颈和轴头的部分•轴的结构设计要求：–1 轴和装在轴上零件要有准确的轴向工作位置，–　　　并便于装拆、调整；–2 轴应有良好的加工工艺性一）轴的外形结构•图10-3a　一级圆柱齿轮减速器简图•图10-3b　减速器轴２的外形图–在满足工作要求的前提下，轴的外形结构应尽可能简单–加工方便、热处理时不易变形、并能减少应力集中有利于提高轴的疲劳强度图10-3a　一级圆柱齿轮减速器简图　　图10-3b　减速器轴２的外形图二）零件在轴上的固定方法：轴向、周向•轴向固定：–轴肩、轴环、挡环、螺母、套筒–轴肩：定位面、内圆角r，–　　　r<轴倒角C or 外圆角R–轴环：a=(0.07~0.1)d , b=1.4a轴向固定：轴强度_降低轴过盈配合处的应力集中轴强度_降低轴过盈配合处的应力集中•周向固定：平键、半圆键•销联接、紧定螺钉联接、压合联接轴的设计首先进行强度设计•三　轴的强度计算•一）按许用切应力计算轴径•校验公式•设计公式二）按弯曲和扭转复合强度计算轴径•１　轴的空间受力简图•２　弯矩M图•３　弯矩M＝图•４　合成弯矩M图•５　转矩T图•６　当量弯矩MV图•７　计算轴径d　　式(10-4)•轴的危险截面，•　　键槽－削弱轴的强度－需增大轴径•　　键槽：１个－轴径增大4%，•　　　　　２个，180。

－轴径增大10％轴的设计步骤：•1)　形状不复杂的轴：•2)　主要传递转矩(不受弯矩或弯矩很小)的传动轴：•3)　传递转矩、受弯矩的转轴：1)　形状不复杂的轴：直接设计•从已知条件出发–传动轮的轮体--轴头尺寸–轴承工作条件--轴颈尺寸•直接结构设计•必要的校核计算•轴的布置简图--轴的零件工作图2)　主要传递转矩(不受弯矩或弯矩很小)的传动轴：•许用切应力-计算轴颈•轴的结构化•轴的最终形状和尺寸3)传递转矩、受弯矩的转轴：•弯矩与轴的具体结构有关–弯矩大小、分布•与轴上个零件的轴向位置及支承跨距的有关•取决于轴颈尺寸的大小•轴颈尺寸未定时，轴上的弯矩无法确定•转矩：许用切应力估算轴径–传递的转矩•许用切应力-轴的直径– –弯矩对轴的影响用降低许用切应力的方法考虑弯矩对轴的影响用降低许用切应力的方法考虑•估算出轴径，轴的结构化设计•根据需要弯扭复合强度计算•轴的最终形状和尺寸-轴的零件图四　轴的刚度计算•目的：轴的变形–载荷作用下--轴的弯扭变形•轴上零件的正常工作和传动精度•高速轴刚度不足--共振•一)　轴的扭转刚度计算–相对转角•二)　轴的弯曲刚度计算–弯曲变形：挠度、转角–工程：查表法提高轴的强度的方法•从结构设计结构设计上降低应力集中的影响–尽可能不在轴的受载区段切制螺纹–可能时适当放松零件与轴的配合•采用能强化材料机械性能的工艺方法工艺方法提高材料的疲劳强度–减小配合表面及圆角处的加工粗糙度–对零件进行表面淬火、氮化、氰化、渗碳处理–对零件表面进行喷丸硬化、滚压加工•改用高强度材料高强度材料或加大轴的剖面尺寸加大轴的剖面尺寸–高强度材料对应力集中的敏感性较高•采用高强度材料时，应注意结构设计及表面粗糙度要求，不要形成较大的应力集中第三节　联轴器•分类：–刚性：•两轴能严格对中且工作中不发生相对位移–挠性：两轴有相对位移–挠性联轴器：两轴有相对位移•无弹性元件•弹性联轴器–金属弹性元件–非金属弹性元件•基本要求：–刚性联轴器：•载荷平稳、转速稳定、同轴度好、无相对位移–无弹性元件的挠性联轴器：•有相对位移　–弹性联轴器(缓冲、减振)：•同轴度不易保证，载荷、转速变化较大的场合•其他要求：　–装拆方便–尺寸较小–质量较轻–维护方便选用：•安装位置：–联轴器的安装位置尽量靠近轴承•联轴器类型：部分标准化•设计步骤：–根据工作要求确定联轴器型号•轴径、计算转矩、工作转速、位移量、工作温度–重要场合，个别关键零件--必要的验算•联轴器、离合器的计算转矩Tj•　–T：工作转矩–Tn：许用名义转矩，手册–K：载荷系数•刚性、无弹性元件的挠性联轴器：大些•弹性联轴器：小些•摩擦离合器：中间值•安全离合器：小些一　刚性联轴器•一)凸缘联轴器•结构：–2绞制孔、受剪螺栓对中：•两轴分离时，装卸方便–1凸肩、凹槽嵌合对中　•两轴分离时需移动轴•型式：(对中方法)•材料：–中等以下载荷，35m/s，中等强度的铸铁–重载，75m/s，铸钢、锻钢•型式：(对中方法)–1凸肩、凹槽嵌合对中　：• •两轴分离时需移动轴两轴分离时需移动轴两轴分离时需移动轴两轴分离时需移动轴–2绞制孔、受剪螺栓对中：•两轴分离时，装卸方便• •对中不易准确对中不易准确对中不易准确对中不易准确•要求：–制造时，准确保持半联轴器的凸缘端面与孔的轴线垂直–安装时，使两轴精确对中•特点：–对中精度可靠–传递转矩较大，但不能缓冲减振–要求两轴同轴度好–结构简单、使用方便•应用：–用于载荷平稳的联接1.凸肩、凹槽嵌合对中　：•制造简便、价格较低•六角螺栓，与螺栓孔间有少量间隙–靠接合面间摩擦力传递转矩靠接合面间摩擦力传递转矩靠接合面间摩擦力传递转矩靠接合面间摩擦力传递转矩•校核螺栓的尺寸–螺栓预紧力–Ｆ4KT/[ (D+D1)zf ]•特点：–制造较简便，价格较低2.绞制孔、受剪螺栓对中：•孔、螺栓的配合：H7/k6、H7/js6–靠螺栓的剪切、挤压传递转矩靠螺栓的剪切、挤压传递转矩靠螺栓的剪切、挤压传递转矩靠螺栓的剪切、挤压传递转矩•校核螺栓的尺寸–螺栓剪力–F02KT/(D0z)•特点：–能传递较大的转矩二)套筒联轴器键联接销钉联接紧定螺钉：传递力矩较小过盈配合套筒的弹性力•直径相同或不同•不同联接方式•剪切销安全联轴器：•　　销钉材料：45钢淬火或高碳工具钢•缺点：精度不高•　　　销钉剪断，需停车才能更换•优点：构造简单•应用于：很少过载的机器刚性联轴器总结：•主要优点：–构造简便、价格较低•缺点：–1无法补偿两轴之间的倾斜、位移，对两轴对中性要求较高–2联轴器中均为刚性零件，缺乏缓冲、吸振的能力–当两轴之间的倾斜、位移无法避免时，出现附加应力，工作情况恶化二　挠性联轴器•补偿两轴之间的倾斜、位移的方法•　１无弹性元件挠性联轴器•　　　利用联轴器工作零件之间构成的动联接具有某一个或几个方向的活动度•　２弹性联轴器•　　利用联轴器弹性元件的变形来补偿一) 无弹性元件挠性联轴器•1.盘销联轴器：–允许两轴有轴向位移，–轴向位移量 (两盘最大间隙，0.8~1.5mm)一) 无弹性元件挠性联轴器•空回误差 ’– ’=s/r(rad)=s/r3438’ – s-销钉与槽的间隙–r-销钉轴线与被联接轴线的距离–销钉与槽的配合：H7/h6 或　H8/h7传动误差:•两轴线径向位移e–引起的传动误差=1-2　–sin/ sin2=e/r　　–r-销钉轴线与主动轴线的距离•＝arcsin(sin2e/r)–传动误差-正弦规律–||max＝arcsin(e/r)•减小，应减小e，增大r2.滑块联轴器：•主要用于联接径向位移或角位移很小的两轴　•两轴偏心距e–圆盘两榫-半联轴器的凹槽：相对移动•榫-槽：相对移动 -- 榫-槽的工作面需要加润滑剂•圆盘中心- e/2-圆周运动–离心力－正压力－加剧磨损－轴和轴承附加动载荷•减小离心力－中间圆盘制成空心，•内径0.7外径，e0.04d(轴径)•应用应用:–低速–不超过300r/min–轴的刚度较大，且无强烈冲击•延长使用寿命－榫与槽的摩擦表面需淬硬至55HRC，并适当润滑•允许的径向位移0.04d，– 允许的角位移30’•联接部分的间隙引起空回误差，榫与槽的配合：H7/h6 3.万向联轴器：•单、双万向联轴器•1) 单万向联轴器:　相交轴•结构简单，最大转角15度•联接两交叉轴–不能传递等角位移•tg2= tg1 cos•瞬时传动比不恒定•平均传动比不恒定–用于精度不高的传动2) 双万向联轴器:•实现等角位移传动的两个条件：–(1) 1＝2–(2)中间轴两端的万向接头环3、5应在同一平面内•传动误差–精度要求不高时，传动误差无须计算–精度要求较高时，不能忽略–传动角误差：–若1= 2， =0，主从轴绝对平行，•没有传动误差–实际上， 0，•传动角误差 ：按正弦规律变化•空回误差，：–，＝(s1+s2+2s3)/R•特点：–结构紧凑、维护方便•应用：–组合机床、汽车、拖拉机等传动系统•小型万向联轴器：–按标准选用–采用合金钢二) 有弹性元件挠性联轴器(弹性联轴器)•弹性元件：•补偿两轴位移、偏斜•缓冲、吸振–储存能量－缓冲，–弹性滞后性能－消振•应用：•频繁启动、变载荷、高速、经常反向、两轴不便于严格对中•弹性联轴器：–减小轴的扭转振动–改变传动系统的自振频率•1 金属弹性元件挠性联轴器•2非金属弹性元件挠性联轴器•1 金属弹性元件挠性联轴器•性能：良好的补偿两轴位移、偏斜能力，•　　　一定的缓冲、吸振能力•2 非金属弹性元件挠性联轴器–优点：•1、弹性滞后性能，具有一定的消振能力　•2、单位重量储存能量多，缓冲性能好。

•3、结构简单、价格便宜–缺点：•强度低•尺寸大•寿命短　　(1) 弹性套柱销联轴器•构造–与凸缘联轴器类似，–弹性套柱销－联接螺栓•材料：半联轴器－铸铁，35锻钢•　　　柱销　　－35钢，正火处理•　　　弹性套　－天然橡胶或合成橡胶•　　　挡圈　　－Q235钢•应用：–频繁启动、变载荷•工作环境–温度：－20~+50C，–无油质及其他有害于橡胶的介质与联轴器接触•间隙C:–以便两轴作少量的轴向移动•允许的最大位移量：–轴向 2~7.5mm–径向 0.2~0.7mm–角度130~ 30•外径的最大圆周速度<=30m/s验算公式•弹性套柱销联轴器–弹性套单位面积上的压力(载荷均布在80的弹性套上)–柱销的弯曲强度(2) 弹性圆盘联轴器•材料：–非金属材料，皮革、橡胶、夹布胶木•弹性圆盘的弹性，–吸收有害的振动、冲击–允许两轴作微量的径向移动、–　　　　　少量的轴向移动第四节　离合器•基本要求–接合迅速、分离彻底、动作准确可靠、平稳无冲击–结构简单、制造调整维修方便–强度高、散热好适用寿命长–重量轻尺寸小一、牙嵌离合器•1半离合器•2半离合器•3导向环•4拨叉•牙嵌离合器的承载能力–主要取决于牙根的弯曲强度牙型：矩形、梯形、锯齿形•矩形牙：–不便于接合，齿根强度低–传递载荷时，牙与牙之间无轴向力，分离比较困难•梯形牙：–强度较高，能传递较大载荷–能自行补偿牙的磨损和牙侧间隙，避免载荷和速度变化时因间隙而产生冲击，应用广泛•锯齿形：–强度最高–若利用倾角大的一面工作，会因牙与牙之间很大的轴向力迫使离合器分离•矩形、梯形牙：–传递双向转矩•锯齿形：–传递单向转矩•低速，用三角形：–开合比较容易 ，牙形角为30度•牙数：3~60•要求传递转矩越大，选用牙数越少•要求接合时间越短，选用牙数越多；•但牙数多时，各牙分担的载荷越不均匀•三角形牙：–传递中、小转矩–牙数为15~60•梯形牙、锯齿形：–传递中、小转矩–牙数为3~15•各牙应精确等分，以使载荷均布–优点：结构简单、尺寸较小、传动精确–缺点：结合速度较低•用于两轴不回转或转速差很小时的接合，否则牙齿可能会因为受撞击而折断•性能要求：–工作表面有较高硬度，以减少磨损•材料：–低碳合金钢20Cr、20MnB•渗碳淬火，牙面硬度达到56~62HRC–中碳合金钢40Cr、45MnB•表面淬火，牙面硬度达到48~58HRC•牙嵌离合器的主要尺寸：•从手册选取•必要时，可验算牙面上的强度合牙根弯曲应力二、摩擦式离合器•(一)单圆盘式摩擦离合器(二)圆锥式摩擦离合器•特点：–散热好，能自动对心；–楔形增压作用，所需轴向压紧力小–锥面加工较困难•摩擦式离合器优点：–可在任何角速度下合、离–改变轴向压紧力，可调节从动轴的加速时间–接合时，冲击振动小•工作面存在弹性打滑，不宜用于示数数传动。