联轴器设计基础

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：选定轴的材料、确定结构计算强度、刚度，对于高速轴要计算其振动稳定性绘制轴的零件图 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300c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=(0.070.1)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 TTT d. n/P.WT 362010559 设计公式 33 620 10559 nPC. n/P.d T 二）按弯曲和扭转复合强度计算轴径轴的空间受力简图弯矩M图弯矩M图合成弯矩M图转矩T图当量弯矩MV图计算轴径d式(10-4) 3 110 bV. Md 轴的危险截面，键槽削弱轴的强度需增大轴径键槽：个轴径增大4%，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 461010559 Gd. L)nP(.GITLP 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、滚压加工改用或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nj TKTT 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： 2绞制孔、受剪螺栓对中：两轴分离时，装卸方便 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校核螺栓的尺寸螺栓预紧力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校核螺栓的尺寸螺栓剪力 F02KT/(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，0.81.5mm) 一) 无弹性元件挠性联轴器空回误差 =s/r(rad)=s/r3438 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/ sin2=e/r r-销钉轴线与主动轴线的距离 arcsin(sin2e/r)传动误差-正弦规律 | maxarcsin(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，e0.04d(轴径)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 tg2= tg1 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) 12 (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+2s3)/R 12 22 1 sintg 221tgmax 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+50。C，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 27.5mm径向 0.20.7mm角度130 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 pzldD KT.zldD. KTp 00 52280 bb zdD KTl.z.DKT 300 512802 (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：360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1560梯形牙、锯齿形：传递中、小转矩牙数为315 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5662HRC中碳合金钢40Cr、45MnB表面淬火，牙面硬度达到4858HRC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。