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文檔簡介
第16章常用裝置的結構設計16.1輪類零件的結構設計16.2軸的結構設計16.3
滾動軸承的組合結構設計16.4
滑動軸承結構設計16.5
螺栓組結構設計16.6典型零部件的潤滑設計帶輪常用材料16.1
輪類零件的結構設計16.1.1帶輪的結構設計灰鑄鐵
(HT150、HT200)
用于:v≤30m/s
1.帶輪的結構形式實心式daddBLd球墨鑄鐵用于:v≤25m/s~40m/s
鑄鋼用于:v≤25m/s~40m/s
鑄鋁、工程塑料用于小功率傳動腹板式dadd孔板式且:輪輻式D1d1da2.輪槽及其他尺寸的確定輪槽及帶輪的其他結構尺寸可查表3.4,和參照圖16.1中的經(jīng)驗公式計算。3.帶輪的技術要求V帶輪的技術要求是:★鑄造、焊接或燒結的帶輪在輪緣、腹板、輪輻及輪轂上不允許有砂眼、裂縫、縮孔及氣飽;★轉速高于極限轉速的帶輪要做動平衡,反之要做靜平衡?!镨T造帶輪在不提高內部應力的前提下,允許對輪緣、凸臺、腹板及輪轂的表面缺陷進行修補;★其他條件參見GB/T13575.1.92中的規(guī)定。16.1.2
齒輪的結構設計齒輪結構設計包括輪緣、輪輻及輪轂等。1.鍛造齒輪對于齒輪齒頂圓直徑小于500mm的齒輪,一般采用鍛造毛坯。1)齒輪軸e圓柱齒輪齒根與鍵槽頂部距離,e≤2.5mn
,圓錐齒輪e≤1.6mn
需做成齒輪軸。1)實體式齒輪齒輪的齒頂圓直徑da
<160mm時,可采用實心式結構。bdsdhda
斜度1:10lhδc
2)腹板式結構da<500mm時,可做成腹板式結構當da<500mm時,為減輕重量,也可做成孔板式結構。3)孔板式結構輪輻式結構400<da<1000mm時,可做成輪輻式結構2.鑄造齒輪圓錐齒輪常用腹板代替輪輻。3.鑲套齒輪(a)組裝齒圈的結構(b)非金屬板齒輪組裝結構對于尺寸較大而需要用較貴重金屬齒輪,要采用組裝齒輪結構,以節(jié)約材料。輪圈用鋼制成,而輪芯用鑄鐵或鑄鋼
4.焊接齒輪對于單件或小批量生產(chǎn)的大齒輪,還可以采用焊接結構。16.1.3齒輪與軸連接的設計方法為使軸與輪轂的連接具有足夠的承載能力和定位精度,應合理地確定輪轂的寬度和直徑?!镙嗇瀸挾萀可取為輪轂孔直徑d的0.8-1.0倍。載荷較大或承受較大軸向載荷時取大值。LdS★非實心齒輪通常取輪轂外徑為輪轂孔直徑的1.6—1.8倍。承受較大載荷、沖擊載荷、或開有鍵槽、銷孔的輪轂應取較大值。D1軸與輪轂連接部分的直徑ds(輪轂孔徑)根據(jù)裝入端相鄰軸段的直徑加5-10mm估算,若強度不足可加大輪轂寬度。d1d2輪轂孔與軸頸接觸處,應注意連接配合的選擇:③
對轉速較高、承載較大,或承受沖擊載荷的連接應選擇較緊的配合。①對于有相對滑動或轉動的連接,應選擇間隙配合形式;②
對固定連接應選擇過盈配合或過渡配合;16.1.4蝸桿及蝸輪的結構設計蝸桿因為直徑不大,常與軸做成一體的,稱為蝸桿軸。
1.蝸桿結構
銑制蝸桿
無退刀槽,螺紋部分只能用銑刀銑制。車制蝸桿
有退刀槽,螺紋部分既可以銑制又可以車制。2.蝸輪結構1)整體澆鑄式主要用于鑄鐵蝸輪或尺寸很小的青銅蝸輪。2)齒圈式這種結構由青銅齒圈及鑄鐵輪心所組成。3)螺栓連接式多用于尺寸較大或容易磨損的蝸輪。4)拼鑄式只用于成批制造的蝸輪。整體澆鑄式齒圈式螺栓連接式拼鑄式16.2軸的結構設計
軸結構設計的內容:
定出軸的合理外形和全部結構尺寸軸的結構設計要考慮的因素
1)軸上零件的定位要求
2)軸上零件的拆裝、調整要求
3)軸的制造工藝性要求
4)軸上零件的結構和位置安排
16.2.1擬訂軸上零件的裝配方案裝配方案決定軸上主要零件的:裝配方向裝配順序相互關系(a)(b)兩種裝配方案的比較套筒過長齒輪從左側裝入齒輪零件右側裝入16.2.2軸上零件的定位定位的分類軸向定位周向定位定位的目的―防止軸上零件相對軸發(fā)生沿軸向或周向的相對運動1.軸肩與軸環(huán)軸肩的分類
定位軸肩非定位
軸肩非定位軸肩便于裝配:h=(0.5~1)mm定位軸肩:
h=3~5mm軸環(huán)r>h
未實現(xiàn)定位r<h
定位準確為了使零件能靠軸肩準確定位,軸肩處的過渡圓角半徑r必須小于零件榖孔端部的圓角半徑R或倒角高度h。hrr—軸肩處過渡圓角半徑h—轂孔倒角高度2.
套筒定位優(yōu)點:結構簡單、定位可靠,對軸的強度削弱小適用場所:軸上兩零件的軸向距離不太大太長
軸承定位軸肩(套筒)不能過高(以便拆卸)
F
軸的長度應短于與之相配合零件的轂寬(定位可靠)
定位可靠定位不可靠
定位—零件有準確的工作位置
固定—零件在軸上的位置牢固可靠BB3.軸端擋圈夾緊4.圓錐面5.圓螺母夾緊雙螺母固定單螺母加止動墊片雙螺母固定單螺母加止動墊片6.彈性擋圈夾緊彈性擋圈緊定螺釘定位零件的周向定位周向定位的目的―限制軸上零件相對軸的轉動。周向定位的常見形式鍵聯(lián)接,銷聯(lián)接,緊定螺釘聯(lián)接和過盈配合等。H7r6φd16.2.3各段軸長度與直徑的確定首先,按純扭初估外伸端最小直徑dmin33P-傳遞的功率(kw);d-軸的直徑(mm);d0-空心軸的內徑;A-計算系數(shù),查表7.2;3實心軸:空心軸:詳細內容參見“第7章軸的設計”。各軸段直徑和長度的確定Ⅰ軸
確定軸各段長度及直徑應與軸所在的箱體整體結構相結合,綜合考慮。
★軸上與標準件配合軸段,應盡量采用標準直徑?!镙S上與零件相配合部分的軸段長度,應比輪轂長度略短2~3mm。16.2.4提高軸的強度的結構措施1.合理安排軸上載荷的傳遞路線輸入輪輸入輪不合理的布置合理的布置12342134T1T2T3T4T2T1T3T42.改善軸上零件結構(b)結構比(a)結構的最大彎矩值小,受力合理。MmaxMmax軸未受扭矩作用軸受扭矩作用FF改進軸上零件的結構以減小軸的載荷3.減小應力集中采用內凹圓角―靠軸肩定位的零件的圓角半徑很小時,可采用此方法加裝隔離環(huán)在輪榖或軸上開卸載槽當軸與輪轂為過盈配合時,配合邊緣處會產(chǎn)生較大的應力集中,為減小應力集中,采用卸載槽結構過盈配合時的應力分布輪轂采用卸載槽后的應力分布軸上開卸載槽4.提高軸頸的表面品質采用表面碾壓、噴丸、高頻表面淬火、滲碳及滲氮等表面強化工藝都可以顯著提高軸疲勞強度。應考慮軸的結構工藝性軸的結構工藝性是指軸的結構形狀應便于加工和裝配原則:在滿足使用的前提下,軸的結構越簡單越好
為便于裝配,常將軸做成階梯形軸端應制出2×45°倒角?!镄枰ハ鞯妮S段應留有砂輪越程槽
★需要車制螺紋的軸段應留有退刀槽
★為了減少裝夾工件的時間,同一軸上不同軸段的鍵槽應布置在軸的同一母線上★軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽寬度等應取相同尺寸16.3滾動軸承的組合結構設計軸承組合的內容為:1)軸承的配置;2)軸系調節(jié);3)軸承的緊固和裝配;4)軸承的配合;5)
軸承的潤滑密封;6)
軸承系統(tǒng)的剛度等。16.3.1滾動軸承的配置1.兩支點單向固定(全固式)L1 b軸的游動趨勢每一個支承只限制單方向移動,兩個支承共同防止軸的雙向移動。在軸向力的作用下,軸系左、右方向均不能軸向游動外伸端剛度差,且軸受熱變形后軸承易卡死軸的游動趨勢(全固式)外伸端剛度大,且軸受熱變形后軸承不易卡死在軸向力的作用下,軸系左、右方向均不能軸向游動適用場所:兩軸承跨度較小,工作溫度不高。L2b軸的游動趨勢軸的游動趨勢角接觸球軸承用于全固式右側軸承與端蓋間留有很小的軸向間隙,以適當補償軸受熱后的伸長變形。由于軸向間隙的存在,這種全固式支承不能做精確的軸向定位。熱補償間隙軸的游動趨勢軸的游動趨勢2.一支點雙向固定,另一支點游動(固游式)固游式適用的場所:受熱較大的長軸。游動端固定端軸的游動趨勢軸的游動趨勢2.一支點雙向固定,另一支點游動(固游式)軸的游動趨勢軸的游動趨勢固游式適用的場所:受熱較大的長軸。3兩端游動支承(全游式)適用場所:一對人字齒輪嚙合
全固式全游式當一根軸上的軸承采用全固式時,另一根軸上的軸承須采用全游式,以防止齒輪卡死或人字齒的兩側受力不均。軸的游動趨勢軸的游動趨勢軸的游動趨勢軸的游動趨勢3兩端游動支承(全游式)軸的游動趨勢軸的游動趨勢左右兩端均能沿軸向移動。16.3.2
軸系軸向位置調整和軸承游隙調整調整盤游隙對功能的影響軸承游隙的調整調整游隙的方法:靠端蓋下的墊片調整調整盤調整游隙過小,運轉不靈活。游隙過大,承載能力降低,同時在運轉時會出現(xiàn)振動和噪聲。調整軸系位置墊片調整軸承游隙墊片16.3.3滾動軸承的預緊預緊―是指在安裝軸承時預先對軸承施加一軸向載荷,以消除軸承中的軸向游隙,并使?jié)L動體和內、外圈滾道之間產(chǎn)生一定的預變形。(因軸承受力后還要發(fā)生變形,產(chǎn)生間隙,如不預緊,過大的變形量會影響工作質量)預緊量―應根據(jù)軸承的受載情況和使用要求合理確定,預緊量過大,軸承的磨損量和發(fā)熱量加大,會導致軸承壽命降低。軸承預緊的目的:提高軸承的旋轉精度,增加軸承裝置的剛度,減小機器工作時的軸向振動,延長軸承壽命。。常見的預緊方式圖(a)正裝的圓錐滾子軸承通過夾緊外圈而預緊圖(b)用彈簧預緊可得到穩(wěn)定的預緊力圖(a)圖(b)圖(C)在一對軸承中間裝入長度不等的套筒,預緊量由套筒的長度差來控制圖(d)為角接觸軸承反裝,將軸承外圈磨窄,通過圓螺母夾緊使軸承預緊圖(C)圖(d)16.3.4滾動軸承的配合1.滾動軸承配合的特點2)通常基孔制配合中基準孔的尺寸公差帶采用下偏差為零,上偏差為正值的分布。3)滾動軸承是標準組件,在裝配圖中尺寸標注時,不需要標注軸承的公差符號,只需標注與之配合的軸和孔的公差符號。4)設計中不但要規(guī)定與滾動軸承配合的表面尺寸公差,同時也要規(guī)定相應的形位公差。1)滾動軸承內圈與軸的配合采用基孔制,滾動軸承外圈與孔的配合采用基軸制滾動軸承的公差帶★滾動軸承內圈與外圈的尺寸公差帶均采用上偏差為零,下偏差為負值的分布,所以與滾動軸承內圈配合的軸在采用同樣的配合符號時,與滾動軸承所形成的配合比一般基孔制的基準孔所形成的配合更緊。2.滾動軸承配合的選用的原則1)載荷的大小和方向2)軸承的工作溫度3)軸承的固定形式4)軸承的拆裝條件5)軸承精度等級軸承受載較大時,配合容易松動,應選用較緊配合;
當載荷方向不變時,轉動圈比固定圈有更緊的配合。當發(fā)熱量較大,散熱條件較差時,外圈配合選的稍松,內圈配合選的稍緊。固定支點的軸承外圈與孔的相對位置固定,可選擇較緊的配合。外圈相對于孔有軸向移動時,應采用間隙配合。經(jīng)常拆卸、更換、拆裝的軸承應選用較松的配合。不經(jīng)常拆卸的軸承可選用較緊的配合。高精度軸承也應提高與之相配合的軸和孔的加工精度要求。16.3.5滾動軸承的安裝與拆卸軸承安裝有熱套法和冷壓法。所謂熱套法就是將軸承放入油池中,加熱至80℃~100℃,然后套裝在軸上。冷壓法需有專用壓套,用壓力機壓入。滾動軸承與軸和孔配合較緊,設計中要為拆卸留有必要的空間,F(xiàn)FFFl壓頭軸手柄螺桿螺母鉤爪軸承內圈壓裝軸承外圈壓裝壓力機拆卸鉤爪拆卸器壓套組裝壓套16.3.6
滾動軸承的密封裝置滾動軸承密封的目的是防止灰塵、水分和其他雜物侵入軸承,并可阻止?jié)櫥瑒┑牧魇?。按照原理可分為:接觸式密封非接觸式密封1.接觸式密封1)氈圈密封2)密封圈式密封2非接觸式密封1)隙縫密封2)甩油密封注意:圖c軸的轉向必須有利于油流回箱體內a)軸上開油槽b)甩油環(huán)c)螺旋式送油槽3.迷宮式密封(曲路密封)使用場所:潮濕或較臟的工作環(huán)境。對軸向曲路密封端蓋的結構要求:剖分式端蓋。密封效果好,但結構復雜,造價較高。b)軸向曲路密封a)徑向曲路密封16.4滑動軸承結構設計16.4.1滑動軸承的典型結構型式1.徑向滑動軸承1)整體式徑向滑動軸承油杯螺紋孔軸承座軸套這種軸承結構簡單、制造成本低,但磨損后無法修整,對曲軸無法安裝。所以,多用于低速、輕載和間歇工作的場合。軸承座油孔油杯螺紋孔油溝軸套2)剖分式滑動軸承軸承座剖分軸瓦軸承蓋雙頭螺柱軸承座軸承蓋雙頭螺柱軸瓦對開式滑動軸承在裝拆軸時,軸頸不需要軸向移動,裝拆方便。另外,適當增減軸瓦剖分面間的調整墊片,可以調節(jié)軸頸與軸承之間的間隙。對開式正滑動軸承對開式斜滑動軸承調心滑動軸承適用于軸頸較長(寬徑比B/L大于1.5~1.75),軸的剛度較小,或兩軸承,座孔同心度較難保證時。2.推力滑動軸承(a)(b)(d)(c)(a)結構由于靠近邊緣處相對滑動速度大,磨損嚴重,工作面上壓強分布不均勻;(b)結構由于采用環(huán)狀端面,改善了壓強分布不均勻狀態(tài);(d)結構適用于載荷較大,承受雙向軸向載荷的場所。單環(huán)結構多環(huán)結構FFFF16.4.2
軸瓦的結構整體式軸承中與軸頸配合的零件稱為軸套,分為不帶油溝和帶油溝兩種結構。帶油溝整體軸瓦對開式軸瓦油溝油孔油孔油溝無油溝整體軸瓦為使剖分式軸承軸瓦既有一定的強度和良好的減磨性,常在軸瓦內表面澆鑄一層減磨性好的材料(如軸承合金),稱為軸承襯。軸瓦與軸承襯結合型式要求軸承襯能可靠地貼合在軸瓦表面上。供油孔和油溝應開在軸瓦的非承載區(qū),否則會降低油膜的承載能力
圖(b)中虛線為未開油溝前的壓力分布。圖(a)中a曲線為未開油溝前的壓力分布。(a)(b)a油室對于一些重型機器的軸承軸瓦,其上常開設油室。它既可以使?jié)櫥臻g增大,并有貯油和保證潤滑油穩(wěn)定性的作用,16.5螺栓組結構設計16.5.1
連接結合面的形狀結合面的形狀應為軸對稱的簡單幾何形狀以便于加工制造,保證受力合理。16.5.2螺栓的空間布置1.為了便于在圓周上鉆孔時的分度和畫線,通常分布在同一圓周上的螺栓數(shù)目取成3、4、6、8等數(shù);在布置螺栓時,螺栓中心線與機體壁、螺栓之間的距離,要依據(jù)扳手所需的活動空間大小和連接的密封性要求來決定。2.螺栓之間的距離t一般按照經(jīng)驗公式選擇:(用于密封性要求高及壓力P≈(1.0~10)
MPa
的場合。(用于一般連接及壓力P≤1.6MPa的壓力容器)(用于無密封要求的場合)t=3.螺栓布置應使各螺栓的受力合理。對鉸制孔螺栓不能在受力方向成排布置8個以上螺栓,以免受力不均。FFtdr2(b)r1(a)螺栓連接承受彎、扭矩作用時,應使螺栓靠近結合面的邊緣,以減小螺栓的受力。TTF1F2扭矩T相同,結構(a)比結構(b)螺栓受力小因為:所以:(a)方案比(b)方案合理★為簡化設計、制造,對同一螺栓組內的螺栓應選擇同樣材料、同樣規(guī)格、同一標準的螺栓,以便于采購、管理和裝配。16.5.3
基于受力合理性的螺栓結構設計螺栓連接的強度主要取決于螺栓的強度影響螺栓強度的因素1.
危險截面的應力幅2.
螺紋牙上的載荷不均3.
螺栓上的應力集中4.
螺栓上的附加應力5.
螺栓的制造工藝1.降低影響螺栓疲勞強度的應力幅在最小應力不變的情況下,應力幅值越小,螺栓越不容易發(fā)生疲勞失效。FF″△F前提:▲預緊力F′不變;▲工作拉力F不變。結果:總拉力F0
減小,殘余預緊力F″減小,△F
減小。降低螺栓剛度應力幅減小結論:★降低螺栓的剛度降低螺栓應力幅的措施λmλbF′F0F△F′FF′F″
★增加被連接件的剛度△F前提:▲預緊力F′不變,工作拉力F不變增加被連接件剛度應力幅減小結論λbλmF0F結果:▲總拉力F0減小至,殘余預緊力減小,△F
減小為★同時降低螺栓剛度、增加被連接件剛度▲前提:總拉力F0不變,工作拉力F、殘余預緊力F″均不變▲結果:預緊力F′
增大,△F
減小同時降低螺栓剛度、增加被連接件剛度是最有效的降低應力幅的方法結論:F′F″△FλbFFλm★降低應力幅的具體措施▲采用腰狀螺栓與空心螺栓▲在螺母下采用彈性元件▲采用剛度較大的密封環(huán)效果不好效果好剛度小
2.改善螺紋牙上載荷分布不均的現(xiàn)象
★螺紋牙上載荷分布不均的原因螺栓和螺母的剛度及變形性質不同1/3載荷第八圈以上螺紋
幾乎不受力采用加高螺母不能提高連接的強度F0★改善螺紋牙上載荷分布不均的措施▲旋置螺母▲內斜螺母▲環(huán)槽螺母▲內斜、環(huán)槽結合新型螺母F0F0內斜、環(huán)槽結合螺母
3.減小應力集中的影響加大圓角r卸載槽rr0.5~1.0卸載過渡結構r2支承面不平,被連接件變形太大(a)采用球面墊圈(b)采用斜面墊圈e避免采用勾頭螺栓(c)凸臺(d)沉頭座F0MF0F0MF0F0(a)采用球面墊圈(b)采用斜面墊圈支承面不平,被連接件變形太大MF0e避免采用勾頭螺栓F0MF0F0(c)凸臺(d)沉頭座4.避免附加應力16.6典型零部件的潤滑設計16.6.1
滑動軸承的潤滑設計▲對于相對滑動速度V較低,在邊界潤滑狀態(tài)的滑動軸承:如果密封防塵較好,可采用油潤滑,否則應采用脂潤滑。▲對于在混合潤滑狀態(tài)下的滑動軸承可采用:飛濺潤滑、油環(huán)或油鏈等潤滑方法,并保證適當?shù)墓┯土?;▲對于在流體動壓潤滑狀態(tài)下的滑動軸承應采用:
壓力供油潤滑力式,并保證充分供油;▲對于采用連續(xù)供油方式潤滑的滑動軸承:應使軸承內的潤滑油保持流動,以加強散熱和清洗潤滑表面,防止熱量和污物滯留。16.6.2滾動軸承的潤滑設計常用滾動軸承的潤滑劑為潤滑脂和潤滑油兩種。具體選擇可按速度因數(shù)dn值來決定。d—滾動軸承的內徑,mm;n
—為軸承的轉速,r/min。當dn
<2~3×
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