第16章 常用装置的结构设计.ppt

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1、第16章 常用装置的结构设计,16.1 轮类零件的结构设计,16.2 轴的结构设计,16.3 滚动轴承的组合结构设计,16.4 滑动轴承结构设计,16.5 螺栓组结构设计,16.6 典型零部件的润滑设计,带轮常用材料,16.1 轮类零件的结构设计,16.1.1带轮的结构设计,灰铸铁 （HT150、HT200） 用于：v30m/s,1带轮的结构形式,实心式,球墨铸铁 用于：v25m/s40m/s,铸钢 用于：v25m/s40m/s,铸铝、工程塑料 用于小功率传动,腹板式,孔板式,且：,轮辐式,2轮槽及其他尺寸的确定,轮槽及带轮的其他结构尺寸可查表3.4，和参照图16.1中的经验 公式计算。,3带

2、轮的技术要求,V带轮的技术要求是：,铸造、焊接或烧结的带轮在轮缘、腹板、轮辐及轮毂上不允许 有砂眼、裂缝、缩孔及气饱；,转速高于极限转速的带轮要做动平衡，反之要做静平衡。,铸造带轮在不提高内部应力的前提下，允许对轮缘、凸台、 腹板及轮毂的表面缺陷进行修补；,其他条件参见GB/T 13575.1.92中的规定。,16.1.2 齿轮的结构设计,齿轮结构设计包括轮缘、轮辐及轮毂等。,1锻造齿轮,对于齿轮齿顶圆直径小于500mm 的齿轮，一般采用锻造毛坯。,1）齿轮轴,1）实体式齿轮,齿轮的齿顶圆直径da 160mm时，可采用实心式结构。,2）腹板式结构,da500mm时，可做成腹板式结构,当da50

3、0mm时，为减轻重量，也可做成孔板式结构。,3）孔板式结构,轮辐式结构,400da1000mm时，可做成轮辐式结构,2铸造齿轮,圆锥齿轮常用 腹板代替轮辐。,3镶套齿轮,（a）组装齿圈的结构,（b）非金属板齿轮组装结构,对于尺寸较大而需要用较贵重金属齿轮，要采用组装齿轮结构， 以节约材料。轮圈用钢制成，而轮芯用铸铁或铸钢,4焊接齿轮,对于单件或小批量生产的大齿轮，还可以采用焊接结构。,16.1.3齿轮与轴连接的设计方法,为使轴与轮毂的连接具有足够的承载能力和定位精度，应合理 地确定轮毂的宽度和直径。,轮毂宽度L可取为轮毂孔直径 d的0.8-1.0 倍。载荷较大或承受较大轴向载荷时取大值。,非实

4、心齿轮通常取轮毂外径为 轮毂孔直径的1.61.8 倍。承受 较大载荷、冲击载荷、或开有键槽 、销孔的轮毂应取较大值。,轴与轮毂连接部分的直径ds（轮毂孔径）根据装入端相邻轴段 的直径加5-10mm估算，若强度不足可加大轮毂宽度。,轮毂孔与轴颈接触处， 应注意连接配合的选择：, 对转速较高、承载较大，或承受 冲击载荷的连接应选择较紧的配合。,对于有相对滑动或转动的连接， 应选择间隙配合形式；, 对固定连接应选择过盈配合或过渡配合；,16.1.4 蜗杆及蜗轮的结构设计,蜗杆因为直径不大，常与轴做成一体的，称为蜗杆轴。,1蜗杆结构,铣制蜗杆 无退刀槽，螺纹部分只能用铣刀铣制。,车制蜗杆 有退刀槽，螺

5、纹部分既可以铣制又可以车制。,2蜗轮结构,1）整体浇铸式 主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。,2）齿圈式 这种结构由青铜齿圈及铸铁轮心所组成。,3）螺栓连接式 多用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮。,4）拼铸式 只用于成批制造的蜗轮。,16.2 轴的结构设计,轴结构设计的内容: 定出轴的合理外形和全部结构尺寸,轴的结构设计要考虑的因素,1）轴上零件的定位要求,2）轴上零件的拆装、调整要求,3）轴的制造工艺性要求,4）轴上零件的结构和位置安排,16.2.1拟订轴上零件的装配方案,装配方案决定轴上主要零件的:,装配方向 装配顺序 相互关系,（a）,（b）,两种装配方案的比较,齿轮从左侧装入,齿轮零件

6、右侧装入,16.2.2 轴上零件的定位,定位的分类,轴向定位,周向定位,定位的目的防止轴上零件相对轴发生沿轴向或周向的相对运动,1.轴肩与轴环,轴肩的分类,定位轴肩,非定位 轴肩,rh 未实现定位,rh 定位准确,为了使零件能靠轴肩准确定位，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于零件榖孔端部的圆角半径R或倒角高度h。,r轴肩处过渡圆角半径,h毂孔倒角高度,2. 套筒定位,优点：结构简单、定位可靠，对轴的强度削弱小,适用场所：轴上两零件的轴向距离不太大,轴承定位轴肩(套筒)不能过高(以便拆卸),轴的长度应短于与之相配合零件的毂宽（定位可靠）,定位可靠,定位不可靠,3.轴端挡圈夹紧,4圆锥面,5. 圆螺母

7、夹紧,双螺母固定,单螺母加止动垫片,双螺母固定,单螺母加止动垫片,6弹性挡圈夹紧,紧定螺钉定位,零件的周向定位,周向定位的目的限制轴上零件相对轴的转动。,周向定位的常见形式,键联接，销联接，紧定螺钉联接和过盈配合等。,16.2.3 各段轴长度与直径的确定,首先，按纯扭初估外伸端最小直径dmin,3,P传递的功率(kw);,d轴的直径(mm)；,d0空心轴的内径；,A计算系数,查表7.2；,3,实心轴：,空心轴：,详细内容参见“第7章轴的设计”。,各轴段直径和长度的确定,轴,确定轴各段长度及直径 应与轴所在的箱体整体结 构相结合，综合考虑。,轴上与标准件配合轴段，应 尽量采用标准直径。,轴上与零

8、件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度略短23mm。,16.2.4 提高轴的强度的结构措施,1. 合理安排轴上载荷的传递路线,输入轮,输入轮,不合理的布置,合理的布置,2改善轴上零件结构,（b）结构比（a）结构的最大弯矩值小，受力合理。,轴未受扭矩作用,轴受扭矩作用,改进轴上零件的结构以减小轴的载荷,3减小应力集中,采用内凹圆角靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，可采用此方法,加装隔离环,在轮榖或轴上开卸载槽,当轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘处会产生较大的应力集中，为减小应力集中，采用卸载槽结构,过盈配合时 的应力分布,轮毂采用卸载槽 后的应力分布,轴上开卸载槽,4提高轴颈的表面品质,采用表面碾压

9、、喷丸、高频表面淬火、渗碳及渗氮等表面强化 工艺都可以显著提高轴疲劳强度。,应考虑轴的结构工艺性,轴的结构工艺性是指轴的结构形状应便于加工和装配,原则：在满足使用的前提下，轴的结构越简单越好,为便于装配，常将轴做成阶梯形轴端应制出245倒角。, 需要磨削的轴段应留有砂轮越程槽, 需要车制螺纹的轴段应留有退刀槽, 为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应 布置在轴的同一母线上, 轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度等应取相同尺寸,16.3 滚动轴承的组合结构设计,轴承组合的内容为：,1）轴承的配置； 2）轴系调节； 3）轴承的紧固和装配； 4）轴承的配合； 5 ) 轴承的润滑密封；6 )

10、 轴承系统的刚度等。,16.3.1 滚动轴承的配置,1.两支点单向固定（全固式）,每一个支承只限制单方向移动， 两个支承共同防止轴的双向移动。,在轴向力的作用下，轴系 左、右方向均不能轴向游动,（全固式）,外伸端刚度大，且轴受热变形后轴承不易卡死,在轴向力的作用下，轴系 左、右方向均不能轴向游动,适用场所：两轴承跨度较小， 工作温度不高。,角接触球轴承用于全固式,右侧轴承与端盖间留有很小的轴向间隙，以适当 补偿轴受热后的伸长变形。由于轴向间隙的存在 ，这种全固式支承不能做精确的轴向定位。,2. 一支点双向固定，另一支点游动（固游式）,固游式适用的场所：受热较大的长轴。,2. 一支点双向固定，另

11、一支点游动（固游式）,固游式适用的场所：受热较大的长轴。,3 两端游动支承（全游式）,适用场所：一对人字齿轮啮合,全固式,全游式,当一根轴上的轴承采用全固式时，另一根轴上的轴承须 采用全游式，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均。,3 两端游动支承（全游式）,左右两端均能沿轴向移动。,16.3.2 轴系轴向位置调整和轴承游隙调整,游隙对功能的影响,轴承游隙的调整,调整游隙的方法：,靠端盖下的垫片调整,调整盘调整,游隙过小，运转不灵活。,游隙过大，承载能力降低，同时在运转时会出现振动和噪声。,16.3.3 滚动轴承的预紧,预紧是指在安装轴承时预先对轴承施加一轴向载荷，以消 除轴承中的轴向游隙，并

12、使滚动体和内、外圈滚道之间产生一定的预变形。（因轴承受力后还要发生变形，产生间隙，如不预紧，过大的变形量会影响工作质量）,预紧量应根据轴承的受载情况和使用要求合理确定，预紧量过大，轴承的磨损量和发热量加大，会导致轴承寿命降低。,轴承预紧的目的：提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚度， 减小机器工作时的轴向振动，延长轴承寿命。 。,常见的预紧方式,图（a）正装的圆锥滚子轴承通过夹紧外圈而预紧,图（b）用弹簧预紧 可得到稳定的预紧力,图（a）,图（b）,图（C）在一对轴承中间装入长度不等的套筒，预紧量由套筒的长度差来控制,图（d）为角接触轴承反装，将轴承外圈磨窄，通过圆螺母夹紧使轴承预紧,图（C）

13、,图（d）,16.3.4 滚动轴承的配合,1滚动轴承配合的特点,2）通常基孔制配合中基准孔的尺寸公差带采用下偏差为零， 上偏差为正值的分布。,3）滚动轴承是标准组件，在装配图中尺寸标注时，不需要标注 轴承的公差符号，只需标注与之配合的轴和孔的公差符号。,4）设计中不但要规定与滚动轴承配合的表面尺寸公差，同时 也要规定相应的形位公差。,1）滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，滚动轴承外圈与孔 的配合采用基轴制,滚动轴承的公差带,滚动轴承内圈与外圈的 尺寸公差带均采用上偏差 为零，下偏差为负值的分布， 所以与滚动轴承内圈配合的 轴在采用同样的配合符号时， 与滚动轴承所形成的配合比 一般基孔制的基准孔

14、所形成 的配合更紧。,2滚动轴承配合的选用的原则,1）载荷的大小和方向,2）轴承的工作温度,3）轴承的固定形式,4）轴承的拆装条件,5）轴承精度等级,轴承受载较大时，配合容易松动，应选用较紧配合; 当载荷方向不变时，转动圈比固定圈有更紧的配合。,当发热量较大，散热条件较差时，外圈配合选的稍松，内圈 配合选的稍紧。,固定支点的轴承外圈与孔的相对位置固定，可选择较紧的配合。 外圈相对于孔有轴向移动时，应采用间隙配合。,经常拆卸、更换、拆装的轴承应选用较松的配合。不经常拆卸的轴承可选用较紧的配合。,高精度轴承也应提高与之相配合的轴和孔的加工精度要求。,16.3.5 滚动轴承的安装与拆卸,轴承安装有热

15、套法和冷压法。所谓热套法就是将轴承放入油池中， 加热至80100，然后套装在轴上。冷压法需有专用压套， 用压力机压入。,滚动轴承与轴和孔配合较紧，设计中要为拆卸留有必要的空间，,轴承内圈压装,轴承外圈压装,压力机拆卸,钩爪拆卸器,16.3.6 滚动轴承的密封装置,滚动轴承密封的目的是防止灰尘、 水分和其他杂物侵入轴承，并可 阻止润滑剂的流失。,按照原理可分为：,接触式密封,非接触式密封,1接触式密封,1）毡圈密封,2 ）密封圈式密封,2 非接触式密封,1 ）隙缝密封,2 ）甩油密封,注意：图轴的转向必须有利于油流回箱体内,）轴上开油槽,）甩油环,）螺旋式送油槽,3. 迷宫式密封（曲路密封）,使

16、用场所：潮湿或较脏的工作环境。,对轴向曲路密封端盖的结构要求：剖分式端盖。,密封效果好，但结构复杂，造价较高。,）轴向曲路密封,）径向曲路密封,16.4 滑动轴承结构设计,16.4.1 滑动轴承的典型结构型式,1径向滑动轴承,1）整体式径向滑动轴承,油杯螺纹孔,轴承座,轴套,这种轴承结构简单、制造成本低， 但磨损后无法修整，对曲轴无法 安装。所以，多用于低速、轻载 和间歇工作的场合。,2）剖分式滑动轴承,对开式滑动轴承在装拆轴时，轴颈不需要轴向移动，装拆方便。 另外，适当增减轴瓦剖分面间的调整垫片，可以调节轴颈与轴承 之间的间隙。,对开式正滑动轴承,对开式斜滑动轴承,调心滑动轴承,适用于轴颈较

17、长（宽径比B/L大于 1.51.75），轴的刚度较小，或 两轴承，座孔同心度较难保证时。,2推力滑动轴承,（a）,（b）,（d）,（c）,（a）结构由于靠近边缘处相对滑动速度大，磨损严重，工作 面上压强分布不均匀；,（b）结构由于采用环状端面，改善了压强分布不均匀状态；,（d）结构适用于载荷较大，承受双向轴向载荷的场所。,单环结构,多环结构,16.4.2 轴瓦的结构,整体式轴承中与轴颈配合的零件称为轴套，分为不带油沟和 带油沟两种结构。,带油沟整体轴瓦,无油沟整体轴瓦,为使剖分式轴承轴瓦既有一定的强度和良好的减磨性，常在轴瓦 内表面浇铸一层减磨性好的材料（如轴承合金），称为轴承衬。,轴瓦与轴承

18、衬结合型式,要求轴承衬能可靠地贴合在轴瓦表面上。,供油孔和油沟应开在轴瓦的非承载区，否则会降低油膜的承载能力,图（b）中虚线为未开油沟前的压力分布。,图（a）中 a曲线为未开油沟前的压力分布。,（a）,（b）,油室,对于一些重型机器的轴承轴瓦，其上常开设油室。它既可以使 润滑空间增大，并有贮油和保证润滑油稳定性的作用，,16.5 螺栓组结构设计,16.5.1 连接结合面的形状,结合面的形状应为轴对称的简单几何形状以便于加工制造， 保证受力合理。,16.5.2 螺栓的空间布置,1为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一 圆周上的螺栓数目取成3、4、6、8等数；,在布置螺栓时，螺栓中心线

19、与机体壁、螺栓之间的距离，要依据 扳手所需的活动空间大小和连接的密封性要求来决定。,2螺栓之间的距离t一般按照经验公式选择：,（用于密封性要求高及压力P （1.010） MPa 的场合。,（用于一般连接及压力P1.6MPa的压力容器）,（用于无密封要求的场合）,t =,3螺栓布置应使各螺栓的受力合理。 对铰制孔螺栓不能在受力方向成排 布置8个以上螺栓，以免受力不均。,d,螺栓连接承受弯、扭矩作用时，应使螺栓靠近结合面的边缘，以减小螺栓的受力。,扭矩T相同，结构（a） 比结构（b）螺栓受力小,因为：,所以：,（a）方案比（b）方案合理,为简化设计、制造，对同一螺栓组内的螺栓应选择同样材料、 同样

20、规格、同一标准的螺栓，以便于采购、管理和装配。,16.5. 3 基于受力合理性的螺栓结构设计,螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度,影响螺栓强度的因素,1. 危险截面的应力幅 2. 螺纹牙上的载荷不均 3. 螺栓上的应力集中 4. 螺栓上的附加应力 5. 螺栓的制造工艺,1降低影响螺栓疲劳强度的应力幅,在最小应力不变的情况下，应力幅值越小，螺栓越不容易发生 疲劳失效。,前提： 预紧力 F不变; 工作拉力F不变。,结果： 总拉力 F0 减小，残余预紧力F减小, F 减小。,降低螺栓的刚度,降低螺栓应力幅的措施,增加被连接件的刚度,前提： 预紧力 F不变，工作拉力 F 不变,同时降低螺栓刚度、增加被

21、连接件刚度,前提：总拉力F0不变 ，工作拉力F、残余预紧力F均不变,结果：预紧力 F 增大，F 减小,降低应力幅的具体措施,采用腰状螺栓与空心螺栓,在螺母下采用弹性元件,采用刚度较大的密封环,2. 改善螺纹牙上载荷分布不均的现象,螺纹牙上载荷分布不均的原因,螺栓和螺母的刚度 及变形性质不同,改善螺纹牙上载荷分布不均的措施,旋置螺母,内斜螺母,环槽螺母,内斜、环槽结合新型螺母,3.减小应力集中的影响,加大圆角,4. 避免附加应力,16.6 典型零部件的润滑设计,16.6.1 滑动轴承的润滑设计,对于相对滑动速度V较低，在边界润滑状态的滑动轴承： 如果密封防尘较好，可采用油润滑，否则应采用脂润滑。

22、,对于在混合润滑状态下的滑动轴承可采用: 飞溅润滑、油环或油链等润滑方法，并保证适当的供油量；,对于在流体动压润滑状态下的滑动轴承应采用: 压力供油润滑力式，并保证充分供油；,对于采用连续供油方式润滑的滑动轴承： 应使轴承内的润滑油保持流动，以加强散热和清洗润滑 表面，防止热量和污物滞留。,16.6.2 滚动轴承的润滑设计,常用滚动轴承的润滑剂为润滑脂和润滑油两种 。,具体选择可按速度因数dn值来决定。,具体选择请参看表16.1,16.6.3 齿轮传动的润滑设计,齿轮的润滑方式一般可由齿轮的节圆速度来确定（见表16.2）。,浸油润滑时，为了减少齿轮运动的阻力和油的温升，浸入油中 的齿轮深度以1

23、2个齿高为宜;,当速度低时（0.50.8m/s），允许浸入深些，可达到齿轮半径 的1/6；,在锥齿轮传动中浸入油中的齿轮深度应达到轮齿的整个齿宽。,在多级齿轮减速器中，尽量使各级传动浸油深度近于相等。 （图16.57a）。从而使高速级和低速级浸油深度大致相等。,如果低速级齿轮浸油太深，为了降低其深度，可对高速级齿轮 采用惰轮浸油润滑;,也可将减速器箱盖或箱体的剖分面做成倾斜的，以使各级浸油深度接近相等。,（a）,（b）,（c）,减速器油池的体积平均可按1kW约需0.350.7L油量计算,齿 顶 圆至油池底距离不少于3050mm，以免太浅激起沉降在底部 的磨屑或杂质。,开式齿轮可以采用涂抹润滑脂

24、、滴油、油槽浸油等方式供油。,当齿轮的圆周速度大于12m/s常用喷油或喷雾润滑。喷嘴一般 放在啮入侧。当速度大于25m/s时，喷嘴放在啮出侧。,齿轮箱中的温度一般控制在80C以下，否则应采取冷却措施。,喷油润滑,16.6.4 蜗杆传动的润滑设计,箱体外壁加散热片,蜗杆圆周速度小于10m/s 时可用浸油润滑。,当蜗杆下置时，蜗杆浸入油面高度应低于一个齿高，且不超过 蜗杆上滚动轴承的最低滚动体的中心，以免增加搅油损失。,当蜗杆未能浸入油中时，可在蜗杆上设置溅油轮来进行润滑。,蜗杆上置时，蜗轮浸入油中深度也为一个齿高至蜗轮直径的1/3。,当蜗杆圆周速度大于10m/s时，喷油方向应顺着蜗杆啮入侧 。,