机械设计基础第14章轴.ppt

湖南科技大学专用作者：潘存云教授,第14章轴,14-1轴的分类,14-2轴的常用材料,14-3轴的结构设计及其制造工艺,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,本章概要,(1)轴的分类。(2)轴的常用材料及选用时应考虑的因素。(3)轴结构设计的目的及要求。(4)轴的强度和刚度计算方法。,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,14-1轴的分类,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,按承受载荷分,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1轴的分类,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩。,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,14-1轴的分类,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等，并传递运动和动力。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,14-1轴的分类,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,曲轴,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,14-1轴的分类,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。,类型,转轴传递扭矩又承受弯矩,按承受载荷分有,分类：,按轴的形状分有,传动轴只传递扭矩,心轴只承受弯矩,直轴,曲轴,挠性钢丝轴,设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确定尺寸等,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,种类,碳素钢35、45、50、Q235,轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。,14-2轴的常用材料,合金钢20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等,用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是45钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。,如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。,为了改善力学性能,轴的常用材料及其主要性能见表14-1,材料选择:考虑强度、刚度及耐磨性，热处理方法，加工工艺要求，材料的来源及价格,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,14-3轴的结构设计及其制造工艺,设计要求：,1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装),2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位),3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定),4.改善应力状况，减小应力集中。,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。,为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。零件的安装次序,一、轴的结构设计,取值见P119,1、制造安装要求,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。,2、轴上零件的定位,4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。,轴肩阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。,3、轴上零件的固定,齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。,双向固定,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定,轴肩的尺寸要求:,rC1或rR,b1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准),轴端挡圈,h(0.07d+3)(0.1d+5)mm,装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈固定。,取值见P119,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,轴向力较小时，可采用弹性挡圈或紧定螺钉来实现。,周向固定大多采用键、花键、或过盈配合等联接形式来实现。,为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。,键槽应设计成同一加工直线,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,4、改善轴的受力状况，减小应力集中,图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。,Tmax=T1+T2,Tmax=T1,A.改善受力状况,当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。,合理,不合理,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,B.减小应力集中,合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。,应力集中出现在截面突然发生变化处,措施：a.用圆角过渡；,b.尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;,c.重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,二轴的工作能力计算可简单讲解，课程设计再学,1、按扭转强度计算,轴的强度设计应根据轴的承载情况，采用相应的计算方法，常用方法有两种。,对于只传递扭矩的圆截面轴，强度条件为,设计公式为,对于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。,计算结果为最小直径！,解释各符号的意义及单位,应圆整为标准直径！,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。,在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。,因b和的循环特性不同，折合后得,2、按弯扭合成强度计算,对于一般钢制轴，可用第三强度理论（最大切应力理论）求出危险截面的当量应力。,强度条件为,弯曲应力,扭切应力,代入得,W抗弯截面系数；WT抗扭截面系数；,-折合系数,Me-当量弯矩,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,折合系数取值=,0.3转矩不变；,0.6脉动变化；,1频繁正反转。,设计公式,脉动循环状态下的许用弯曲应力,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,折合系数取值=,0.3转矩不变；,0.6脉动变化；,1频繁正反转。,设计公式,对称循环状态下的许用弯曲应力,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：,1.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH;,2.作垂直弯矩MV图和弯矩MH图;,3.作合成弯矩M图；,4.作转矩T图；,5.弯扭合成，作当量弯矩Me图；,6.计算危险截面轴径:,1.若危险截面上有键槽，则应加大4%,2.若计算结果大于结构设计初步估计的轴径，则强度不够，应修改设计；,3.若计算结果小于结构设计初步估计的轴径，且相差不大，一般以结构设计的轴径为准。,对于一般刚轴，按上述方法设计即可。对于重要的轴，还必须用安全系数法作精确校核计算。,说明：,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,三轴的刚度计算解释何为刚度,弯矩弯曲变形,扭矩扭转变形,若刚度不够导致轴的变形过大，就会影响其正常工作。,变形量的描述：,挠度y,、转角,、扭角,设计要求：,yy,复习材料力学相关内容。,y,可查表14-3,湖南科技大学专用作者：潘存云教授,设计：潘存云,设计：潘存云,四轴的临界转速,复习材料力学相关内容。,回转件的重心与几何轴线不可能精确重合,其偏差将产生离心力，引起轴的弯曲振动，当其频率与轴的弯曲自振频率相同时，引起弯曲共振。,当轴由于传递的功率有周期性变化时，引起轴的扭转振动，当其频率与轴的扭转自振频率相同时，引起共振现象。,轴在引起共振时的转速称为临界转速。,为避免共振，需要计算临界转速，使其工作转速避开临界转速。,对高速