轴的结构与强度校核.ppt

分析轴系结构中的错误 1 轴肩2 间隙3 轴肩4 过高5 过宽6 过长7 过高8 画法9 垫片10 垫片 1 10 2 3 4 5 6 7 8 9 1 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 四 轴的结构工艺性 2 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 图10 6越程槽和退刀槽 2 轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置 减少加工装夹次数 3 为了便于轴上零件的装配和去除毛刺 轴及轴肩端部一般均应制出45 的倒角 过盈配合轴段的装入端常加工出半锥角为30 的导向锥面 如图10 7 4 为便于加工 应使轴上直径相近处的圆角 倒角 键槽 退刀槽和越程槽等尺寸一致 5 若各轴段具有较高同轴度 在轴两端开设中心孔 五 提高轴的强度和刚度的常用措施 2 合理布置轴上零件 减小轴上的载荷 1 改进轴上零件结构 减小轴的载荷 3 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的 措施 1 用圆角过渡 2 尽量避免在轴上开横孔 切口或凹槽 3 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 第三节 轴的工作能力分析 一 对于只传递扭转的圆截面轴 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 轴上有键槽时 考虑到键会削弱轴的强度 应将直径计算值加大 单键加大3 双键加大7 二 按弯扭合成强度计算 1 轴上力的简化 一般配合 过盈配合 2 轴上支点的位置 轴的结构设计初步完成后 通常要对转轴进行弯扭合成强度校核 对于钢制轴可按第三强度理论计算 强度条件为 10 3 式中 e 当量应力 N mm2 Me 当量弯矩 N mm M 危险截面上的合成弯矩 MH MV分别为水平面上 垂直面上的弯矩 材料 b 1 0 1 4001307040 5001707545 6002009555 70023011065 80027013075 90030014080 100033015090 5001207040 4001005030 轴的许用弯曲应力 碳素钢 合金钢 铸钢 折合系数取值 0 3 转矩不变 0 6 脉动变化 1 对称循环转矩 频繁正反转 静应力状态下的许用弯曲应力 设计公式 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 材料 b 1 0 1 4001307040 5001707545 6002009555 70023011065 80027013075 90030014080 100033015090 5001207040 4001005030 轴的许用弯曲应力 碳素钢 合金钢 铸钢 脉动循环状态下的许用弯曲应力 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 材料 b 1 0 1 4001307040 5001707545 6002009555 70023011065 80027013075 90030014080 100033015090 5001207040 4001005030 轴的许用弯曲应力 碳素钢 合金钢 铸钢 对称循环状态下的许用弯曲应力 弯扭合成强度的计算按下列步骤进行 1 绘出轴的计算简图 标出作用力的方向及作用点的位置 2 取定坐标系 将作用在轴上的力分解为水平分力和垂直分力 并求其支反力 3 分别绘制出水平面和垂直面内的弯矩图 5 绘制转矩图 7 确定危险剖面 校核危险剖面的弯扭合成强度 6 按照强度理论求出当量弯矩 并做当量弯矩图 4 计算合成弯矩 并绘制出合成弯矩图 例11 2 设计带式运输机减速器的主动轴 已知传递功率P 10kW 转速n 200r min 齿轮齿宽B 100mm 齿数z 40 模数m 5mm 螺旋角 轴端装有联轴器 解 1 计算轴上转矩和齿轮作用力 N 齿轮的径向力 轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 需开键槽 故将最小轴径增加5 变为42 525mm 查 机械设计手册 取标准直径45mm 2 选择轴的材料和热处理方式 选择轴的材料为45钢 经调质处理 其机械性能查表得 3 初算轴的最小轴径 则轴的最小直径为 根据计算转矩 最小轴径 轴的转速 查标准GB5014 85或手册 选用弹性柱销联轴器 其型号为 4 选择联轴器取载荷系数KA 1 3 则联轴器的计算转矩为 5 初选轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用角接触球轴承 根据工作要求及输入端的直径 为45mm 由轴承产品目录中选取型号为7211C的滚动轴承 其尺寸 内径 外径 宽度 为d D b 55 100 21 6 轴的结构设计 由于联轴器型号已定 左端用轴端挡圈定位 右端用轴肩定位 故轴段6的直径即为相配合的半联轴器的直径 取D6 45mm 轴段6的长度比半联轴器的毂孔长度要 为84mm 短2 3mm 这样可保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上 故该段轴长取为L6 82mm 2 确定轴的各段直径和长度 联轴器是靠轴段5的轴肩来进行轴向定位的 为了保证定位可靠 h 0 07 0 1 d6 3 15 4 5 轴段5要比轴段6的直径大6 9mm 取h 3 5 轴段5的直径D5 52mm 轴段1和轴段4均是放置滚动轴承的 所以直径与滚动轴承内圈直径一样 为D1 D4 55mm 轴段1的长度即为滚动轴承的宽度 查手册为L1 21mm 考虑拆卸的方便 轴段3的直径只要比轴段4的直径稍大就行了 并取标准值 齿轮 这里取为D3 58mm 轴段3的长度要比齿轮的轮毂宽度 为100mm 短2 3mm 故该段轴长取为L3 98mm 轴承端盖的总宽度为25mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l 20mm 故取轴段5的长度为L5 45mm 轴段2是一轴环 右侧用来定位齿轮 左侧用来定位滚动轴承 查滚动轴承的手册 可得该型号的滚动轴承内圈安装尺寸最小为64mm 同时轴环的直径还要满足比轴段3的直径 为58mm 大5 10mm的要求 故这段直径最终取D2 66mm 轴环2宽度取为L2 18mm b 1 4h 6 4 取齿轮距箱体内壁之距离为10mm 考虑到箱体的铸造误差 在确定滚动轴承位置时 应距箱体内壁一段距离 取5mm 已知滚动轴承宽度为21mm 齿轮轮毂长为100mm 则轴段4的长度为 10 5 100 98 21 38mm 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接 对于齿轮 由手册查得平键的截面尺寸宽 高 16 10 GB1095 79 键槽用键槽铣刀加工 长为80mm 标准键长见GB1096 79 同时为了保证齿轮轮毂与轴的配合为H7 n6 4 轴上零件的周向定位 同样 半联轴器与轴的联接 选用平键为14 9 63 半联轴器与轴的配合为H7 k6 滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的 此处选轴的直径尺寸公差为k6 5 确定轴上圆角和倒角尺寸 取轴端倒角为2 45 画轴空间受力简图c 将轴上作用力分解为垂直面受力图d和水平受力图e 分别求出垂直面上的支反力和水平面上支反力 对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩 因轴上零件如齿轮 联轴器等均有宽度 可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点 对于支反力的位置 随轴承类型和布置方式不同而异 其中a值参见滚动轴承样本 跨距较大时可近似认为支反力位于轴承宽度的中点 7 按弯扭合成校核 1 画受力简图 2 计算作用于轴上的支反力水平面内支反力 垂直面内支反力 3 计算轴的弯矩 并画弯 转矩图 分别作出垂直面和水平面上的弯矩图f g 并按计算合成弯矩 4 计算并画当量弯矩图 转矩按脉动循环变化计算 取 5 校核轴的强度 一般而言 轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可 而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处 a a截面处当量弯矩为 故安全 三 平键的选用和强度校核 1 平键的选用 1 键的尺寸选择断面尺寸b h 根据轴径d查标准确定 表16 1 键长L 应略短于轮毂的宽度 并符合标准尺寸系列 附 键的长度系列 1012141618202225323640455063708090100110125140160 2 键的标记B型平键b h L 10 16 125 键B10 125