第12章 轴.ppt

第十二章轴 12 1概述12 2轴的结构设计12 3轴的强度计算12 4轴的刚度计算12 5轴的临界转速1 6提高轴的强度常用措施 12 1概述 主要功用 1 支承轴上回转零件 如齿轮 2 传递运动和动力 12 1 1分类 1 按承载分 心轴 只承受弯曲 M 不传递转矩 T 0 转动心轴 轴转动 固定心轴 轴固定 问 火车轮轴属于什么类型 问 自行车轴属于什么类型 转轴 既传递转矩 T 又承受弯矩 M 如 减速器中的轴 传动轴 只受转矩 不受弯矩M 0 T 0如 汽车下的传动轴 曲轴 发动机专用零件 2 按轴线形状分 节约材料 便于加工和装配 光轴 阶梯轴 钢丝软轴 轴线可任意弯曲 传动灵活 12 1 2轴的材料及选择 1 碳素钢 30 35 45 50 正火或调质 45应用最广 价廉 对应力集中不敏感 良好的加工性 2 中 低碳合金钢 强度高 寿命长 对应力集中敏感 用于重载 小尺寸的轴 3 合金铸铁 QT 铸造成形 吸振 可靠性低 品质难控制 常用于凸轮轴 曲轴 12 1 3轴设计准则 失效形式 1 疲劳破坏 疲劳强度校核 2 变形过大 刚度验算 如机床主轴 3 振动折断 高速轴 自振频率与轴转速接近 4 塑性变形 短期尖峰载荷 验算屈服强度 设计的主要问题 a 有足够的强度 疲劳强度 静强度 1 合理的结构设计 结构要求 多数零件必须轴上固定和周向固定 轴与其他零件有相对滑动须满许满足耐磨性要求 良好的加工热处理安装维护工艺性 重型轴要考虑毛坯制造探伤起重问题 b 有足够的刚度 防止产生大的变形 c 有足够的稳定性 防止共振 稳定性计算 2 工作能力计算 一般可按如下步骤来设计 1 选择轴的材料和热处理方式 2 初步确定轴的最小直径 3 考虑轴上零件的定位和装配及轴的加工等条件 进行轴的结构设计 画出草图 确定轴的几何尺寸 得到轴的跨距和力的作用点 4 根据结构尺寸和工作要求 进行强度计算 如不满足要求 则修改初定的最小轴径 重复 3 4 步骤 直到满足设计要求 要求 1 轴与轴上零件要有准确的相对位置 2 受力合理 轴结构有利于提高轴的强度和刚度 3 轴的加工 装配有良好的工艺性 减少应力集中 12 2轴的结构设计 目的 确定轴的尺寸 形状 d l 零件在轴上的固定 12 2 1轴向固定 1 轴肩与轴环 轴肩 非定位轴肩 h 1 2 mm 2 套筒3 圆螺母 4 其他 图12 9弹性档圈 图12 10紧定螺钉 滚动轴承的定位轴肩高度必须低于轴承内圈端面的高度 以便拆卸轴承 其轴肩的高度可查手册中轴承的安装尺寸 轴圆角半径r 轴上零件倒角尺寸c 轴肩高度h 或轴圆角半径r 轴上零件圆角半径R 轴肩高度h 12 2 2周向固定 键 花键 成形联接 弹性环联接 过盈 销等 轴毂联接 12 2 3保证轴的结构工艺性 1 需磨削的轴段 砂轮越程槽 3 轴端应有倒角 c 45 便于装配 4 装配段不宜过长 5 固定不同零件的各键槽应布置在同一母线上 以减少装夹次数 2 需切制螺纹的轴段 螺纹退刀槽 12 2 4轴段直径和长度的确定 1 d 由载荷 dmin 由结构设计要求确定各段的d 2 L 由轴上零件相对位置及零件宽度决定 同时考虑 1 轴段长比轮毂宽小2 3mm 可靠定位 2 传动件 箱体 轴承 联轴器等零件间距离 查手册 注意 各轴段直径d和长度L的确定 45mm 52mm 58mm 55mm 55mm 66mm 12 3轴的强度计算 12 3 1基于扭转强度计算 按许用切应力计算 强度条件 式中 WT 抗扭截面系数 mm3 T 许用切应力 C 与材料有关的系数 表12 2 公式应用 a 传动轴精确计算 b 转轴的初估轴径dmin 结构设计 逐步阶梯化di 支点 力作用点未知 c 对于转轴 算出dmin 结构设计 弯矩图 弯扭合成强度计算 d 有键槽处 d 单键 3 双键 7 16 3 2基于弯扭合成强度计算 按许用弯曲应力计算 已知条件 作用力大小 位置 轴d l 支点位置 由dmin 扭转初估 结构设计 支点 力大小 作用点 画出M T合成弯矩图 危险截面 计算 基本思想 由弯矩产生的弯曲应力不大于许用弯曲应力计算顺序 1 画出轴上的空间受力简图2 作水平面及竖直面上的弯矩图3 作出合成弯矩图4 作出转矩图5 绘出当量弯矩图 根据转矩性质不同而引入的应力校正系数 折合系数 一般为对称循环变化 弯矩引起的弯曲应力 M 1 切应力接近不变r 1 2 切应力接近脉动循环r 0 3 切应力接近对称循环 r 1 T 实际机器运转不可能完全均匀 且有扭转振动的存在 为安全计 常按脉动转矩计算 步骤 1 画出轴的空间受力简图 力分解到水平面 垂直面 2 作水平面弯矩Mxy图和垂直面弯矩Mxz图 4 绘转矩T图 强度条件 W 轴的抗弯截面系数 6 确定危险截面 1 承受当量弯矩最大处 2 承受当量弯矩较大处 几何尺寸较小的截面处 若轴上开键槽 d适当 单键 3 5 双键 7 10 花键 计算出的d为内径 16 3 3安全系数校核计算 精确计算 1 疲劳强度校核 尺寸系数 表面状态 重要轴 需进一步在轴结构化后进行精确计算 没有精确计入影响疲劳强度的其它重要因素 2 方法 对轴上若干 危险剖面 实际应力较大的剖面 如受力较大 截面较小及应力集中较严重处 进行安全系数校核 3 基本公式 单纯受弯 单纯受扭 k k 有效应力集中系数 表面状态系数 尺寸系数P 复合安全系数 2 静强度校核 校核轴对塑性变形的抵抗能力 尖峰载荷 max Tmax 尖峰载荷所产生的弯曲应力 切应力 sb s 材料的弯曲和剪切屈服极限 16 4轴的刚度计算 自学 轴的变形 挠度 转角 扭角 16 4 1 轴的临界转速 共振 若周期性载荷引起的强迫振动频率与轴的固有频率相同或接近时 轴将产生显著的振动 这种现象称为轴的共振 临界转速定义 产生共振时轴的固有频率称为临界转速刚性轴 n 0 75 0 8 ncr1挠性轴 ncr1 n 0 7ncr2 16 6 提高轴的强度 刚度和减轻重量的措施 1 合理布置轴上零件 轴受扭矩 a 不合理的布置 b 合理的布置 2 改进轴的结构 减少应力集中 1 避免相邻轴径相差太大 3 合理选择键槽 盘铣 2 适当 过渡圆角r 或用凹切圆角 肩环 4 改善表面品质 疲劳强度 表面粗糙度 表面强化 辗压 喷丸等 4 过盈配合轴 开减载槽 P137图8 8 a 过盈配合应力集中b 轮毂上开卸载槽c 轴上开卸载槽d 增大轴径 3 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 4 改善表面品质 疲劳强度 表面粗糙度 表面强化 辗压 喷丸等 习题14 714 1214 1614 25 复习思考题1 轴的作用是什么 如何区别转轴 传动轴 心轴