《轴的结构设计》PPT课件

青岛科技大学专用潘存云教授研制 第15章轴 15 1概述 15 2轴的结构设计 15 3轴的计算 带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的 适用于两轴中心距较大的场合 与齿轮传动相比 它们具有结构简单 成本低廉等优点 15 4轴的设计实例 青岛科技大学专用潘存云教授研制 15 1概述 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 一 轴的用途及分类 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 一 轴的用途及分类 15 1概述 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 固定心轴 火车轮轴 一 轴的用途及分类 15 1概述 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 传动轴 只传递扭矩 心轴 只承受弯矩 直轴 一 轴的用途及分类 15 1概述 光轴 阶梯轴 按轴的形状分有 一般情况下 直轴做成实心轴 需要减重时做成空心轴 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 一 轴的用途及分类 15 1概述 光轴 阶梯轴 曲轴 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 一 轴的用途及分类 15 1概述 光轴 阶梯轴 曲轴 挠性钢丝轴 青岛科技大学专用潘存云教授研制 设计任务 选材 结构设计 工作能力计算 二 轴设计的主要内容 轴的结构设计 根据轴上零件的安装 定位以及轴的制造工艺等方面的要求 合理地确定轴的结构形式和尺寸 工作能力计算 轴的承载能力验算指的是轴的强度 刚度和振动稳定性等方面的验算 轴的设计过程 选择材料 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 三 轴的材料 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 表15 1轴的常用材料及其主要力学性能 青岛科技大学专用潘存云教授研制 设计任务 使轴的各部分具有合理的形状和尺寸 15 2轴的结构设计 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 一 拟定轴上零件的装配方案 装配方案 确定轴上零件的装配方向 顺序 和相互关系 青岛科技大学专用潘存云教授研制 轴上零件的装配方案不同 则轴的结构形状也不相同 设计时可拟定几种装配方案 进行分析与选择 图示减速器输出轴就有两种装配方案 圆锥圆柱齿轮二级减速器 青岛科技大学专用潘存云教授研制 方案二需要一个用于轴向定位的长套筒 多了一个零件 加工工艺复杂 且质量较大 故不如方案一合理 青岛科技大学专用潘存云教授研制 二 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 定位方法 轴肩 套筒 圆螺母 挡圈 轴承端盖 青岛科技大学专用潘存云教授研制 轴向固定由轴肩 套筒 螺母或轴端挡圈来实现 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 r C1或r R b 1 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圆锥面定位 青岛科技大学专用潘存云教授研制 轴向力较小时 可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现 周向固定大多采用键 花键 过盈配合或型面联接等形式来实现 为了加工方便 键槽应设计成同一加工直线上 且紧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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 三 各轴段直径和长度的确定 确定轴段直径大小的基本原则 最小轴径dmin的确定 轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小 1 按轴所受的扭矩估算轴径 作为轴的最小轴径dmin 4 有配合要求的零件要便于装拆 3 安装标准件的轴径 应满足装配尺寸要求 2 有配合要求的轴段 应尽量采用标准直径 T 扭矩 T 许用应力 WT 抗扭截面系数 P 功率 n 转速 d 计算直径 A0 材料系数 青岛科技大学专用潘存云教授研制 标准直径应按优先数系选取 优先数 表中任意一个数值 大于10的优先数 可将表数值分别乘以10 100 1000 青岛科技大学专用潘存云教授研制 常用的与轴相配的标准件有滚动轴承 联轴器等 配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定 1 装配轴承 与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数 20 385mm 与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套 32 35 38 40 45 48 50 55 60 65 70 2 装配联轴器 配合段直径应符合联轴器的尺寸系列 青岛科技大学专用潘存云教授研制 便于零件的装配 减少配合表面的擦伤的措施 为了便于轴上零件的拆卸 轴肩高度不能过大 2 配合段前端制成锥度 3 配合段前后采用不同的尺寸公差 1 在配合段轴段前应采用较小的直径 青岛科技大学专用潘存云教授研制 四 提高轴的强度的常用措施 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 1 改进轴上零件的结构 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 2 合理布置轴上零件 轴径大 轴径小 青岛科技大学专用潘存云教授研制 3 改进轴的局部结构可减小应力集中的影响 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或过盈配合边缘处 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 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 轴上开卸载槽应力集中系数可减少15 25 3 采取增加卸载槽 增大轴径 过渡肩环 凹切圆角 等也可以减小过盈配合处的局部应力 青岛科技大学专用潘存云教授研制 4 改善轴的表面质量可提高轴的疲劳强度 1 表面愈粗糙 疲劳强度愈低 提高表面粗糙度 轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响 2 表面强化处理的方法有 表面高频淬火 表面渗碳 氰化 氮化等化学处理 碾压 喷丸等强化处理 通过碾压 喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力 从而提高轴的疲劳能力 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 在满足使用要求的前提下 轴的结构越简单 工艺性越好 零件的安装次序 五 轴的结构工艺性 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 15 3轴的计算 一 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 对于只传递扭转的圆截面轴 强度条件为 设计公式为 计算结果为 最小直径 解释各符号的意义及单位 考虑键槽对轴有削弱 可按以下方式修正轴径 轴径d 100mmd增大5 7 d增大10 15 青岛科技大学专用潘存云教授研制 注 当作用在轴上的弯矩比传递的转矩小或只传递转矩 载荷较平稳 无轴向载荷或只有较小的轴向载荷 减速器的低速轴 轴只作单向旋转 T 取较大值 A0取较小值 否则 T 取较小值 A0取较大值 轴的材料Q235 A3 20Q275 354540Cr 35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo 3Cr13 T N mm 15 2520 3525 4535 55 A0149 126135 112126 103112 97 表15 2常用材料的 T 值和A0值 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 二 按弯扭合成强度计算 1 轴的弯矩和扭矩分析 一般转轴强度用这种方法计算 其步骤如下 青岛科技大学专用潘存云教授研制 水平面受力及弯矩图 铅垂面受力及弯矩图 水平铅垂弯矩合成图 扭矩图 二 按弯扭合成强度计算 1 轴的弯矩和扭矩分析 一般转轴强度用这种方法计算 其步骤如下 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 弯曲应力 扭切应力 W 抗弯截面系数 WT 抗扭截面系数 2 轴的强度校核 按第三强度理论得出的轴的强度条件为 青岛科技大学专用潘存云教授研制 青岛科技大学专用潘存云教授研制 因 b和 的循环特性不同 折合后得 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 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 2 轴的强度校核 按第三强度理论得出的轴的强度条件为 青岛科技大学专用潘存云教授研制 折合系数取值 0 3 转矩不变 0 6 脉动变化 1 频繁正反转 静应力状态下的许用弯曲应力 设计公式 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 青岛科技大学专用潘存云教授研制 3 按疲劳强度条件进行校核 在已知轴的外形 尺寸及载荷的情况下 可对轴的疲劳强度进行校核 轴的疲劳强度条件为 计算安全系数小于许用值 同时承受弯矩和扭矩的轴 仅承受弯矩时 仅承受扭矩时 计算安全系数的选取 S 1 3 1 5 材料均匀 载荷与应力计算准确 S 1 5 1 8 材料不够均匀 载荷与应力计算欠准确 S 1 8 2 5 材料均匀性计算准确性均较低 或轴的直径d 200mm 青岛科技大学专用潘存云教授研制 4 按静强度条件进行校核 对于瞬时过载很大 或应力循环的不对称性较为严重的轴 应当进行静强度条件校核 轴的静强度条件为 SS 1 2 1 4 高塑性材料的钢轴 S B 0 6 SS 1 4 1 8 中等塑性材料的钢轴 S B 0 6 0 8 SS 1 8 2 0 低塑性材料的钢轴 SS 2 0 2 3 铸造轴 SS 按屈服强度设计的安全系数 SSca 危险截面静强度设计的安全系数 其中 SS 同时考虑弯矩和轴向力时的安全系数 青岛科技大学专用潘存云教授研制 SS 只考虑扭矩时的安全系数 Mmax 轴的危险截面上所受的最大弯矩 Tmax 轴的危险截面上所受的最大扭矩 N mm Famx 轴的危险截面上所受的最大轴向力 N A 轴的危险截面的面积 mm2 W 轴的危险截面的抗弯截面系数 mm3 W 轴的危险截面的抗扭截面系数 mm3 s 材料的抗弯屈服极限 s 材料的抗扭屈服极限 青岛科技大学专用潘存云教授研制 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 y y 1 弯曲变形计算 方法有 1 按微分方程求解 2 变形能法 适用于等直径轴 适用于阶梯轴 复习材料力学相关内容 三 轴的刚度校核计算 青岛科技大学专用潘存云教授研制 青岛科技大学专用潘存云教授研制 2 扭转变形计算 等直径轴的扭转角 阶梯轴的扭转角 其中 T 转矩 Ip 轴截面的极惯性矩 l 轴受转矩作用的长度 d 轴径 G 材料的切变模量 青岛科技大学专用潘存云教授研制 对2点取矩 举例 计算某减速器输出轴危险截面的直径 已知作用在齿轮上的圆周力Ft 17400N 径向力 Fr 6140N 轴向力Fa 2860N 齿轮分度圆直径d2 146mm 作用在轴右端带轮上外力F 4500N 方向未定 L 193mm K 206mm 解 1 求垂直面的支反力和轴向力 Fa 15 4轴的设计实例 青岛科技大学专用潘存云教授研制 2 求水平面的支反力 3 求F力在支点产生的反力 4 绘制垂直面的弯矩图 5 绘制水平面的弯矩图 青岛科技大学专用潘存云教授研制 6 求F力产生的弯矩图 7 绘制合成弯矩图考虑F可能与H V内合力共面 a a截面F力产生的弯矩为 青岛科技大学专用潘存云教授研制 8 求轴传递的转矩 9 求危险截面的当量弯矩 扭切应力为脉动循环变应力 取折合系数 0 6