机械基础ppt60043汽车机械基础课件模块5

第一节轴的类型和材料多为汽车机械的轴系部件，如传动轴、转向轴、气动凸轮轴、发动机曲轴、后驱动轴、变速器齿轮轴等。 轴向材料的选择，应根据安全、经济、合理、适用的原则来选择材料。 另一方面，根据轴的类型1 .所承受的载荷，将轴在工作中承受载荷的特征分类，将轴分为以下类型：(1)的传动轴，将仅承受扭转作用的轴称为传动轴。 图10-1、图10-2所示的汽车的传动轴和转向轴都是传动轴。 图10-1汽车的传动轴、图10-2汽车的转向轴、图10-3所示的自行车的前轮轴和汽车的轮轴都是主轴。 (3)旋转轴同时承受扭转和弯曲的轴称为旋转轴。 图10-4表示齿轮减速机的输出轴，轴在动作时受到齿轮的弯曲作用，并且受到齿轮和联轴器的扭转作用。 汽车变速器的轴都是旋转轴。图10-3心轴a )自行车的前轮轴b )汽车轴1-固定心轴2-前轮轮毂3-前叉4-旋转心轴、图10-4旋转轴、2 .按构造形状按轴构造形状将轴分为直轴、曲轴、挠性钢丝轴等。 直轴(参照图10-5 )应用广泛，分为光轴、台阶轴、中空轴等。 在一般的机械中，阶梯形状的直轴较多，例如汽车变速器的齿轮轴、各种机床的主轴等是直轴。 图10-5直轴a )光轴b )步进轴c )中空轴、曲轴(参照图10-6 )主要用于汽车发动机的曲轴、压力机曲轴等往复运动的机械。 柔性钢丝轴(参照图10-7 )能够自由地将旋转运动传递到任意位置。 例如汽车仪表、印模器所使用的钢丝轴等。 二、轴料在选轴工作时受到交变应力，其主要故障形式为疲劳破坏。 选材时可满足强度、耐磨性、耐腐蚀性等多方面的要求，且加工和热处理容易，对应力集中敏感性小，经济合理。 在选择轴的材料时，以下方面：1 )轻负荷或不重要的轴可以选择Q235、Q275等一般碳钢，因此容易加工。 2 )一般用途的轴选择优质的碳素结构钢，例如35、45、50钢，性能优异，价格适中，加工容易。 3 )重载和重要轴选用合金结构钢，力学性能高，但价格高。 轴的常用材料及其力学性能如表10-1所示。 汽车变速器输出的动力通过传动轴传递到后桥，汽车可以正常行驶。 为了保证可靠的运转，必须对传动轴进行负荷能力的计算。 另一方面，传动轴的外力矩的计算传动轴是受扭的部件，其特征在于，受到两端大小相等、方向相反的两外力矩m的作用。 图10-8a表示汽车传动轴，图10-8b表示传动轴的尝试。 外力矩不是总是直接施加的，而是给出轴传输的功率和旋转速度。 此时，可以利用电力、转速和外力矩的关系来求出作用于轴的外力矩，其关系为=9550(10-1 )式，M作用于轴的外力矩(Nm )，即P轴传递的电力(kW) n轴的旋转速度(r/min )。 另外，传动轴的横截面上的扭矩和扭矩图1 .扭矩图10-9假设传动轴因外力矩而在m-m截面上被切断。 为了保持平衡，该截面必定有内力偶作用，其内力偶作用称为转矩，用t表示。 将左段作为研究对象，如图10-9b所示，将从=0T-M=0而得到T=M的最好的截面右段作为研究对象，如图10-9c所示，此时求出的扭矩与取左段而求出的扭矩大小相等，成为相反的方向。 此外，图10-9转矩及转矩图a )虚拟截面b )左段c )右段d )转矩图、2 .转矩的正负的判别为，为了使在左段或右段求出的同一截面上的转矩一致，通常通过右手螺纹规则：右手四指的弯曲来表示转矩的转向，当拇指的朝向与截面外法线方向一致时，正、反为负另外，在轴上同时作用一些外力矩的情况下，各段的截面的扭矩不同，具有扭转轴的截面的扭矩等于截面侧的所有外力矩的代数和，扭矩的符号依然由右手的螺旋法则判别。3 .扭矩图为了分析危险的截面，为了以图像方式显示各截面扭矩的大小和正负，通常将各截面扭矩的变化图称为扭矩图。 在该描绘法中，将与：轴平行的横轴x设为各剖面位置，将与轴垂直的纵轴设为扭矩t。 正扭矩绘制在x轴上方，负扭矩绘制在x轴下方(图10-9d )。 另外，如果作用于传动轴强度的计算传动轴的扭矩t大，则在传动轴上产生大的剪切应力，因此传动轴被破坏。 图10-11显示的是轴的扭转变形实验，当扭矩作用在轴上时，会发生扭转变形。 变形后，相邻的两个截面相对改变角度，即截面之间发生旋转式相对偏移，产生剪切变形，因此截面存在剪切应力。 另外，由于半径的长度不变，剪应力的方向必定垂直于半径，呈直线分布，最大剪应力如图10-12所示位于圆截面的边缘。 截面间隔不变，截面无正应力。 另外，为了确保传动轴扭转时的充分的强度，需要使最大剪切应力max小于材料的允许剪切应力，即，在max=P(10-2 )式中max的最大剪切应力(MPa ) 的T截面的转矩(Nm) 材料的允许剪应力(MPa )由材料和热处理决定或由已知条件给出，其中WP的扭转截面弹性模量(mm3)，对于实心轴，WP=0.2d3，d为实心轴径，对于中空轴，WP=0.23(14 )，其中=1，d为外径，d1为内径。 式(10-2 )称为传动轴的扭转强度条件，应用该式可解决传动轴的强度校验、截面设计和允许载荷的确定等3种扭转强度问题。 第三节心轴力矩和强度计算，心轴力矩的计算心轴力和变形特征是：作用于轴的外力垂直于轴的轴线，轴产生弯曲变形。 图10-14a、b表示汽车的前轮轴和受力。 1 .弯矩以图10-15a所示的轴为例，轴在c点作用外负荷f，a、b点的支承反作用力分别为FA和FB，如图10-15b所示。 根据平衡条件同样地求出某一截面上的弯矩，利用截面法，如图10-15c、d所示，可沿截面m-m将轴分为两部分。 另外，以左段为研究对象，由于轴整体平衡，其一部分也应该处于平衡状态，即左段内，外力应该保持平衡。 因为外力FA有向左段上移和顺时针旋转的倾向，所以在m-m断面上必须平衡垂直下方的内力FQ和逆时针旋转的内力矩m。 内力FQ称为剪切力，内力力矩m称为力矩。 因为剪切力FQ的影响不大，所以只研究弯矩的作用。 从图10-15可以看出，截面c有集中力f的作用，AC段和CB段的弯矩方程式的表现方式不同，需要制作段。 如果AC段=0Mx=0，则弯矩=x=x(0xa)CB段=(lx)=(lx)(axl )，弯矩计算规则：截面上的弯矩的大小是该截面侧的所有外力对该截面心矩的代数和在心轴上作用集中力f时，在集中力f的作用点上力矩最大。 最大弯矩用Mmax表示，如图10-15e所示。 2 .弯矩正负的判别，使取左段或右段得到的同一截面上的符号一致，根据轴的变形状况，将弯矩符号规定为：截面左侧外力使截面形心矩顺时针旋转为正，相反地规定为负的截面右侧的外力相对于截面形心矩逆时针旋转为正，相反地旋转为负由于弯曲变形，如图10-16所示，弯曲变形为向上凹陷的凸起时，其断面的弯矩也可以决定为正、反或负。 3 .基于弯曲角图的弯曲角图的基本方法是弯矩方程图。 在AC分段M=x、x=0情况下，M=0； x=a时，M=a。 在CB分段M=(l-x )，x=a的情况下，M=b； x=l时，M=0。 两个角图都是斜线，如图10-15e所示在c点重叠。 由弯曲角图可知，c点弯矩最大，轴c点断面最危险，这里称为危险断面。 二、心轴强度计算图10-17是横截面为矩形试样的弯曲实验。变形分析表明，该试验片必然存在纵纤维的一部分伸长，纵纤维的一部分缩短，从缩短区到伸长区，不伸长也不缩短的纤维，称为中性层。 中性层下被单向拉伸，中性层上被单向施加压力。 也就是说，该试验片的截面必定有垂直于截面的应力。 图10-17弯曲实验a )试样b )弯曲变形c )试样的中性层、与截面垂直的应力称为正应力，如图10-18所示。 图10-18应力分布图a )截面b )截面中的应力、试样弯曲时，产生最大正应力的截面为危险截面，存在最大正应力的点为危险点。 心轴受力弯曲的状态与试料弯曲的状态完全相同。 因此，心轴弯曲正应力强度条件可以得到max=z-80 (10-3 )、式中max的心轴截面上的最大正应力(MPa ) 式(10-3 )称为心轴弯曲强度条件，应用该式可解决心轴强度校验、截面设计和允许载荷3种弯曲强度问题。 第四节旋转轴和强度计算的旋转轴应用十分广泛典型，因此本节对旋转轴的结构、技术性和强度条件等进行了详细介绍。 另一方面，旋转轴结构的设计为了增强轴上的部件的装卸和弯曲阻力，通常使旋转轴呈阶梯状，如图10-19所示的齿轮减速器的输入轴。 轴与传动部件(皮带轮、齿轮、联轴器)对合的部分称为轴头，轴承对合的部分称为轴颈，连接轴头与轴颈的部分称为轴。 图10-19旋转轴的结构1、4-轴颈2-轴环3、7-轴头5-轴6-轴肩8-轴端挡圈9-带轮10-套筒11-齿轮12-滚动轴承13-轴承盖、1 .相对于旋转轴结构安装在要求旋转轴上的零件较多对旋转轴结构的基本要求是：1 )轴和轴上零件定位正确，固定可靠。 2 )轴上零件位置合理，轴力合理，有助于提高轴的强度和刚性。 3 )轴易于加工，具有良好的技术性，轴上部件易于拆装和调整。 4 )尽量减少应力集中。 2 .从轴上部件组装左端拆卸的部件有：螺钉、轴端挡圈、带轮、轴承盖、轴承、套筒和齿轮，如图10-20所示，从右端拆卸的部件有轴承盖和轴承。 3 .轴上部件的周向定位轴上部件的周向定位以限制轴上部件相对于轴的旋转为目的。 常用的固定方法有键结合、花键结合、销结合、过盈配合等。 4 .轴上部件的轴向定位为了防止轴上部件的轴向移动，需要轴向定位或固定。 常用轴向定位方式在轴向力大、零件与轴承的间距小的情况下，有如下：(1)轴肩(或套环)套筒定位(参照图10-21 )。(2)圆形螺母和轴端挡圈的定位(参照图10-22 )在轴向力大、零件和轴承的间距大时使用。(3)锥形轴的定位(参照图10-23 )可靠，拆装容易，有冲击时使用。 (4)紧固螺钉的定位(参照图10-24 )适用于轴向力小或没有轴向力的情况。(5)卡环的定位(参照图10-25 )推力小，因此常用于滚动轴承的固定。 另外，在采用轴肩或轴环的定位的情况下，轴肩的圆角半径r必须小于部件孔端的倒角C1(或圆角半径R1)，轴肩或轴环的高度h必须大于C1或R1，以使轴上的部件端面与定位面紧贴二、轴结构轴上零件定位准确，固定可靠，拆装方便，结构合理，加工方便，成本低廉，经济实用。 1 )如图10-27a所示，在轴的螺纹尾部设置退刀槽，使车刀顺畅地退刀。图10-27轴的构造工艺性a )螺纹退刀槽b )砂轮退刀槽c )标准中心孔d )导向锥面，2 )轴上应磨削的面在肩上留下砂轮退刀槽，砂轮可磨削到肩的端部，保证肩的直角度。 3 )轴的两端有中心孔，作为测量和加工的基准如图10-27c所示。 4 )如图10-27d所示，收敛轴头形成引导组件的锥形。5 )根据实际情况决定轴的直径，与轴的零件相匹配的轴段的直径与轴的零件(轴承、联轴器、齿轮等)相匹配。 三、提高轴疲劳强度的措施轴的疲劳破坏起因于交变载荷引起的疲劳裂纹，裂纹的形成主要在构件表面和应力集中部位。 因此，以下两个因素：(1)提高表面质量提高轴的表面质量的方法是降低3360轴的表面粗糙度值，对具有抗疲劳性能的轴的最大应力表层，采用辊、喷丸硬化、表面淬火、渗碳和氮化等表面强化措施，提高轴的表面强度因为这些伤口容易引起应力集中。 (2)为了缓和应力集中，合理设计轴的形状，尽量不出现方形或尖角的孔或槽，避免轴外形的急剧变化，在截面尺寸不可避免的急剧变化部位，必须采用充分的圆角过渡。 在重要结构中，采用卸荷沟、过渡肩环、凹口圆沟等，可加大肩圆半径，减少局部应力集中。 四、旋转轴的强度计算，对于受到弯曲和扭转复合作用的旋转轴，轴上零件的位置、两轴承间的距离通常不确定，轴承受的弯矩无法计算，因此常用扭矩法估计轴径。 1 .当直径估计轴发生扭转时，扭转强度条件为=p-800 ，其中扭矩T=9.55106，扭转横截面系数WP0.2d3，并且轴直径的设计方程式为n轴的次数，该n轴是由式(39.55106P0.2=C3(10-4 ) )表示的P轴所传递的功率(kW ) 轴上键槽开启时，轴的强度变弱。 因此，轴的直径应适当增大。 通常，如果键槽在轴上的同一截面上打开，则轴径将增加3%；如果键槽打开两个，则轴径将增加7%。 2 .通过弯曲、扭转的组合来决定检查轴的强度轴的最小轴径时，可从表10-3开始按顺序决定其他各段的轴径，轴上的部件位置被决定，轴的各断面的弯矩可以算出。 在这种情况下，可以通过扭转组合施加验证轴的强度。 扭转组合的强度条件是e=2z1b(10-5 )，由于一般的旋转轴的力矩m是对称循环应力，因此的循环特性不同于m。 考虑到两者不同的循环特性的影响，若将上式中的转矩乘以换算系数，则危险截面的强度校验式为：e=eZ=2 (T)20.131b(10-6 )，从式(10-6 )到轴危险截面的直径d的计算式为3e0.11b(10-7 ) 式中成为Me当量矩(MPa )的换算系数、不变的转矩、=0.3、脉动(或变化不定)的转矩、=0.6、正反转转矩、=1； 1b对称循环中允许弯曲