轴的结构设计53458.ppt

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:,rC1或r200mm。,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=1.21.4-高塑性材料的钢轴(S/B0.6)；,SS=1.41.8-中等塑性材料的钢轴(S/B=0.60.8)；,SS=1.82.0-低塑性材料的钢轴；,SS=2.02.3-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：,yy,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,青岛科技大学专用潘存云教授研制,求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大4%，故得：,10)计算危险截面处轴的直径,选45钢，调质，b=650MPa,-1b=60MPa,符合直径系列。,青岛科技大学专用潘存云教授研制,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：,青岛科技大学专用潘存云教授研制,四、轴的振动及振动稳定性的概念,轴是一弹性体，旋转时，会产生弯曲振动、扭转振动及纵向振动。,一般通用机械中的轴很少发生共振。若发生共振，多为弯曲共振。,一阶临界转速:,当轴的振动频