轴机械设计学习教案

1、会计学1第一页，共50页。青岛(qn do)科技大学专用 潘存云教授研制 功用：用来支撑旋转功用：用来支撑旋转(xunzhun)的机械零件，如齿轮、的机械零件，如齿轮、带轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型(l(liixxng)ng)转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩。传递扭矩又承受弯矩。按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩发动机发动机后桥后桥传动轴传动轴一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类15-1 概概 述述 第1页/共50页第二页，共50页。青岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 功用：用来支撑旋转的机械零

2、件，如齿轮功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮(chln)、带轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型(l(liixxng)ng)转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩前轮轮毂前轮轮毂固定心轴固定心轴火车轮轴火车轮轴车厢重力车厢重力 前叉前叉自行车自行车前轮轴前轮轴支撑反力支撑反力转动心轴转动心轴一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类15-1 概概 述述 第2页/共50页第三页，共50页。青岛科技大学(dxu)专用 潘存云教授研制 功用：

3、用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、 链轮链轮(lin ln)、凸轮等。、凸轮等。类类型型(l(liixxng)ng)转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类15-1 概概 述述 光轴光轴 阶梯轴阶梯轴 按轴的形状分有：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第3页/共50页第四页，共50页。青岛科技大学(dxu)专用 潘存云教授研制 功用：用来支撑旋转的机械零件，

4、如齿轮功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮(chln)、带轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型(l(liixxng)ng)转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类15-1 概概 述述 光轴光轴 阶梯轴阶梯轴 曲轴曲轴第4页/共50页第五页，共50页。青岛科技大学专用 潘存云教授(jioshu)研制 本章只研究直轴功用：用来功用：用来(yn li)支撑旋转的机械零件，如齿轮、支撑旋转的机械零件

5、，如齿轮、带轮、带轮、 链轮、凸轮等。链轮、凸轮等。类类型型(l(liixxng)ng)转轴转轴-传递扭矩又承受弯矩传递扭矩又承受弯矩 按承受载荷分有：按承受载荷分有： 分类：分类：按轴的形状分有：按轴的形状分有：传动轴传动轴-只传递扭矩只传递扭矩心轴心轴-只承受弯矩只承受弯矩直轴直轴一、轴的用途及分类一、轴的用途及分类15-1 概概 述述 光轴光轴 阶梯轴阶梯轴 曲轴曲轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴第5页/共50页第六页，共50页。青岛科技大学专用 潘存云教授(jioshu)研制 设计设计(shj)(shj)任务：选材、结构设计任务：选材、结构设计(shj)(shj)、工作能、工作能力计算。力计算。

6、二、轴设计的主要二、轴设计的主要(zhyo)内容内容轴的结构设计：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。要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。 工作能力计算：工作能力计算： 轴的承载能力验算指的轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。定性等方面的验算。 轴的设计过程：轴的设计过程：N 选择材料选择材料 结构设计结构设计 轴的承载能力验算轴的承载能力验算验算合格验算合格?结结 束束Y第6页/共50页第七页，共50页。青岛科技大学专用(zhuny

7、ng) 潘存云教授研制 种种类类(z(zhhngnglli)i)碳素钢：碳素钢：3535、4545、5050、Q235Q235轴的毛坯轴的毛坯: :一般用圆钢一般用圆钢(yun n)(yun n)或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。三、三、 轴的材料轴的材料 合金钢合金钢: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是多，尤其是4545钢应用最广钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，但

8、价。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有格较贵，多用于有特殊要求的轴。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。为了改善力学性能正火或调质处理。正火或调质处理。表表15-1 15-1 轴的常用材料及其主要力学性能轴的常用材料及其主要力学性能 材料及热处理材料及热处理毛坯直径毛坯直径mm硬度硬度HBSHBS强度极限强度极限b b 屈服极限屈服极限s s MPaMPa弯曲疲劳极限弯曲疲劳极限-1-1应用说明应用说明Q235Q235440440240240200200用于不重要或载荷不大的轴35 35 正火正火5205202

9、70270250250有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。100100149149187187 第7页/共50页第八页，共50页。青岛科技大学专用(zhunyng) 潘存云教授研制 表表15-1 15-1 轴的常用材料及其主要力学性能轴的常用材料及其主要力学性能第8页/共50页第九页，共50页。青岛科技大学专用 潘存云教授(jioshu)研制 设计任务：使轴的各部分具有合理的形状设计任务：使轴的各部分具有合理的形状(xngzhun)和尺寸。和尺寸。15-2 轴的结构设计轴的结构设计设计设计(shj)要求：要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；

10、(制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；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；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。改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈轴端挡圈 带轮带轮轴承盖轴承盖套筒套筒齿轮齿轮滚动轴承滚动轴承典型典型轴系轴系结构结构第9页/共50页第十页，共50页。青岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 一、拟定一、拟定(ndng)(ndng)轴上零件的装配方案轴上零件的装配方案 装配方案：确定装配方案：确定(qudng)(qudng)轴上零件的装配方向、顺序、和相轴上零件的装配方向、顺序、和相互互 关系

11、。关系。第10页/共50页第十一页，共50页。青岛科技(kj)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轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计同。设计(shj)(shj)时可拟定几种装配方案，进行分析与时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。选择。 图示减速器输出轴就有两种装配图示减速器输出轴就有两种装配(zhungpi)(zhungpi)方案。方案。saBcLa圆锥圆柱齿轮二圆锥圆柱齿轮二级减速器级减速器第11页/共50页第十二页，共50页。青岛(qn do)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，多了一方案二需要一个用于轴向

12、定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂个零件，加工工艺复杂(fz)(fz)，且质量较大，故不如，且质量较大，故不如方案一合理方案一合理 。第12页/共50页第十三页，共50页。青岛(qn do)科技大学专用 潘存云教授研制 二、轴上零件二、轴上零件(ln jin)的定位的定位 4、5间的轴肩使齿轮(chln)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。轴肩轴肩-阶梯轴上截面变化之处。阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。 轴肩套筒套筒定位方法：定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。第13页/共50页第十四页，共50页。青

13、岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 轴向固定轴向固定(gdng)由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮(chln)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。双向固定双向固定第14页/共50页第十五页，共50页。青岛(qn do)科技大学专用 潘存云教授研制 无法无法(wf)采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。固定。轴肩的尺寸轴肩的尺寸(ch cun)要求要求:r C1 或或 r 200 mm

14、 mm。 第36页/共50页第三十七页，共50页。青岛(qn do)科技大学专用 潘存云教授研制 4）按静强度）按静强度(qingd)条件进行校核条件进行校核 对于瞬时过载很大，或应力循环对于瞬时过载很大，或应力循环(xnhun)(xnhun)的不对称性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：件为： SSSSSScaSSSSSS22SS=1.21.4-高塑性材料的钢轴高塑性材料的钢轴(S /B 0.6)； SS=1.41.8-中等塑性材料的钢轴中等塑性材料的钢轴(S /B =0.60.8)； SS=1.82.0-低塑性

15、材料的钢轴；低塑性材料的钢轴； SS=2.02.3-铸造轴铸造轴; ; SS-按屈服强度设计的安全系数；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；危险截面静强度设计的安全系数； 其中：其中： SS -同时考虑弯矩和轴向力时的安全系数；同时考虑弯矩和轴向力时的安全系数； 第37页/共50页第三十八页，共50页。青岛科技大学专用 潘存云教授(jioshu)研制 SS -只考虑只考虑(kol)扭矩时的安全系数：扭矩时的安全系数：WTSSS/maxMmax -轴的危险轴的危险(wixin)截面上所受的最大弯矩；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轴

16、的危险截面上所受的最大扭矩, N.mm, N.mm； Famx -轴的危险截面上所受的最大轴向力轴的危险截面上所受的最大轴向力, N, N； A -轴的危险截面的面积，轴的危险截面的面积， mmmm2 2； W -轴的危险截面的抗弯截面系数，轴的危险截面的抗弯截面系数， mmmm3 3； W-轴的危险截面的抗扭截面系数，轴的危险截面的抗扭截面系数， mmmm3 3。 s -材料材料的抗弯屈服极限；的抗弯屈服极限； s -材料材料的抗扭屈服极限；的抗扭屈服极限； AFaWMSSSmaxmax第38页/共50页第三十九页，共50页。青岛科技大学(dxu)专用 潘存云教授研制 lFFF”12弯矩弯矩

17、 弯曲弯曲(wnq)变形变形扭矩扭矩 扭转扭转(nizhun)变形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：变形量的描述： 挠度挠度 y 、转角、转角 、扭角、扭角 设计要求：设计要求： y y 1）弯曲变形计算）弯曲变形计算方法有：方法有：1.按微分方程求解按微分方程求解2.变形能法变形能法适用于等直径轴。适用于等直径轴。适用于阶梯轴。适用于阶梯轴。复习材料力学相关内容。y三、三、 轴的刚度校核计算轴的刚度校核计算 TTl第39页/共50页第四十页，共50页。青岛科技大学专用 潘存云教授(jioshu)研制 表表15-4 轴的许用变形量轴的许用变形量变形种类变形种类许

18、用值许用值适用场合适用场合变形种类变形种类许用值许用值适用场合适用场合(0.00030.0005)l一般用途的轴一般用途的轴0.0002l刚度要求较高刚度要求较高感应电机轴感应电机轴( (0.010.05)mn安装齿轮的轴安装齿轮的轴0.01 ( (0.020.05) m安装蜗轮的轴安装蜗轮的轴滚动轴承滚动轴承0.05向心球轴承向心球轴承调心球轴承调心球轴承圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承圆锥滚子轴承圆锥滚子轴承0.0010.002齿轮处轴截面齿轮处轴截面0.51一般传动一般传动0.20.5较精密传动较精密传动重要传动重要传动挠度挠度mm转角转角rad每米长每米长的扭角的扭角( )/ml 支支撑间的跨

19、矩撑间的跨矩 0.25 0.0016 电机定子与转子电机定子与转子 间的间隙间的间隙 mn 齿轮的模数齿轮的模数 m 蜗轮的模数蜗轮的模数 0.0010.050.0025第40页/共50页第四十一页，共50页。青岛科技大学(dxu)专用 潘存云教授研制 2）扭转变形）扭转变形(bin xng)计算计算raddGTlGITlp432radIlTGnipiii11等直径等直径(zhjng)轴的扭转角：轴的扭转角：阶梯轴的扭转角：阶梯轴的扭转角：其中：其中：T-转矩；转矩； Ip-轴截面的极惯性矩轴截面的极惯性矩 l -轴受转矩作用的长度；轴受转矩作用的长度；d -轴径；轴径；G-材料的切变模量；材

20、料的切变模量；第41页/共50页第四十二页，共50页。青岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 N212319321462860对2点取矩1932146286021936410举例：计算某减速器输出轴危举例：计算某减速器输出轴危险险(wixin)截面的直径。已知截面的直径。已知作用在齿轮上的圆周力作用在齿轮上的圆周力Ft=17400N, 径向力，径向力， Fr=6140N, 轴向力轴向力Fa=2860N,齿轮分度圆直径齿轮分度圆直径d2=146 mm,作用在轴右端带轮上外力作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）（方向未定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFa

21、FFAFaFrF1vF2v解：解：1) 求垂直面的支反力和轴向力求垂直面的支反力和轴向力LdFLFFarv2221NFv4287212364101vrvFFF12=FaaAFF d215-4 15-4 轴的设计轴的设计(shj)(shj)实例实例aad12第42页/共50页第四十三页，共50页。青岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadN930348034500MavMavF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力求水平面的支反力NLKFFF48031932064500187002/21tHHFFF3) 求求F力在支

22、点力在支点(zhdin)产生的反产生的反力力FFFFF124) 绘制绘制(huzh)垂直面的弯矩图垂直面的弯矩图2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM2/1LFMVaVmN 2055) 绘制水平面的弯矩图绘制水平面的弯矩图2/193. 08700 aVM 2/1LFMHaHmN 840FtF第43页/共50页第四十四页，共50页。青岛科技(kj)大学专用 潘存云教授研制 MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求求F力产生力产生(chnshng)的弯的弯矩图矩图7) 绘制合成弯矩图考虑绘制合成弯矩图考虑(kol)F可可能

23、与能与H、V内合力共面内合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面截面F力产生的弯矩为：力产生的弯矩为：2/193. 04803 aVM 2/1LFMFaFmN 463MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328MaL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF第44页/共50页第四十五页，共50页。青岛科技大学(dxu)专用 潘存云教授研制 MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求轴传递求轴传递(chund)的转矩的转矩9)求危险

24、截面求危险截面(jimin)的当量弯的当量弯矩矩MaF22)( TMMaeM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切应力为脉动循环变应力，取扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数折合系数: =0.6 22)12706.0(1400TMemN 1600mNMMF92722L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF第45页/共50页第四十六页，共50页。青岛(qn do)科技大学专用 潘存云教授研制 求考虑求考虑(kol)到键槽对轴的削弱，将到键槽对轴的削弱，将d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd6710)计算危险计算危险(wixin

25、)截面处截面处轴的直径轴的直径 33601 .0101600311.0beMdmN 4.64选选45钢，调质，钢，调质，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直径系列。符合直径系列。第46页/共50页第四十七页，共50页。青岛科技大学专用(zhunyng) 潘存云教授研制 按弯扭合成强度按弯扭合成强度(qingd)计算轴径的一般步骤：计算轴径的一般步骤：1. 将外载荷将外载荷(zi h)分解到水平面和垂直面。求垂直分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力面支撑反力FV和水平面支撑反力和水平面支撑反力FH ;2. 作垂直弯矩作垂直弯矩MV图和弯矩图和弯矩MH图图 ;3. 作合成弯矩作合成弯矩M图；图；4. 作转矩作转矩T图；图；5. 弯扭合成，作当量弯矩弯扭合成，作当量弯矩Me图；图；6. 计算危险截面轴径计算危险截面轴径:22)( TMMe22VHMMMmmMdbe31 1 . 01. 若危险截面上有键槽，则应加大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