机械设计基础14.ppt

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1、,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,工程实际中的轴,设计：潘存云,14-1 轴的功用和类型,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：,支承传动零件 传递运动和力,功用：,14-1 轴的功用和类型,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,支承传动零件 传递运动和力,功用：,设计：潘存云,14-1 轴的功用和类型,功用：,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：,

2、传动轴-只传递扭矩,心轴-只承受弯矩,固定心轴,火车轮轴,支承传动零件 传递运动和力,14-1 轴的功用和类型,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,14-1 轴的功用和类型,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,曲轴,设计：潘存云,14-1 轴的功用和类型,功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等

3、。,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,曲轴,挠性钢丝轴,设计任务：选材、结构设计、强度和刚度设计、确 定尺寸等,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。,14-2 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、

4、强度较好等优点。,为了改善力学性能,设计：潘存云,设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。,14-3 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；,2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；,3.各零件要牢固而可靠地相对固定；,4.改善应力状况，减小应力集中。,(固定),(定位),设计：潘存云,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。,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。,一、制造安装要求,取值见P119,设计：潘存云,零件的轴向定位由轴肩或套筒来实现。,二、轴上零件的定位,轴肩-阶梯轴上截面变化之处。,设计：潘存

5、云,设计：潘存云,轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。,三、轴上零件的固定,双向固定,固定可靠,装拆方便,可承受较大轴向力,但螺纹对轴削弱较大.,圆螺母加止动垫片,特点,结构简单,定位可靠,用于零件间距 较小场合,轴转速较高时不易选用,套筒,特点,结构简单,只能承受很小的轴向力,弹性挡圈,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,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,b1.4h(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固定。,设计：

6、潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,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、或过盈配合等联接形式来实现。,键槽应设计成同一加工直线,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,四、改善轴的受力状况，减小应力集中,Tmax=T1+T2,Tmax=T1,1.改善受力状况,合理,不合理,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,2.减小应力集中,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的。,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B、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径

7、。也可以减小过盈配合处的局部应力。,指出下列轴系结构设计中的错误，绘出正确的结构设计图。(采用脂润滑)指出结构错误7处以上；正确如图所示。,4按图示例所示，指出图中轴系结构的其它错误（注：至少5处，不考虑轴承的润滑方式；倒角和圆角忽略不计）,答：轴端缺少轴端挡圈定位带轮；该键应该和右边的键在同一条母线上；缺少定位带轮的轴肩；轴承端盖和轴之间应有间隙；缺少密封圈；应有一轴肩便于安装轴承；该轴承安装反了；键太长；轴头长度应短于轮毂长度；套筒高于轴承内圈；缺少轴肩定位右轴承；轴承端盖应定位轴承外圈；,14-4 轴的强度设计,一、按扭转强度计算,对于只传递扭转的圆截面轴，强度条件为：,设计公式为：,对

8、于既传递扭转又传递弯矩的轴，可按上式初步估算轴的直径。,计算结果为：最小直径！,应圆整为：标准直径！,设计：潘存云,设计：潘存云,因b和的循环特性不同，折合后得：,二、按弯扭合成强度计算,强度条件为：,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；,-折合系数,Me-当量弯矩,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：,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,折合系数取值：=,0.3-转矩不变；,0.6-脉动变化；,1-

9、频繁正反转。,设计公式：,对称循环状态下的许用弯曲应力,设计：潘存云,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=146 mm,作用在轴右端带轮上外力F=4500N（方向未定）,L=193 mm,K=206 mm,解：1)求垂直面的支反力和轴向力,=Fa,设计：潘存云,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,设计：潘存云,6)求F力产生的弯矩图,7)绘制合成弯矩图,a-a 截面F力产生的弯矩为：,设计：潘存云,8)求

10、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,求考虑到键槽对轴的削弱，将d值增大5%，故得：,10)计算危险截面处轴的直径,选45钢，调质，b=650 MPa,-1b=60 MPa,符合直径系列。,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5%,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

11、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。,说明：,设计：潘存云,设计：潘存云,14-5 轴的刚度设计,弯矩 弯曲变形,扭矩 扭转变形,变形量的描述：,挠度 y,、转角,、扭角,设计要求：,y y,一、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。,设计：潘存云,二、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；,设计：潘存云,1011 键联接和花键联接,作用：用来实现轴和轴上零件的周向固定以传递扭矩，或实现零件的

12、轴向固定或移动。,一、键联接的类型,类型：平键、半圆键、楔键、切向键等。,1.平键联接,特点：定心好、装拆方便。,种类,普通平键,导向平键,毂,齿轮 联轴器,过盈连接,销联接,键联接,花键联接,A 型,C 型,B 型,普 通 平 键,导 向 平键,滑 动 平 键,半 圆 键,普通楔键 钩头楔键,楔 键,方便拆卸：钩头楔键,切向键,由两个斜度为1:100的楔键组成。工作面：上、下两面，靠互压传载，有一个面必须与轴线共面。,一个切向键只能传递一个方向的转矩，传递双向转矩时，须用互成120130角的两个键。,切向键静联接,设计：潘存云,普通平键结构,单圆头(C型),圆头(A型),方头(B型),用指状

13、铣刀加工，固定良好，轴槽应力集中大。,用盘铣刀加工，轴的应力集中小。,用于轴端,普通平键应用最广。,设计：潘存云,导向平键,零件可以在轴上移动，构成动联接。,结构特点：长度较长，需用螺钉固定。,为便于装拆，制有起键螺孔。,表10-9 普通平键和键槽尺寸（GB1095-79、GB1096-79）,A型,B型,C型,标记实例：圆头普通平键(A型):键16100 GB1096-79,方头普通平键(B型):键B16100 GB1096-79,单圆头普通平键(C型):键C16100 GB1096-79,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,2.半圆键联接,优点：定心好，装配方便。因半圆

14、键能在轴槽中摆动以适应轮毂槽底面。,缺点：对轴的削弱较大，只适 用于轻载联接。,特别适用于锥形轴端的联接。,设计：潘存云,3.楔键联接和切向键联接,结构特点：键的上表面有1:100的斜度，轮毂槽的底面也有1:100的斜度。,缺点：定心精度不高。,应用：只能应用于定心精度不高，载荷 平稳和低速的联接。,设计：潘存云,设计：潘存云,类型：普通楔键、钩头楔键。钩头是用来拆卸用的,在重型机械中常采用切向键-一对楔键组成。,装配时将两楔键楔紧，键的窄面是工作面，所产生的压力沿切向方向分布，当双向传递扭矩时，需要两对切向键分布成120130。,设计：潘存云,设计：潘存云,二、平键联接的强度校核,键的材料：

15、B 600 Mpa的碳素钢，常用45钢。,键的截面尺寸b、h查表选取，长度L参照轮毂长度从标准中选取。,键的主要失效形式：压溃、磨损(动联接)、剪断。,挤压强度条件：,l=L-b,l=L,一般不会出现,对于导向平键联接，计算依据是磨损，应限制压强：,若强度不时，可采用两个键按180布置。考虑到载荷分布的不均匀性，校核强度时按1.5个键计算。,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,三、花键联接,结构特点：沿周向均布多个键齿。齿侧为工作面。,优点：承载能力高、对轴的削弱程度小、定心好、导向性好。,类型：矩形花键、键开线花键、三角形花键。,制造容易最常用,用于高强度联接,用于薄壁零件联接,设计：

16、潘存云,静联接、动联接均可。一般只验算挤压强度和耐磨性。,设各齿压力的合力作用在平均半径rm处，取不均匀系数K=0.70.8，则花键联接所能传递的扭矩为：,静联接：T=Kzhlrmp,动联接：T=Kzhl rmp,l为接触长度；,h为齿面工作高度；,h=(D d)/2 2C,rm=(D+d)/4,C为齿顶倒圆半径；,花键材料：B 600 Mpa的碳素钢制造，大多进行热处理。,设计：潘存云,精品课件！,精品课件！,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,设计：潘存云,1012 销联接,作用：固定零件之间的相对位置，并可传递不大的载荷。,类型,圆柱销,圆锥销,-经多次拆装后，定位精度会降低；,有1:50的锥度，可反复多次拆装。,拆装方便用于盲孔,螺母锁紧抗冲击,不易松动，能承受振动和变载荷,不铰孔，可多次装拆。,带槽圆柱销,装配前、后,