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机械设计基础--第十章(轴).ppt

机械设计基础--第十章(轴)

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2013-11-11 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《机械设计基础--第十章(轴)ppt》,可适用于工程科技领域

FundamentalsofMachineDesign高等院校现代机械设计系列教材(第十章)一、基本内容及学习要求二、学习指导三、典型实例分析四、复习题五、复习题参考答案第十一章轴回目录.基本内容⑴轴的类型及常用材料⑵轴的结构设计⑶轴的强度计算一、基本内容及学习要求一、基本内容及学习要求  .学习要求  ⑴掌握轴的类型  ⑵了解对轴的材料的要求及轴的常用材料  ⑶掌握轴的结构设计方法及轴的设计步骤  ⑷掌握轴上零件的定位与固定方法  ⑸掌握轴的强度计算方法:按扭转强度计算按弯扭合成强度计算。⒊重点 轴的分类、结构设计和强度计算是本章的重点。⒋难点 轴的结构设计是本章的难点。一、基本内容及学习要求二、学习指导⒈轴的分类按照轴的轴线形状分为直轴和曲轴两类。直轴根据工作时的承载情况分为心轴、传动轴和转轴。①心轴(图)只承受弯矩的轴称为心轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴前者如与滑轮用键相联的轴后者如与滑轮动配合的轴。②传动轴(图)只承受转矩或主要承受转矩(即受到的弯矩很小)的轴称传动轴。如汽车下方的传动轴。③转轴(图)工作中既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。转轴在各类机器中最常见如齿轮减速器中的各轴。轴还有其他的分类方法。二、学习指导图图图二、学习指导⒉设计轴的基本要求和一般步骤⑴设计轴的基本要求  使轴的结构合理和具有足够的强度。但不同机械对轴工作的要求各不相同。对于机器中的转轴主要应满足强度和结构的要求对于工作时不允许有过大变形的轴(如机床主轴)应主要满足刚度要求对于高速轴则应满足振动稳定性的要求。二、学习指导  ⑵设计轴的一般步骤是  ①根据工作要求选择轴的材料和热处理方法  ②初步确定轴的直径  ③考虑轴上零件的安装和受力等情况进行轴的结构设计  ④对轴作强度校核必要时进行轴的刚度及振动稳定性计算。二、学习指导⒊轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多用轧制圆钢或锻件。从强度考虑合金钢优于碳钢但价格高且合金钢对应力集中敏感故表面质量要求也高从刚度考虑合金钢与碳钢差别不大。对一般用途的轴主要是满足强度要求常用的材料是碳钢最常用的是钢。轴的各种热处理或化学热处理有助于提高轴的强度和耐磨性尤其对合金钢效果更显著所以采用合金钢制造轴时必须进行热处理或化学热处理。外形复杂的轴如曲轴、凸轮轴等常用球墨铸铁和高强度铸钢材料。二、学习指导⒋轴的结构设计⑴轴径的初步计算由于开始设计轴时轴上载荷的作用位置和支点跨距未知故弯矩无法求出所以轴径是先按转矩进行初步计算将所算出的轴径作为转轴受扭段的最小直径。按转矩初步计算轴直径的公式为式中A是与材料的τT有关的计算系数可查表选取。当按上式初算轴径后如果在轴的相应截面处开有一个键槽则应将该直径加大如同一截面处有两个键槽直径加大。当该直径处装有标准件则应按标准件与轴的装配尺寸圆整。二、学习指导⑵轴的结构设计①轴的组成:轴由轴颈(与轴承相配合的轴段)、轴头(与传动零件相配合的轴段)和轴身(连接轴颈和轴头的轴段)组成。轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。即a)轴和轴上零件要有准确的工作位置且定位可靠b)轴上零件应便于装拆和调整c)轴应具有良好的制造和装配工艺性d)轴的受力状况合理应力集中小有利于提高轴的强度和刚度等。设计时需根据具体情况进行分析可做几个方案进行比较择优选出理想设计方案。二、学习指导为保证轴上零件具有准确的工作位置轴上零件通常都要进行轴向固定和周向固定。②轴向固定。零件的轴向固定常用轴肩、轴环、套筒、轴承端盖、轴端挡圈和圆螺母等固定方法。a)轴肩和轴环:结构简单定位可靠可承受较大的轴向力但在轴肩和轴环处因截面突变会引起较大的应力集中。为使定位可靠一般轴肩和轴环的高度h=(~)d轴环宽度b≈h。为便于滚动轴承的拆卸轴肩和轴环的高度h必须小于轴承内圈的端面高度其值按轴承手册确定。为使零件能靠紧定位面轴肩和轴环的过度圆角半径r必须小于零件孔的倒角C或圆角半径R。二、学习指导b)套筒:用于轴上两零件间相对位置的轴向固定套筒固定可使轴的结构简化但不宜太长也不宜用在转速较高的轴上套筒外径应按轴承手册中的安装尺寸确定。c)轴承端盖:用于轴承外圈的轴向固定可承受较大的轴向载荷但应有防止螺钉松动的装置。d)圆锥面加轴端挡圈:用于要求被定位零件的对中性好或承受冲击载荷时。e)圆螺母加止动垫圈或使用双螺母:用于轴端零件的轴向固定。当轴上零件间距较大不宜用套筒时也常用圆螺母固定。二、学习指导f)弹性挡圈和紧定螺钉:只适用于零件所受轴向载荷不大的场合。上述几种轴向固定都是零件相对于轴的轴向固定而整个轴系的轴向位置也必须确定轴的位置及其调整是通过轴承的固定来实现的。②周向固定。周向固定的目的是为了防止轴上零件和轴在传递运动和动力时发生相对转动。常用的周向固定方法有:键、花键、销、成形联接和过盈配合等。二、学习指导⑶安装与制造要求①安装要求:轴的结构设计首先应确定轴上零件的装拆方案即根据轴上零件的布置情况要求装配时所有零件都应顺利地到达轴上安装位置为减少零件在装拆时对配合表面的擦伤破坏应使零件在其配合表面上的装拆路径最短为便于有过盈配合零件的装配应在零件进入的轴端或轴肩处加工出倒角或导向锥。②制造要求:考虑轴的加工因素要求同一根轴上所有的键槽应布置在轴的同一母线上轴上需要磨削的轴段靠轴肩处应有砂轮越程槽车螺纹的轴段应有螺纹退刀槽精度要求较高的轴在轴的两端应钻中心孔作为基准轴上的倒角、圆角尺寸应尽可能一致以减少刀具种类提高生产率。二、学习指导  ⒌提高轴的强度的措施  ⑴减小轴的应力集中  多数转轴在变应力作用下工作易发生疲劳破坏所以轴肩处应有较大的过渡圆角轴的直径变化应尽可能小当靠轴肩定位零件的圆角半径过小时可采用内凹圆角或加装隔离环键槽端部与轴肩的距离不宜过小以免损伤轴肩处的过渡圆角和增加重叠应力集中源的数量尽可能避免在轴上受载较大的轴段切制螺纹。  ⑵提高表面质量  包括降低表面粗糙度对重要的轴可采用滚压、喷丸等表面强化处理表面高频淬火热处理渗碳、氰化、氮化等化学处理。二、学习指导⒍轴的计算轴的结构设计之后其形状和尺寸已确定零件在轴上的位置、外载荷及支反力的作用位置亦可确定这时即可对轴进行强度和刚度计算。⑴轴的强度计算①对传动轴可用式校核其扭转强度或计算直径。②对转轴主要是进行弯扭合成强度校核计算步骤如下:  a)画出轴的计算简图并求出水平面内和垂直面内的支承反力。对传动件上的载荷可简化为作用在轮缘宽度中点的集中力支反力作用点的位置根据轴承类型确定二、学习指导b)计算水平面弯矩MH并画出水平面弯矩图c)计算垂直面弯矩MV并画出垂直面弯矩图d)计算合成弯矩画出合成弯矩图e)计算轴的转矩T(T=×Pn)画出转矩图f)计算当量弯矩。根据第三强度理论当量弯矩式中α是根据转矩性质而定的应力校正系数。对于对称循环变化的转矩取对于脉动循环变化的转矩取对于不变的转矩取。当转矩变化规律不易确定或情况不明时可视转矩按脉动循环变化取α≈二、学习指导g)校核轴的强度。对选定的危险断面按下式验算在同一轴上各截面所受的载荷是不同的设计计算时应选择若干个危险截面(即当量弯矩较大而直径较小的截面)进行计算。若计算结果不满足要求则表明轴的强度不够必需修改结构设计并重新验算若计算结果满足轴的强度要求且强度裕量不过大一般就以原结构设计为准。二、学习指导③对心轴也可用上式计算只要取T=其计算截面的直径 式中[σb]是许用弯曲应力对于转动心轴取[σ]b对固定心轴载荷不变时取σb载荷变化时取σb其中σb、σb分别为轴材料在脉动循环变应力和静应力状态下的许用弯曲应力。对于一般用途的轴按上述方法设计计算即可对于重要的轴还需作进一步精确计算校核危险截面的安全系数需要时可参阅有关机械设计书籍。二、学习指导⑵轴的刚度计算轴受弯矩作用会产生弯曲变形受转矩作用会产生扭转变形。如果轴的刚度不够产生的变形过大就会影响轴上零件的正常工作。因此对于重要的轴为使其工作时不致因刚度不够而失效设计时必须根据轴的工作条件限制其变形量。①轴的弯曲刚度条件为对挠度y≤y对偏转角θ≤θ②轴的扭转刚度条件为对每米长的扭转角φ=TlGIp≤φ二、学习指导⒎注意事项设计轴时首先应判断轴的类型以便确定相应的计算方法。根据直轴的受载情况可分为转轴、心轴和传动轴。转轴和心轴都受弯矩这说明该轴上装有对轴产生弯曲作用的传动零件(如齿轮和带轮)传动轴和转轴都受转矩这说明该轴上至少装有两个与轴作轮毂连接的传动零件才能对轴形成扭转。若这些传动零件至少有一个对轴产生径向力时该轴为转轴否则为传动轴。如联轴器需用轮毂连接而对轴的径向力相对很小所以只在两轴端装联轴器的轴是传动轴。此外固定心轴不传递旋转运动故不受转矩。如自行车前、后轮套装在前、后轴上车轴固定不动只受到车轮对其的压力而受弯矩所以此前、后轴是固定心轴。以上对轴类型的判断归结起来就是:轴受不受弯矩要看轴上装没装对轴产生径向力的传动零件轴受不受转矩要看轴上装了多少用轮毂连接的传动件。三、典型实例分析例 判断图起重机行走机构中各轴的类型。解:I轴只两端装有传动零件联轴器该轴主要受转矩故为传动轴。II~V轴均装有产生径向力的传动零件(齿轮、车轮)同时又都有两个传动零件(均在两处有周向固定)所以是转轴。图三、典型实例分析例 图为起重机卷筒轴的两种结构方案。()判断轴的类型()从轴的应力分析判断哪个方案的轴较重从制造工艺看哪个方案较好从安装维护方便看哪个结构较好?三、典型实例分析解:()图a中齿轮与卷筒用螺钉连成一体是一个构件该构件与轴通过滑动轴承形成转动副故该轴只受弯矩不受转矩故是心轴。又因该轴在两端通过卡板固定在支架上所以该轴为固定心轴。图b中齿轮和卷筒同样用螺钉连成一体组成一个构件该构件用键与轴连接而在轴的两端轴承与轴构成转动副轴可以旋转所以该旋转轴实质上只连接了一个传动零件不受转矩所以是转动心轴。三、典型实例分析()图a、b的两种结构都是轴不受扭而齿轮与卷筒组成的构件受到转矩的作用,这样做的好处在于把转矩从轴转移到轴上零件使轴的应力减小重量变轻。再进一步分析若工作条件相同图a为固定心轴受脉动循环弯曲变应力图b为转动心轴受对称循环弯曲变应力。故图b对轴的强度影响大同时该轴的截面变化多也会降低疲劳强度所以图b轴的重量比图a的大。三、典型实例分析从加工上看图a两轴承孔与图b卷筒上两键槽孔的同轴度要求相当而图b机架上还要加工两个轴承孔因路径较长增加了加工难度。又图b还有键槽处的轮毂配合精度及形状要求且需加工轮毂上的键槽因此图a方案加工方便。从安装维护上看图a的轴承在机架内的卷筒上维护条件差轴承为整体结构在轴承的安装、维修时零件要作较大轴向移动轴承磨损后间隙难以调整影响机器正常运转故增加了机器维护的难度。图b的滑动轴承在机架上可做成剖分结构安装、维护、调整等均较方便。三、典型实例分析例图为卷筒传动装置已知低速轴IV传递的功率为kW转速为rmin各轮毂连接处均用一个键该轴的最小直径为多少?三、典型实例分析解:I轴为传动轴该轴受扭段最小直径正好是该轴的最小直径(即轴的左端)。选轴的材料为钢查教材中表得:A=~取A=。轴受扭段最小直径为因该轴段装有联轴器且有一个键槽故轴径应增大~取d=×mm=mm。根据该轴传递的转矩和算得的最小直径可由机械手册选联轴器型号若选择的联轴器孔径为mm则该轴最小直径初选的最后结果为dmin=mm。三、典型实例分析例 一钢轴的刚度不足可采取的方法提高其刚度。  (A)用Cr钢代替(B)淬火(C)增大轴径(D)改进轴的结构以减轻应力集中。解:用合金钢不能提高轴的刚度反而会增加轴的成本所以选A得不偿失轴的热处理用于提高轴的强度和耐磨性对轴的刚度提高无实效故选B也不正确减轻应力集中可以提高轴的疲劳强度但对刚度的提高无益故选D也不正确提高轴的刚度可从增大轴的直径、减少支承跨距或悬臂量、调整传动零件在轴上位置等方面考虑所以选C正确。 选择题   ()传动轴所受的载荷是心轴所受的载荷是转轴所受的载荷是。 (A)只受弯矩不受转矩(B)只受转矩不受弯矩 (C)即受转矩又受弯矩(D)主要受转矩。   ()轴肩圆角半径应。 (A)等于轴上相配零件孔边圆角半径R (B)等于轴上相配零件孔边倒角尺寸C (C)大于R而小于C(D)小于C或小于R。   ()某轴的强度计算式为:σ≤σb该轴是。 (A)转动心轴(B)固定心轴(C)转轴(D)传动轴。   ()在图所示的传动装置中I轴为II轴为III轴为IV轴为。 (A)转动心轴(B)固定心轴(C)转轴(D)传动轴。四、复习题   ()计算转轴当量弯矩时当转矩为对称循环时α的取值为   (A)(B)(C)(D)。   ()在轴的结构设计中用于轴端零件的轴向固定用于轴上零件的定位用于轴向载荷不大时的轴向固定用于轴上零件的周向固定。   (A)轴肩(B)轴端挡圈(C)套筒(D)圆螺母   (E)轴用弹性挡圈(F)键(G)销。   ()一轴的两端用轴承支撑中部用键与齿轮连接该轴危险截面处的应力为MPa危险截面处的平均应力为MPa应力幅为MPa。  (A)(B)(C)(D)。§、复习题 ()转轴常设计成阶梯形是因为。(A)转轴受力相对复杂而阶梯轴具有接近等弯曲强度的特点(B)转轴上零件较多(C)阶梯轴上零件装拆维护方便(D)阶梯轴结构简单、加工方便。 ()用以下方法提高轴的疲劳强度不合适的是。(A)加大轴肩圆角半径(B)轴上的圆角尽可能取相同尺寸(C)减小阶梯轴直径差(D)降低轴的表面粗糙度。四、复习题  ()当转轴所受的径向力大小方向不变时其外圆面上任一点的应力属于应力因此在确定其许用应力时应选择作为许用应力。 (A)静应力(B)脉动循环变应力(C)对称循环变应力 (D)σb(E)σb(F)σ+b。四、复习题  .问答题  ()分析自行车中轴的受力情况它是什么轴?  ()为什么轴的结构设计很重要?结构设计时应注意什么问题?当采用轴肩和套筒定位时应注意什么问题?  ()公式d≥A(Pn)可作何种计算?A值与什么有关?减速器中输入轴、中间轴和输出轴A的取值是否一样?如何取?  ()作轴的弯曲强度计算时要用到三种不同的许用弯曲应力。对心轴强度计算时为什么取不同的许用值?转轴的该值如何取?  ()轴常用哪些材料?提高轴的疲劳强度有哪些措施?画图题  指出图所示的轴在结构上不合理和不完善的地方说明错误原因及改进意见并画出合理的结构图。四、复习题分析题⑴图为起重机卷筒轴的两种结构方案。①试判断两轴的类型②试从轴的应力分析哪个方案的轴较重从制造工艺 看哪个方案较好从安装维护看哪个方案较优?四、复习题⑵在图所示的汽车齿轮变速箱中牙嵌离合器的一半与齿轮(以下简称轮)固连在输入轴I上另一半和双联齿轮用滑键与输出轴III相连轮和轮及轮和轮始终啮合拨动双联齿轮可实现如下四种连接中的一种:x和y的连接、轮和轮的连接、轮和轮的连接、轮和轮的连接依次可得到四种不同的输出转速:高速前进、中速前进、低速前进、低速倒车。试分析在这四种车速时各轴的受载情况各是何种轴?哪些轴具有多类型属性?如何进行结构设计和强度计算?四、复习题图四、复习题  计算题⑴一转轴在直径d=mm处受不变的转矩T=×N·m和弯矩M=×N·m轴的材料为钢调质轴的截面是否满足强度要求?⑵一传动轴的材料为钢经调质处理传递的最大功率P=kW转速n=rmin该轴的直径为多少?⑶已知传动轴的直径d=mm转速n=rmin若轴上的切应力不超过MPa该轴能传递多大功率?⑷图为一起重用动滑轮起重量Q=kN滑轮轴的抗弯截面系数W=mm。试校核该轴的强度。(许用弯曲应力:σb=MPaσb=MPaσb=MPa)⑸一单级直齿圆柱齿轮减速器由电动机直接驱动电动机功率P=kW转速n=rmin齿轮模数m=mm齿数z=z=输出轴通过联轴器输出功率支点跨距L=mm轴的材料为钢经调质处理试计算该轴齿轮处轴头直径。四、复习题四、复习题图⒈⑴B,A,C⑵D⑶B⑷DCCA⑸A⑹B,DAEF,G⑺A,C⑻A,C⑼B⑽C,D五、复习题参考答案

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