机械设计基础之机械设计-第3章：轴.ppt

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1、第三章,轴的功用与分类轴的设计步骤轴的材料及其选择轴的结构设计轴的计算,轴,重点及难点轴的结构设计轴的强度计算校核,基本要求了解转轴、心轴和传动轴的载荷特点掌握轴的结构设计方法及相关注意事项掌握轴的三种强度计算方法了解轴的刚度计算方法,本章要求及重点难点,1、轴的功用与分类,支承旋转零件并传递运动和动力轴向/周向定位轴上零件,轴,持轮也。说文服重任,行远道,正直而固者,轴也。列女传母仪,功用,轴,1、轴的功用与分类,心轴：主要承受弯矩传动轴：主要承受转矩转轴：既承受弯矩，又承受转矩,分类（1）,载荷性质,直轴（光轴、阶梯轴）,曲轴,软轴（挠性轴）,1、轴的功用与分类,分类（2）,轴线形状,空心

2、轴,实心轴,1、轴的功用与分类,分类（3）,截面形状,4、结构问题 确定轴的形状和尺寸,2、轴的设计步骤,主要问题,轴的工作能力设计,1、强度问题 防止轴发生疲劳断裂2、刚度问题 防止轴发生过大的弹性变形3、振动稳定性问题 防止轴发生共振,轴的结构设计,1.拟定轴上零件装配方案2.估算轴的最小直径min3.确定各段直径及长度4.确定轴的结构要素,轴的结构设计,轴的强度计算,其它计算,8.刚度计算9.振动稳定性计算(临界转速),5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法(弯扭合成强度)7.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算,2、轴的设计步骤,基本步骤,材料选择,三边：边计算、边画图、边

3、修改,2、轴的设计步骤,基本特点,三与：估算与精算、计算与画图、轴的设计与轴上零件的设计,3、轴的材料及其选择,2.球墨铸铁QT500-5、QT600-2,1.钢碳素钢：优质碳素钢:35、50、45 轴钢 普通碳素钢Q235、Q255、Q275合金钢：20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn、35CrMo,廉价、应力集中敏度小,强度高、耐磨性好,成形性好、吸振性高,参照教材p184-185表26-2,4、轴的结构设计,轴身：连接轴颈与轴头部分轴肩：轴的直径变化所形成的阶梯处,轴头：轴和回转零件的配合部轴颈：轴和轴承的配合部,结构组成,4、轴的结构设计,结构例,4、轴的结构设计,在初步

4、估算轴径的基础上，根据轴的具体使用状况，确定轴的合理外形和全部结构尺寸（长度、直径）,内容与要求,满足强度、刚度的要求满足工艺性要求：（1）易加工；（2）应力集中少；（3）轴上零件准确定位；（4）易装拆和调整；（5）轴的受力状态好。,内容,要求,4、轴的结构设计,步骤1,1.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素,易装拆易调整,4、轴的结构设计,步骤1,改善轴的受力状态,4、轴的结构设计,步骤2,1.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素,根据已知轴上近似载荷（取决于功率和转速），初步估算基本轴径或根据经验确定轴的某个径向尺寸

5、,4、轴的结构设计,步骤2,估算轴径时，因轴承等位置尚未确定，弯矩未知，故只能考虑扭矩。,WT抗扭截面模量（系数），参照教材p425附录A表A-7；P传递的功率(kw)；n轴的转速(r/min)；d最小轴径(mm)；C材料相关系数教材p189表(26-3)轴上有单键，直径增大3-4%；有双键,直径增大7-10%,扭剪应力,设计公式,4、轴的结构设计,步骤3,1.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素,4、轴的结构设计,步骤3,根据轴上零件受力情况及安装固定对轴表面的要求，由外向内确定各段直径,根据轴上零件的位置、配合长度、支承结构和形式，由内向外确定各段长度,

6、4、轴的结构设计,步骤4,1.拟定轴上零件装配方案2.估算最小轴径3.确定各段尺寸4.确定轴的结构要素,（1）制造工艺性要求,轴应有良好的制造工艺，便于加工,加工方法不同，轴的结构也可能不同键槽应位于同一母线上；螺纹退刀槽；砂轮越程槽,（2）装拆要求,阶梯轴轴端应设计45倒角键槽应置于轴与轮毂先接触的直径变化处过盈配合采用锥面直径过渡合理设计非定位轴肩，减少不必要的配合面轴承定位轴肩(或套筒)不能过高(以便拆卸)轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角),轴上零件要易于装拆、调整不同的装拆方案，得到不同结构轴的直径应圆整成标准值,（3）定位和固定要求,轴与轴上零件要有准确的工作位置定位：零件有准确的工作位置固

7、定：零件在轴上的位置牢固可靠,周向定位和固定,常用的周向固定方法：键、花键、紧定螺钉、过盈配合等,防止轴上零件与轴发生相对转动，以传递转矩,轴向定位和固定,常用的轴向定位和固定方法：轴肩、套筒、螺母、轴端挡圈等轴头长度 轮毂的轴向长度定位轴肩高度一般取36mm,防止轴上零件工作时发生轴向蹿动,（4）尽量减少应力集中,改善轴的受力状态,轴肩处要有过渡圆角相邻轴径的变化不宜太大改善零件位置及结构,以改善轴的受力状态,4、轴的结构设计,找错练习,轴承没定位 轴向定位不确定 轴承用错或装错 无调整垫片 端盖端面无凹坑加工量大,无定位轴肩 端盖无密封 键槽太长无非定位轴肩套筒太高,5、轴的强度计算,在完

8、成轴的结构设计后，针对不同情况，采用不同强度校核计算方法对结构进行验证。,内容,5、轴的强度计算,方法1,5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法(弯扭合成强度)7.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算,适用情况：(1)轴只传递转矩，不承受弯矩（或很小的弯矩）(2)弯矩未知，按扭距作初步计算,5、轴的强度计算,方法1,WT抗扭截面模量（系数），参照教材p425附录A表A-7；P传递的功率(kw)；n轴的转速(r/min)；d最小轴径(mm)；T、C材料相关系数教材p189表(26-3)轴上有单键，直径增大3-4%；有双键,直径增大7-10%,扭剪应力,设计公式,5、轴的强度计算,方法

9、2,5.许用切应力法(扭转强度)6.许用弯曲应力法(弯扭合成强度)7.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算,T,适用情况：(1)一般精度情况的轴计算(2)支撑点、载荷均已知,F,5、轴的强度计算,步骤：绘制受力计算简图计算所有力引起的弯矩合成弯矩M计算扭矩合成当量弯矩M强度条件：,为扭-弯应力性质折合（校正）系数含义：将扭剪应力的循环特性转换 成与弯曲应力的循环特性一致,方法2,对只承受弯矩的心轴对转动心轴：对不转动心轴：,设计校核公式,危险截面的确定：承受当量弯矩最大的截面承受当量弯矩较大且几何尺寸较小的截面23个截面,5、轴的强度计算,方法2,5、轴的强度计算,方法3,5.许用切应力法

10、(扭转强度)6.许用弯曲应力法(弯扭合成强度)7.安全系数计算法：疲劳强度计算、静强度计算,T,适用情况：(1)针对重要轴的精确计算(2)同时考虑应力集中等多种因素,F,5、轴的强度计算,方法3,KN：寿命系数-1,-1：对称循环应力时材料弯曲和扭转疲劳强度k，k：弯曲与扭转时应力集中系数，教材p424表A-4,5：表面质量系数，教材p422、423表A-1,2,3，：尺寸系数，教材p424表A-6,S S,教材192表26-5,疲劳强度精确计算,5、轴的强度计算,方法3,静强度精确计算,见教材p192193,6、轴的其它计算,T,F,8.刚度计算9.振动稳定性计算(临界转速),扭转刚度计算扭角条件：,弯曲刚度计算挠度条件：倾角条件：,刚度计算,6、轴的其它计算,7、轴的设计与计算,教材p198-200,作业：教材p201 习题26-7,