轴结构设计.pptx

单击此处编辑母版标题样式,特别申明：本电子教案中所有素材的版权归原创作者国防科技大学潘存云教授所有。购买方有权复制多份光盘用于本单位的教学。但不得提供给第三方。未经作者同意，也不得在公开出版物中引用其中的素材，违者应承担相应的法律责任。作者：潘存云 教授,2004,年,2,月,第二级,第三级,第四级,第五级,新疆大学专用 作者：潘存云教授,#,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,带式运输机,减速器,电动机,转轴,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,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,发动机,后桥,传动轴,一、轴的用途及分类,15-1,概 述,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,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,前轮轮毂,固定心轴,火车轮轴,车厢重力,前叉,自行车,前轮轴,支撑反力,转动心轴,一、轴的用途及分类,15-1,概 述,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,潘存云教授研制,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,潘存云教授研制,潘存云教授研制,新疆大学专用 作者：潘存云教授,本章只研究直轴,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,潘存云教授研制,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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：,N,选择材料,结构设计,轴的承载能力验算,验算合格,?,结 束,Y,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,正火或调质处理。,表,15-1,轴的常用材料及其主要力学性能,材料及热处理,毛坯直径,mm,硬度,HBS,强度极限,b,屈服极限,s,MPa,弯曲疲劳极限,-1,应用说明,Q235,440,240,200,用于不重要或载荷不大的轴,35,正火,520,270,250,有较好的塑性和适当的强度，可用于一般曲轴、转轴。,100,149,187,新疆大学专用 作者：潘存云教授,表,15-1,轴的常用材料及其主要力学性能,材料牌号 热处理 毛坯直径 硬度,mm HBS,抗拉强度极限,b,屈服强度极限,s,弯曲疲劳极限,-1,剪切疲劳极限,-1,许用弯曲应力,-1,备 注,应用最为广泛,用于不太重要及受载荷不大的轴,用于载荷较大，而无大的冲击的重要轴,用于很重要的轴,用于重要轴，性能近于,40CrNi,用于要求高耐磨性，高强度且热处理变形很小的轴,用于要求强度及韧性均较高的轴,用于腐蚀条件下的轴,用于高、低温及腐蚀条件下的轴,用于制造复杂外形的轴,100 400420 225,100250 375390 215,170 105 40,100 170217 590 295 255 140,100300 162217 570 285 245 135,100300 685 490 335 185,241286,100300 240270 785 570 370 210,100300 217269 685 540 345 195,100160 241277 785 590 375 220,60100 277302 835 685 410 270,200 217255 640 355 275 155,100 735 540 355 200,100 270300 900 735 430 260,100 229286 735 590 365 210,60 293321 930 785 440 280,淬火,60 5662 640 390 305 160,55,60,70,75,70,75,60,75,100 241 835 635 395 230,100 530 190 115,100200 490 180 110,190270 600 370 215 185,245335 800 480 290 250,45,195,192,渗碳 渗碳,回火,HRC,调质,调质,调质,调质,调质,正火,热轧或锻后空冷,Q235A,45,40Cr,40CrNi,38SiMnMo,38CrMoAlA,MPa,20Cr,3Cr13,1Cr18NiTi,QT600-3,QT800-2,调质,淬火,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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。,轴端挡圈,带轮,轴承盖,套筒,齿轮,滚动轴承,典型轴系结构,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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。,潘存云教授研制,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,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。,s,a,B,c,L,a,圆锥圆柱齿轮二级减速器,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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。,方案一,方案二,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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。,轴肩,套筒,定位方法：,轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,潘存云教授研制,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,:,r C,1,或,r 200,mm,。,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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：,S,S,=1.21.4,-,高塑性材料的钢轴,(,S,/,B,0.6),；,S,S,=1.41.8,-,中等塑性材料的钢轴,(,S,/,B,=0.60.8),；,S,S,=1.82.0,-,低塑性材料的钢轴；,S,S,=2.02.3,-,铸造轴,;,S,S,-,按屈服强度设计的安全系数；,S,Sca,-,危险截面静强度设计的安全系数；,其中：,S,S,-,同时考虑弯矩和轴向力时的安全系数；,新疆大学专用 作者：潘存云教授,S,S,-,只考虑扭矩时的安全系数：,M,max,-,轴的危险截面上所受的最大弯矩；,T,max,-,轴的危险截面上所受的最大扭矩,N.mm,；,F,amx,-,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，,mm,2,；,W,-,轴的危险截面的抗弯截面系数，,mm,3,；,W,-,轴的危险截面的抗扭截面系数，,mm,3,。,s,-,材料,的抗弯屈服极限；,s,-,材料,的抗扭屈服极限；,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,l,F,F,F”,1,2,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：,y,y,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,。,y,三、轴的刚度校核计算,T,T,l,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,表,15-4,轴的许用变形量,变形种类,许用值,适用场合,变形种类,许用值,适用场合,(0.00030.0005),l,一般用途的轴,0.0002,l,刚度要求较高,感应电机轴,(,0.010.05)m,n,安装齿轮的轴,0.01,(,0.020.05)m,安装蜗轮的轴,滚动轴承,0.05,向心球轴承,调心球轴承,圆柱滚子轴承,圆锥滚子轴承,0.0010.002,齿轮处轴截面,0.51,一般传动,0.20.5,较精密传动,重要传动,挠度,mm,转角,rad,每米长的扭角,(,)/m,l,支,撑间的跨矩,0.25,0.0016,电机定子与转子,间的间隙,m,n,齿轮的模数,m,蜗轮的模数,0.001,0.05,0.0025,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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；,I,p,-,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；,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,F,t,=17400N,径向力，,F,r,=6140N,轴向力,F,a,=2860N,齿轮分度圆直径,d,2,=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,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,解：,1),求垂直面的支反力和轴向力,=F,a,d,2,15-4,轴的设计实例,a,a,d,1,2,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,M,av,M,av,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,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,F,t,F,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,M,a,M,av,M,av,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,M,2F,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：,M,aF,M,a,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,F,t,F,新疆大学专用 作者：潘存云教授,潘存云教授研制,潘存云教授研制,M,a,M,av,M,av,F,1H,F,2H,M,aH,F,1F,F,2F,M,2F,8),求轴传递的转矩,9),求危险截面的当量弯矩,M,aF,M,2,M,a,T,扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数,:,=0.6,L/2,L,K,F,t,F,r,F,a,F,F,A,F,a,F,r,F,1v,F,2v,1,2,=F,a,d,2,a,a,d,F,t,F,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,=650 MPa,-1b,=60 MPa,符合直径系列。,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,F,V,和水平面支撑反力,F,H,;,2.,作垂直弯矩,M,V,图和弯矩,M,H,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,M,e,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：,新疆大学专用 作者：潘存云教授,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,:,当轴的振动频率与轴的自振频率相同时，就会产生共振。,共振时轴的转速称为临界转速。,临界转速可以有很多个，其中一阶临界转速下振动最为激烈，最为危险，,新疆大学专用 作者：潘存云教授,刚性轴：工作转速低于一阶临界转速的轴；,挠性轴：工作转速超过一阶临界转速的轴；,一般情况下，应使轴的工作转速,n,0.85,n,c1,，,或,1.5,n,c1,n,0.85,n,c2,。,满足上述条件的轴就是具有了弯曲振动的稳定性。,