北航生機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)課件推薦第3章軸

第三章軸的功用與分類軸的設(shè)計(jì)步驟軸的材料及其選擇軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的計(jì)算基本要求?了解轉(zhuǎn)軸、心軸和傳動(dòng)軸的載荷特點(diǎn)?掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及相關(guān)注意事項(xiàng)?掌握軸的三種強(qiáng)度計(jì)算方法?了解軸的剛度計(jì)算方法重點(diǎn)及難點(diǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算校核本章要求及重點(diǎn)難點(diǎn)1、軸的功用與分類

功用軸,持輪也?！墩f文》服重任,行遠(yuǎn)道,正直而固者,軸也?！读信畟鳌つ竷x》軸支承旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力軸向/周向定位軸上零件1、軸的功用與分類心軸：主要承受彎矩傳動(dòng)軸：主要承受轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)軸：既承受彎矩，又承受轉(zhuǎn)矩分類（1）載荷性質(zhì)直軸（光軸、階梯軸）曲軸軟軸（撓性軸）1、軸的功用與分類分類（2）軸線形狀空心軸實(shí)心軸1、軸的功用與分類分類（3）截面形狀4、結(jié)構(gòu)問題

—

確定軸的形狀和尺寸2、軸的設(shè)計(jì)步驟主要問題軸的工作能力設(shè)計(jì)1、強(qiáng)度問題

—

防止軸發(fā)生疲勞斷裂2、剛度問題

—

防止軸發(fā)生過大的彈性變形3、振動(dòng)穩(wěn)定性問題

—

防止軸發(fā)生共振軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)擬定軸上零件裝配方案估算軸的最小直徑ｄmin確定各段直徑及長度確定軸的結(jié)構(gòu)要素許用切應(yīng)力法(扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度)許用彎曲應(yīng)力法(彎扭合成強(qiáng)度)7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、靜強(qiáng)度計(jì)算8.剛度計(jì)算9.振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算(臨界轉(zhuǎn)速)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算2、軸的設(shè)計(jì)步驟基本步驟材料選擇三邊：邊計(jì)算、邊畫圖、邊修改三與：估算與精算、計(jì)算與畫圖、軸的設(shè)計(jì)與軸上零件的設(shè)計(jì)2、軸的設(shè)計(jì)步驟基本特點(diǎn)3、軸的材料及其選擇2.球墨鑄鐵QT500-5、QT600-21.鋼碳素鋼：優(yōu)質(zhì)碳素鋼:35、50、45軸鋼普通碳素鋼Q235、Q255、Q275合金鋼：20Cr、20CrMnTi、40Cr、35SiMn、35CrMo廉價(jià)、應(yīng)力集中敏度小強(qiáng)度高、耐磨性好成形性好、吸振性高參照教材p184-185表26-2軸頭軸身軸頸軸身軸頸

軸頭4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸身：連接軸頸與軸頭部分軸肩：軸的直徑變化所形成的階梯處軸頭：軸和回轉(zhuǎn)零件的配合部軸頸：軸和軸承的配合部結(jié)構(gòu)組成4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)例4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在初步估算軸徑的基礎(chǔ)上，根據(jù)軸的具體使用狀況，確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸（長度、直徑）內(nèi)容與要求滿足強(qiáng)度、剛度的要求滿足工藝性要求：易加工；應(yīng)力集中少；軸上零件準(zhǔn)確定位；易裝拆和調(diào)整；軸的受力狀態(tài)好。內(nèi)容要求4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟1擬定軸上零件裝配方案估算最小軸徑確定各段尺寸確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇易裝拆易調(diào)整4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟1改善軸的受力狀態(tài)4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟2擬定軸上零件裝配方案估算最小軸徑確定各段尺寸確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇根據(jù)已知軸上近似載荷（取決于功率和轉(zhuǎn)速），初步估算基本軸徑或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定軸的某個(gè)徑向尺寸4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟2估算軸徑時(shí)，因軸承等位置尚未確定，彎矩未知，故只能考慮扭矩。T①WT－抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425附錄A表A-7；P－傳遞的功率(kw)；n－軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；d－最小軸徑(mm)；C－材料相關(guān)系數(shù)→教材p189表(26-3)②軸上有單鍵，直徑增大3-4%；有雙鍵,直徑增大7-10%扭剪應(yīng)力TTtT

=

W0.2d

3n9.55

·106

PT=

=pd

3

/

16￡

tT

]設(shè)計(jì)公式mm3

Pn=

Cd

=T

T3T

3

9.55·106

P0.2[τ

]

=

0.2[τ

]n4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟3擬定軸上零件裝配方案估算最小軸徑確定各段尺寸確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟3②根據(jù)軸上零件的位置、配合長度、支承結(jié)構(gòu)和形式，由內(nèi)向外確定各段長度定定定?60

?68

?70

?72

?82

?80

?70?70k6?72H7/r6①根據(jù)軸上零件受力情況及安裝固定對軸表面的要求，由外向內(nèi)確定各段直徑?60H7/k621122206

96.596.5鍵20×110鍵18×100

4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟4擬定軸上零件裝配方案估算最小軸徑確定各段尺寸確定軸的結(jié)構(gòu)要素軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇滿足強(qiáng)度、剛度的要求滿足工藝性要求：（1）易加工；（2）應(yīng)力集中少；（3）軸上零件準(zhǔn)確定位；（4）易裝拆和調(diào)整；（5）軸的受力狀態(tài)好綜合考慮?。?）制造工藝性要求軸應(yīng)有良好的制造工藝，便于加工光軸 等強(qiáng)度軸 階梯軸加工方法不同，軸的結(jié)構(gòu)也可能不同鍵槽應(yīng)位于同一母線上；螺紋退刀槽；砂輪越程槽車削倒角磨削砂輪越程槽（2）裝拆要求階梯軸軸端應(yīng)設(shè)計(jì)45°倒角鍵槽應(yīng)置于軸與輪轂先接觸的直徑變化處過盈配合采用錐面直徑過渡合理設(shè)計(jì)非定位軸肩，減少不必要的配合面軸承定位軸肩(或套筒)不能過高(以便拆卸)軸肩圓角ｒ＜輪轂孔圓角Ｒ(倒角Ｃ)軸上零件要易于裝拆、調(diào)整不同的裝拆方案，得到不同結(jié)構(gòu)軸的直徑應(yīng)圓整成標(biāo)準(zhǔn)值hrRrR（3）定位和固定要求軸與軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置定位：零件有準(zhǔn)確的工作位置固定：零件在軸上的位置牢固可靠周向定位和固定防止軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，以傳遞轉(zhuǎn)矩常用的周向固定方法：鍵、花鍵、緊定螺釘、過盈配合等軸向定位和固定防止軸上零件工作時(shí)發(fā)生軸向躥動(dòng)常用的軸向定位和固定方法：軸肩、套筒、螺母、軸端擋圈等軸頭長度<輪轂的軸向長度定位軸肩高度一般取3－6mm（4）盡量減少應(yīng)力集中,改善軸的受力狀態(tài)軸肩處要有過渡圓角相鄰軸徑的變化不宜太大改善零件位置及結(jié)構(gòu),以改善軸的受力狀態(tài)4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)找錯(cuò)練習(xí)⑥軸承沒定位⑦軸向定位不確定⑧軸承用錯(cuò)或裝錯(cuò)⑨無調(diào)整墊片⑩端蓋端面無凹坑加工量大①無定位軸肩②端蓋無密封③鍵槽太長④無非定位軸肩⑤套筒太高③① ②

④

⑤⑥⑦⑧⑨⑩5、軸的強(qiáng)度計(jì)算在完成軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，針對不同情況，采用不同強(qiáng)度校核計(jì)算方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證。內(nèi)容軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇5、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇5.許用切應(yīng)力法(扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度)6.許用彎曲應(yīng)力法(彎扭合成強(qiáng)度)7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、靜強(qiáng)度計(jì)算T適用情況：

(1)軸只傳遞轉(zhuǎn)矩，不承受彎矩（或很小的彎矩）

(2)彎矩未知，按扭距作初步計(jì)算5、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法1T①WT－抗扭截面模量（系數(shù)），參照教材p425附錄A表A-7；P－傳遞的功率(kw)；n－軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；d－最小軸徑(mm)；[tT]、C－材料相關(guān)系數(shù)→教材p189表(26-3)②軸上有單鍵，直徑增大3-4%；有雙鍵,直徑增大7-10%扭剪應(yīng)力TTtT

=

W0.2d

3n9.55

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/

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]設(shè)計(jì)公式mm3

Pn=

Cd

=?T

T3T

3

9.55·106

P0.2[τ

]

=

0.2[τ

]n5、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇適用情況：

(1)一般精度情況的軸計(jì)算

(2)支撐點(diǎn)、載荷均已知許用切應(yīng)力法(扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度)許用彎曲應(yīng)力法(彎扭合成強(qiáng)度)安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、靜強(qiáng)度計(jì)算TF5、軸的強(qiáng)度計(jì)算步驟：繪制受力計(jì)算簡圖計(jì)算所有力引起的彎矩合成彎矩M計(jì)算扭矩合成當(dāng)量彎矩M’強(qiáng)度條件：水平垂直M

2+

M

2M

=M

'

=

M

2

+

(a

T

)2W-

1

bs

'

=

M

'

￡

[s

]a為扭-彎應(yīng)力性質(zhì)折合（校正）系數(shù)含義：將扭剪應(yīng)力的循環(huán)特性轉(zhuǎn)換成與彎曲應(yīng)力的循環(huán)特性一致恒定轉(zhuǎn)矩方法2-1

b[s

+1

b

][s

]a

=[s

]-1

b[s

0

b

]脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩a

=[s

-

1

b

]a

=

[s

-

1

b

]

=

1

.0循環(huán)轉(zhuǎn)矩許用彎曲應(yīng)力參照教材p190表26-4W：抗彎截面模量，參照教材p425附錄A表A-7對只承受彎矩的心軸對轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：對不轉(zhuǎn)動(dòng)心軸：設(shè)計(jì)校核公式M

'0.1

[s

-1b

]3d

=3M0

.1[s

b

]d

=[s

b

]

=

[s

-

1

b

][s

b

]

=

[s

0

b

]

or[s

+

1

b

]危險(xiǎn)截面的確定：承受當(dāng)量彎矩最大的截面承受當(dāng)量彎矩較大且?guī)缀纬叽巛^小的截面

2－3個(gè)截面5、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法25、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的強(qiáng)度計(jì)算其它計(jì)算材料選擇許用切應(yīng)力法(扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度)許用彎曲應(yīng)力法(彎扭合成強(qiáng)度)7.安全系數(shù)計(jì)算法：疲勞強(qiáng)度計(jì)算、靜強(qiáng)度計(jì)算T適用情況：

(1)針對重要軸的精確計(jì)算

(2)同時(shí)考慮應(yīng)力集中等多種因素F5、軸的強(qiáng)度計(jì)算方法3SsSttSs2

+S

2S=KNs-1Ss

=kbes

s

sa

+

jssmKNt-1St

=kbet

t

ta+

jttmKN：壽命系數(shù)s-1,t-1：對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)材料彎曲和扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度ks，kt：彎曲與扭轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)，教材p424表A-4,5b：表面質(zhì)量系數(shù)，教材p422、423表A-1,2,3es，et：尺寸系數(shù)，教材p424表A-6S

?

[S]教材192表26-