《哈工大机械设计课程(授课老师：赵小力)第11+12讲.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈工大机械设计课程(授课老师：赵小力)第11+12讲.（66页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第11-12讲 轴和轴毂连接 复习：机械零件的载荷与应力 静载荷静载荷不随时间变化或缓慢变化的载荷不随时间变化或缓慢变化的载荷 动载荷动载荷随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷随时间作周期性变化或非周期性变化的载荷 不变化：如工件的自重，不变化：如工件的自重，mg；缓慢变化：如锅炉压力；缓慢变化：如锅炉压力 周期性：如空气压缩机曲轴；周期性：如空气压缩机曲轴； 非周期：如空气锤、汽车发动机曲轴。非周期：如空气锤、汽车发动机曲轴。 静应力静应力大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力；大小和方向不随时间变化或变化缓慢的应力； 变应力变应力大小和方向随时间变化的应力大小和方向随时间变化的应力 零件
2、在静应力作用下可能发生断裂或塑形变形；零件在静应力作用下可能发生断裂或塑形变形； 零件在变应力作用下可能发生疲劳破坏；零件在变应力作用下可能发生疲劳破坏； 根据循环特征根据循环特征 r r 可分为：对称循环变应力、脉动循环变应力和可分为：对称循环变应力、脉动循环变应力和 非对称循环变应力。非对称循环变应力。 循环变应力有循环变应力有5 5个基本参数：最大应力、最小应力、平均应力、个基本参数：最大应力、最小应力、平均应力、 应力幅和循环特征，其中只有应力幅和循环特征，其中只有2 2个为独立参数，其中循环特征个为独立参数，其中循环特征r r 是重要指标。是重要指标。 第9章 轴 9.1 概述 9.
3、1.1 轴的分类 功用：支撑传动件、传递动力和运动 转 轴: 心 轴: 传动轴: 工作时既受弯矩M又受转矩T 只受弯矩M，不传递转 矩T或转矩很小 传递转矩T而不受弯矩M或者弯矩很小 转动心轴 固定心轴 按载荷分类 转轴：减速器上的输入轴、输出轴 齿轮减速器 传动轴：汽车的传动轴（中间有花键） 心轴：火车轮轴、滑轮轴 直轴 : 曲轴 : 软轴 : 轴线是直线 轴线是平行线 轴线可大幅度改变 按轴线分类 实心轴 : 空心轴 : 常用 减轻重量，结构紧凑 按轴芯分类 阶梯轴：主要用在减速器上 曲轴：多用于汽油发动机 连杆 4缸发动机 软轴：汽车转速表、软轴泵等 软轴芯结构 软轴电泵 汽车转速表 软
4、轴实物 空心轴：多用于车床主轴、花键轴等 车床主轴 车床床头箱 花键空心轴 减速器空心轴 P1,n1 P2,n2 在AB之间的任意截面上，只 有弯矩M，因此只有弯曲应力 在BC之间的任意截面上，既作用有弯 矩M，又作用有转矩T，因此，即有弯 曲应力 ，又有扭转剪应力 而在CD之间的任意截面上，只作用 有转矩T，因此只有扭转剪应力 A B C D 1 2 F1F3 F2 T T 9.1.2 转轴的受力、应力分析及失效形式 旋转输出轴上某点的应力循环特性： A BC D 1 2 F1 F3 F2 T T r=-1 r=0r=+1 r=-1 匀速转动频繁启停正反转动 1 1）交变应力作用下，疲劳断裂
5、；）交变应力作用下，疲劳断裂； 2）应力集中产生断裂：如导弹发动机高速轴； 3）共振断裂： 4）过载冲击断裂； 5）永久变形等。 * 轴的失效形式包括： 颗粒状区域颗粒状区域 光滑区域光滑区域 9.1.3 轴的设计 轴的设计主要解决两个方面的问题： 设计计算：保证危险截面不发生预期的失效 结构设计：保证工艺性、装配性、维护性能等 1) 初定轴径： 2) 结构设计: 画草图, 确定轴的各段尺寸, 得到轴的跨距和力的作用点; 3) 进行校核计算。 轴的设计分三步进行 : 已知 条件 选择 轴的 材料 初算 轴径 结构 设计 计算 弯矩 转矩 校核 计算 完善 设计 修改直径 不满足 轴的材料主要采
6、用 常用的优质碳素钢有 30、40、45、和50钢， 其中45钢应用最多 碳素钢合金钢 常用的合金钢有 20Cr、40Cr、 35SiMn和35CrMo等 9.2 轴的材料及热处理 热处理 1）中碳钢：调质或者淬火 2）低碳钢：渗碳后淬火 3）重要的轴：深冷尺寸稳定、或高温回火 合金钢对应力集中比较敏感，而采用合金钢并不能提高轴的刚度合金钢对应力集中比较敏感，而采用合金钢并不能提高轴的刚度 常用材料的主要机械性能 9.3 轴径的初步估算 9.3.1 类比法 9.3.2 经验公式计算 高速输入轴的直径d可按与其相联的电动机轴 的直径D估算：d(0.81.2)D 各级低速轴的直径d可按同级齿轮传动
7、中心距 a估算：d (0.30.4)a 9.3.3 按扭转强度估算 或者： A BC D 1 2 F1 F3 F2 T T 键槽的影响 * 一般情况下，最小轴径在轴端，当最小直径剖面上有一 个键槽时增大5%，当有两个键槽时增大10%，然后圆整。 9.4 轴的结构设计 轴的结构设计的主要要求是： 1) 轴应便于加工，轴上零件应便于装拆 （制造安装要求）（制造安装要求） 2) 轴和轴上零件应有正确而可靠的工作位置 （定位固定要求（定位固定要求） 3) 轴的受力合理，尽量减少应力集中等 以减速器的低速轴为例加以说明 主要目的：确定轴的各部分的形状和尺寸。 减速器低速轴结构图 为了便于安装和拆卸，各个
8、与轴有配合关系的零部件的相 邻轴段应设计成阶梯形，同时也减少加工量和摩擦磨损，从 而使得轴的直径从轴端逐渐向中间增大。 9.4.1 制造安装拆卸要求 参见轴上零件的装配过程的演示。参见轴上零件的装配过程的演示。 制造安装要求 了解装拆过程 阶梯设计轴径 各轴端部应有倒角 过盈配合的轴端压入端应有锥面 满足制造工艺性 磨削越程槽 车削退刀槽 多键一条线 键槽靠轴端 9.4.2 固定要求 1、轴上零件的轴向固定方法，优先推荐使用！ (1) 轴肩固定 错误 为了保证轴上零件的端面紧靠在轴肩上 轴肩只能使轴上零件沿轴向单向固定，尚需与其他轴向固定 联合使用，才能实现零件的双向固定。 (2)套筒固定 (
9、3)圆螺母固定 (细牙螺纹) 错误 (4) 轴端挡圈 轴段的轴上零件的 轴向固定 (5) 弹性挡圈 轴向力较小或仅防零 件偶然轴向移动 对轴的强度削弱较大 (6)紧定螺钉 用于轴向力较小 同时起到轴向和周 向固定作用 键 联 接 花键联接 成形联接 弹性环联接 销联接 过盈配合联接 2、轴上零件的周向固定 为了传递运动和转矩,或因需要,轴上零件还需有周向固定 ：键、花键、销、型面等，见下堂课！ 9.4.3 提高轴的强度的措施 1、合理布置传动零件的位置，使轴段受载合理 F1 F1 F1 F1 F1 2F1 F1 2、合理设计轴上零件的结构，减小载荷幅值 3、减小应力集中，采用轴肩过渡结构 过渡
10、肩环内凹圆角 轴上的卸载槽轮毂上的卸载槽 4、提高轴的表面质量 提高轴的疲劳强度:表面强化碾压、喷丸、表面淬火等 工件表面喷丸处理冲击碾压 9.4.4 轴的结构设计 （各轴段的直径和长度的确定顺序 ） 对于一般轴的结构设计而言，其设计原则： （1）轴的结构为阶梯轴，固定定位轴肩按公式计算，安装 过渡轴肩的轴段相差尽可能小； （2）某些轴段与其他零件存在配合关系，其直径和长度需 协同设计，如是标准件，需查国家标准确定其尺寸， 比如联轴器、轴承、密封圈等。 （3）对于不存在配合关系的某些轴段则需要从总体设计 出发，按照经验取值。 （4 4）各轴段的直径设计顺序为：从两侧向中间逐一设计；）各轴段的直
11、径设计顺序为：从两侧向中间逐一设计； 长度设计顺序为：从中间向两侧逐一设计。长度设计顺序为：从中间向两侧逐一设计。 1.轴的径向尺寸确定 9.4.4轴的结构设计 箱体内壁位置 的确定 H=(1015)mm A=b+2H A应圆整 2.轴的轴向尺寸确定 HH 轴承座端面位置 的确定 C=+C1+C2+(5 10)mm -箱体壁厚 C1、C2-螺栓扳 手空间 B=A+2C B应圆整 CC 轴承在轴承座孔中位置的确定 减小支点距离 值尽量小 油润滑时 = (35)mm 脂润滑时 = (812)mm 轴的外伸长度的确定 当轴端安装弹性套柱 销联轴器时K值由联轴 器确定,以便更换橡胶 套。 当使用凸缘式
12、轴承盖 时k值由联接螺栓长 度确定，以便拆卸轴 承端盖的连接螺栓。 当轴承盖与轴端零件都 不需拆卸或不影响轴承 轴承盖连接螺栓的拆卸 时,间距K应尽可能小一 般取K=5mm8mm 轴的外伸长度与轴段上的零件及轴承端盖的结构尺寸相关。 最终确定的轴向尺寸 轴的结构合理性分析 轴的结构合理性分析 9.5 轴的强度校核计算 9.5.1 轴的计算简图 在轴的各部分结构和尺寸都确定后，定出力的支点和跨距，进 行强度校核，以及刚度、振动稳定性等。 强度和刚度校核，需画出轴的受力简 图，而各个作用力的大小、方向和作 用点位置就要确定下来，在画图时： 将阶梯轴简化为一个简支梁；将阶梯轴简化为一个简支梁； 传动
13、件作用于轴上的均布载荷，简化为传动件作用于轴上的均布载荷，简化为 集中力，并作用于轮缘宽度的中点；集中力，并作用于轮缘宽度的中点； 作用在轴上的转矩，简化为从传动件轮作用在轴上的转矩，简化为从传动件轮 毂宽度的中点算起的转矩；毂宽度的中点算起的转矩； 轴的支承反力的作用点随轴承类型和布轴的支承反力的作用点随轴承类型和布 置方式而异。置方式而异。 9.5.2 按弯扭合成强度计算 强度条件（第三强度理论） 对影响轴的疲劳强度的各个因素则采用降低许用 应力值的方法考虑，故计算较简单，适用于一般 转轴。 若转矩变化规律不清楚若转矩变化规律不清楚 时，可按脉动循环处理时，可按脉动循环处理 9.5.3 轴
14、的安全系数校核计算（重要轴） 1、轴的疲劳强度安全系数的校核计算 可能的危险剖面有: （1）M、T较大 （2）尺寸较小或突变 （3）应力集中 当难以确定时，校核所有 可能的危险截面，使其安全 系数都应大于许用值。 校核危险剖 面疲劳强度 安全系数的 公式为 对一些重要的轴，要对轴危险剖面的疲劳强度安全系数进行 校核计算，该方法将影响疲劳强度的重要因素考虑入内，如 应力循环特征、应力集中、表面质量和尺寸等，是一种精确 的方法。对于瞬时尖峰载荷，还要进行静强度安全系数校核 式中 S只考虑弯矩时的安全系数； S只考虑转矩时的安全系数； -1、-1 材料对称循环的弯曲疲劳极限和扭转疲劳极限； 表面质量
15、系数； K、K 弯曲和扭转时轴的有效应力集中系数； 、零件的绝对尺寸系数； 、 把弯曲和扭转时轴的平均应力折算为应力幅的等 效系数； a、m 弯曲应力的应力幅和平均应力； a、m 扭转切应力的应力幅和平均应力； S 许用疲劳强度安全系数。 弯曲应力的循环特性: 扭剪应力的循环特性: 2、静强度的安全系数校核计算 对于瞬时尖峰载荷，要进行静强度的安全系数校核计算 静强度安全系数条件: 经过上述校核后，如发现轴的强度不够，应采取措施，如减少 应力集中，增大尺寸，更换材料，改进工艺（降低表面粗糙度 、表面处理等）；若过分充裕，则说明用材过多，需减小相关 量，进行重新校核所有参数，全面分析后做出更改。 9.6 轴的刚度计算 轴的刚度条件为： 弯矩弯曲变形齿轮或轴承受载不均 9.6.1 弯曲变形计算 1、等直径轴的挠曲线近似微分方程 2、对于直径差较小的阶梯轴，其当量直径 对于阶梯轴，还可以采用有限差分法、有 限元方法、能量法等求挠度。 一次积分得到偏转角方程
