机械设计第十五章

1、会计学1机械设计第十五章机械设计第十五章第1页/共73页发动机发动机后桥后桥 传动轴只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴。 心轴只承受弯矩的轴车厢重力车厢重力 转动心轴转动心轴视频十字轴式万向联轴器第2页/共73页按照轴线形状的不同，轴可分为直轴和曲轴两大类。直轴曲轴视频第3页/共73页 钢丝软轴可以把回转运动灵活地传到不敞开地位置。 轴一般是实心轴，有特殊要求时也可制成空心轴，如航空发动机的主轴。第4页/共73页(二)轴设计的主要内容 轴设计=结构设计+工作能力验算 (1)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。 (2)工作能力验算是指轴的强度、刚度和振

2、动稳定性等方面的验算。 根据总体结构的要求进行轴的结构设计轴的承载能力验算验算合格?结 束yesno第5页/共73页(二)轴的材料轴的材料：碳钢、合金钢 碳钢特点：价廉、对应力集中的敏感性较低 碳钢轴用途：一般条件下用 合金钢特点：更高的力学性能和更好的淬火性能 合金钢轴用途：传递大动力、减小尺寸与质量、耐磨 性要求高、高温或低温下工作 选择依据：强度与耐磨性，不是轴的弯曲或扭转刚度 外形复杂的轴高强度铸铁和球墨铸铁价廉、良好的吸振性和耐磨性、应力集中的敏感性较低 第6页/共73页球墨铸铁曲轴球墨铸铁凸轮轴球墨铸铁曲轴第7页/共73页15-2轴的结构设计轴的结构设计一、拟定轴上零件的装配方案

3、第二种方案需要一个长套筒，不如第一种方案好。第8页/共73页阶梯轴的直径必须先单调增再单调减不合理的阶梯轴第9页/共73页(二)轴上零件的定位分类：定位轴肩、和非定位轴肩、两类优点：最方便可靠、承载轴向力较大缺点：轴的直径加大、应力集中、不利于加工轴肩第10页/共73页 轴肩处的过渡圆角半径r必须小于与之相配的零件毂孔端部的圆角半径R或倒角尺寸C。r Rr 1时，取e=0.5d，但不小于(0.250.35)B；对于调心轴承，e=0.5B。第29页/共73页(2)做出弯矩图(3)做出扭矩图第30页/共73页(4)校核轴的强度 按第三强度理论，计算应力224ca 弯曲应力对称循环变应力 扭转切应力

4、常常不是对称循环变应力 引入折合系数 224()ca扭转切应力静应力脉动循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对称循环变应力 0.3 0. =1第31页/共73页对于直径为d的圆轴 弯曲应力为 扭转切应力 轴的弯扭合成强度条件为MW2TTTWW221()caMTW 心轴只承受弯矩，应取T=0 固定心轴许用应力取01.7-1第32页/共73页3.按疲劳强度条件进行精确校核 在已知轴的外形、尺寸及载荷的情况下，可对轴的疲劳强度进行校核，轴的疲劳强度条件为 22caSSSSSS 仅有扭转切应 力时，应满足 仅有弯曲应力时，应满足1amSSK 1amSSK S=1.31.5材料均匀，载荷与应力计算精确时。

5、S=1.51.8材料不够均匀，计算精确度较低时。S=1.82.5材料均匀性及计算精确度很低，或d 200 mm第33页/共73页例题 某一化工设备中的输送装置运转平稳，工作转矩变化很小，以圆锥-圆柱齿轮减速器作为减速装置，试设计该减速器的输出轴。减速器的装置简图参看图15 -21。输入轴与电动机相连，输出轴通过弹性柱销联轴器与工作机相连，输出轴为单向旋转(从装有半联轴器的一端看为顺时针方向)。已知电动机功率P=10kW，转速n1=1450r/min，齿轮机构的参数列于下表:输入端输出端20752395第34页/共73页1.求输出轴上的功率P3、转速n3和转矩T3 取每级齿轮传动的效率(包括轴承

6、效率在内)=0. 97，则第35页/共73页2.求作用在齿轮上的力 因已知低速级轮的分度圆直径为切向力径向力轴向力第36页/共73页3.初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调质处理，取A0=1121.3AK 连轴器的选择第37页/共73页 查标准GB/T 5014-2003或手册，选用LX4型弹性柱销联轴器，其公称转矩为2500 000Nmm，半联轴器的孔径d1=55mm，故取dI-II=55mm，半联轴器长度L=112mm最小轴径52第38页/共73页4.轴的结构设计 (1)拟定轴上零件的装配方案 本题的装配方案已在前面分析比较，现选用图15-22a所示的装配方案。5562658265

7、77第39页/共73页 初步选取0基本游隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313，其尺寸为dDT=6514036与相邻轴肩高度为77第40页/共73页取齿轮内径处的轴的直径为70已知齿轮轮毂的宽度为80，取相应轴段长度为76轴肩高度取二至三倍的圆角半径，h=3R=6，轴肩直径为82轴环宽度b1.4h，取12第41页/共73页30轴承端盖的总宽度为20，距联轴器的距离为30 20=16，c=20，s=8轴承安装宽度T=36L=50第42页/共73页(3)轴上零件的周向定位 齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。 齿轮平键bhL = 201263 半联轴器平键bhL =161070第43

8、页/共73页齿轮所在轴直径70，长度76 bhL = 201263半联轴器所在轴直径55，长度82 bhL =161070第44页/共73页(4)确定轴上圆角和倒角尺寸 参考表15-2，取轴端倒角为C2，各轴肩处的圆角半径如图15-26所示。第45页/共73页5.求轴上的载荷 确定轴承的支点位置时，应从手册中查取值。对于30313型圆锥滚子轴承，由手册中查得=29 mm。因此，作为简支梁的轴的支承跨距L2 + L3 =71 mm + 141 mm=212 mm。第46页/共73页水平面上受力分析：FNH1=3327N FNH2=1675NFNH1+FNH2=FtFNH1L2=FNH2L3力平衡

9、力矩平衡(以C为支点)NV12236203N mmHMFL第47页/共73页垂直面上受力分析：FNV1+FNV2=FrFNV1L2=FNV2L3+Fad2/2力平衡力矩平衡FNV1=1869NFNV2=-30N（表示方向向下）MV1=FNV1L2=132669NMV2=MV1-Fad2/2=-4170N第48页/共73页221V1222V2270911N mm236240N mmHHMMMMMM22223()270911(0.6 960000)18.6MPa0.1 70caMTW3960000N mmT 扭转切应力静应力脉动循环变应力对称循环变应力弯曲应力为对称循环变应力 0.3 0. =1轴

10、单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取0.6第49页/共73页-118.6MPaca轴安全第50页/共73页7.精确校核轴的疲劳强度 截面A、II、III、B只受扭矩作用，虽然键槽、轴肩及过渡配合所引起的应力集中均将削弱轴的疲劳强度，但由于轴的最小直径是按扭转强度较为宽裕确定的，所以截面A、1I、III、B均无需校核。只受扭矩第51页/共73页 截面V的应力集中的影响和截面IV的相近，但截面V不受扭矩作用，同时轴径也较大，故不必做强度校核。 截面C上虽然应力最大，但应力集中不大(过盈配合及键槽引起的应力集中均在两端)，而且这里轴的直径最大，故截面C也不必校核。 截面VI和VII显然更不必校核

11、。 只需校核截面IV左右两侧即可。只受弯矩第52页/共73页截面IV左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面IV左侧的弯矩第53页/共73页截面IV上的扭矩截面上的弯曲应力截面上的扭转切应力截面IV上的扭矩第54页/共73页 轴的材料为45钢，调质处理。由表15-1查得第55页/共73页 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数a及a按附表3-2查取2.00 1.881.88(1.08 1.05)1.9521.10 1.051.59 1.531.53(1.08 1.05)1.5661.10 1.051.566 1.9521.952(0.031 0.04)2.00990.1 0.041.9521.5

12、662.011.080.031第56页/共73页 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数a及a按附表3-2查取1.66 1.321.32(1.08 1.09)1.291.20 1.091.080.0311.33 1.171.17(1.08 1.09)1.161.20 1.091.291.161.16 1.291.29(0.031 0.04)1.310.1 0.041.31第57页/共73页倒角R2第58页/共73页倒角R2第59页/共73页故有效应力集中系数按式(附3-4)为第60页/共73页轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为第61页/共73页碳钢的材料常数为:第62页/共73页计算安

13、全系数Sca值 故可知轴安全对称循环脉动循环第63页/共73页(3)截面IV右侧 抗弯截面系数W按表15-4中的公式计算 抗扭截面系数 弯矩M及弯曲应力为: 扭矩T3及扭转切应力为第64页/共73页6403.482.623.053.742.803.273.273.053.05(7050)3.1410050书上查的第65页/共73页轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为:故得综合系数为:所以轴在截面IV右侧的安全系数为:第66页/共73页 滚动轴承的定位轴肩(如)高度必须低于轴承内圈端面的高度，以便拆卸轴承。 非定位轴肩(如、)是为了加工和装配方便而设置的，其高度没有严格的规定，一般取为12

14、 mm。第67页/共73页 为了保证轴向定位可靠，与齿轮和联轴器等零件相配合部分的轴段长度一般应比轮毂长度短23 mm。轴系改错1轴系改错2轴系安装第68页/共73页实心轴： 3333033 2 . 0109550 2 . 0109550nPAnPnPdTT空心轴：043(1)PdAn1,0.50.6dd通常取d1d第69页/共73页对于直径为d的圆轴 弯曲应力为 扭转切应力 轴的弯扭合成强度条件为MW2TTTWW221()caMTW 心轴只承受弯矩，应取T=0 固定心轴许用应力取01.7-1第70页/共73页2.求作用在齿轮上的力 因已知低速级轮的分度圆直径为切向力径向力轴向力第71页/共73页5.求轴上的载荷 确定轴承的支点位置时，应从手册中查取值。对于30313型圆锥滚子轴承，由