軸機(jī)械設(shè)計學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1第一頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)(xunzhun)的機(jī)械零件，如齒輪、的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型(l(liixxng)ng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩。傳遞扭矩又承受彎矩。按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩發(fā)動機(jī)發(fā)動機(jī)后橋后橋傳動軸傳動軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 第1頁/共50頁第二頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零

2、件，如齒輪功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪(chln)、帶輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型(l(liixxng)ng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩前輪輪轂前輪輪轂固定心軸固定心軸火車輪軸火車輪軸車廂重力車廂重力 前叉前叉自行車自行車前輪軸前輪軸支撐反力支撐反力轉(zhuǎn)動心軸轉(zhuǎn)動心軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 第2頁/共50頁第三頁，共50頁。青島科技大學(xué)(dxu)專用 潘存云教授研制 功用：

3、用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、帶輪、 鏈輪鏈輪(lin ln)、凸輪等。、凸輪等。類類型型(l(liixxng)ng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：一般情況下，直軸做成實(shí)心軸，需要減重時做成空心軸第3頁/共50頁第四頁，共50頁。青島科技大學(xué)(dxu)專用 潘存云教授研制 功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，

4、如齒輪功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪(chln)、帶輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型(l(liixxng)ng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸第4頁/共50頁第五頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用 潘存云教授(jioshu)研制 本章只研究直軸功用：用來功用：用來(yn li)支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件，如齒輪、支撐旋轉(zhuǎn)的機(jī)械零件

5、，如齒輪、帶輪、帶輪、 鏈輪、凸輪等。鏈輪、凸輪等。類類型型(l(liixxng)ng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸-傳遞扭矩又承受彎矩傳遞扭矩又承受彎矩 按承受載荷分有：按承受載荷分有： 分類：分類：按軸的形狀分有：按軸的形狀分有：傳動軸傳動軸-只傳遞扭矩只傳遞扭矩心軸心軸-只承受彎矩只承受彎矩直軸直軸一、軸的用途及分類一、軸的用途及分類15-1 概概 述述 光軸光軸 階梯軸階梯軸 曲軸曲軸撓性鋼絲軸撓性鋼絲軸第5頁/共50頁第六頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用 潘存云教授(jioshu)研制 設(shè)計設(shè)計(shj)(shj)任務(wù)：選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)：選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(shj)(shj)、工作能、工作能力計算。力計算。

6、二、軸設(shè)計的主要二、軸設(shè)計的主要(zhyo)內(nèi)容內(nèi)容軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計：軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。 工作能力計算：工作能力計算： 軸的承載能力驗(yàn)算指的軸的承載能力驗(yàn)算指的是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)是軸的強(qiáng)度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的驗(yàn)算。定性等方面的驗(yàn)算。 軸的設(shè)計過程：軸的設(shè)計過程：N 選擇材料選擇材料 結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計 軸的承載能力驗(yàn)算軸的承載能力驗(yàn)算驗(yàn)算合格驗(yàn)算合格?結(jié)結(jié) 束束Y第6頁/共50頁第七頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用(zhuny

7、ng) 潘存云教授研制 種種類類(z(zhhngnglli)i)碳素鋼：碳素鋼：3535、4545、5050、Q235Q235軸的毛坯軸的毛坯: :一般用圓鋼一般用圓鋼(yun n)(yun n)或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵?；蝈懠?，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。三、三、 軸的材料軸的材料 合金鋼合金鋼: 20Cr: 20Cr、20CrMnTi20CrMnTi、40CrNi40CrNi、38CrMoAlA38CrMoAlA等等用途：用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學(xué)性能，應(yīng)用較多，尤其是多，尤其是4545鋼應(yīng)用最廣鋼應(yīng)用最廣。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，但

8、價。合金鋼具有較高的力學(xué)性能，但價格較貴，多用于有格較貴，多用于有特殊要求的軸。特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應(yīng)力集中的敏感較低、強(qiáng)度較好等優(yōu)點(diǎn)。為了改善力學(xué)性能正火或調(diào)質(zhì)處理。正火或調(diào)質(zhì)處理。表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能軸的常用材料及其主要力學(xué)性能 材料及熱處理材料及熱處理毛坯直徑毛坯直徑mm硬度硬度HBSHBS強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限b b 屈服極限屈服極限s s MPaMPa彎曲疲勞極限彎曲疲勞極限-1-1應(yīng)用說明應(yīng)用說明Q235Q235440440240240200200用于不重要或載荷不大的軸35 35 正火正火5205202

9、70270250250有較好的塑性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，可用于一般曲軸、轉(zhuǎn)軸。100100149149187187 第7頁/共50頁第八頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用(zhunyng) 潘存云教授研制 表表15-1 15-1 軸的常用材料及其主要力學(xué)性能軸的常用材料及其主要力學(xué)性能第8頁/共50頁第九頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用 潘存云教授(jioshu)研制 設(shè)計任務(wù)：使軸的各部分具有合理的形狀設(shè)計任務(wù)：使軸的各部分具有合理的形狀(xngzhun)和尺寸。和尺寸。15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計設(shè)計(shj)要求：要求：1.軸應(yīng)便于制造，軸上零件要易于裝拆；軸應(yīng)便于制造，軸上零件要易于裝拆；

10、(制造安裝) 2.軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置；(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相對固定；各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定) 4.改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。軸端擋圈軸端擋圈 帶輪帶輪軸承蓋軸承蓋套筒套筒齒輪齒輪滾動軸承滾動軸承典型典型軸系軸系結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第9頁/共50頁第十頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 一、擬定一、擬定(ndng)(ndng)軸上零件的裝配方案軸上零件的裝配方案 裝配方案：確定裝配方案：確定(qudng)(qudng)軸上零件的裝配方向、順序、和相軸上零件的裝配方向、順序、和相互互 關(guān)系

11、。關(guān)系。第10頁/共50頁第十一頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。設(shè)計同。設(shè)計(shj)(shj)時可擬定幾種裝配方案，進(jìn)行分析與時可擬定幾種裝配方案，進(jìn)行分析與選擇。選擇。 圖示減速器輸出軸就有兩種裝配圖示減速器輸出軸就有兩種裝配(zhungpi)(zhungpi)方案。方案。saBcLa圓錐圓柱齒輪二圓錐圓柱齒輪二級減速器級減速器第11頁/共50頁第十二頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一方案二需要一個用于軸向

12、定位的長套筒，多了一個零件，加工工藝復(fù)雜個零件，加工工藝復(fù)雜(fz)(fz)，且質(zhì)量較大，故不如，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理方案一合理 。第12頁/共50頁第十三頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 二、軸上零件二、軸上零件(ln jin)的定位的定位 4、5間的軸肩使齒輪(chln)在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動軸承定位。軸肩軸肩-階梯軸上截面變化之處。階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。 軸肩套筒套筒定位方法：定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。第13頁/共50頁第十四頁，共50頁。青

13、島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 軸向固定軸向固定(gdng)由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實(shí)現(xiàn)由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實(shí)現(xiàn)。齒輪(chln)受軸向力時，向右是通過4、5間的軸肩，并由6、7間的軸肩頂在滾動軸承的內(nèi)圈上；向左則通過套筒頂在滾動軸承的內(nèi)圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當(dāng)圈。雙向固定雙向固定第14頁/共50頁第十五頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 無法無法(wf)采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母加以采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母加以固定。固定。軸肩的尺寸軸肩的尺寸(ch cun)要求要求:r C1 或或 r 200 mm

14、 mm。 第36頁/共50頁第三十七頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 4）按靜強(qiáng)度）按靜強(qiáng)度(qingd)條件進(jìn)行校核條件進(jìn)行校核 對于瞬時過載很大，或應(yīng)力循環(huán)對于瞬時過載很大，或應(yīng)力循環(huán)(xnhun)(xnhun)的不對稱性的不對稱性較為嚴(yán)重的軸，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行靜強(qiáng)度條件校核。軸的靜強(qiáng)度條較為嚴(yán)重的軸，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行靜強(qiáng)度條件校核。軸的靜強(qiáng)度條件為：件為： SSSSSScaSSSSSS22SS=1.21.4-高塑性材料的鋼軸高塑性材料的鋼軸(S /B 0.6)； SS=1.41.8-中等塑性材料的鋼軸中等塑性材料的鋼軸(S /B =0.60.8)； SS=1.82.0-低塑性

15、材料的鋼軸；低塑性材料的鋼軸； SS=2.02.3-鑄造軸鑄造軸; ; SS-按屈服強(qiáng)度設(shè)計的安全系數(shù)；按屈服強(qiáng)度設(shè)計的安全系數(shù)； SSca-危險截面靜強(qiáng)度設(shè)計的安全系數(shù)；危險截面靜強(qiáng)度設(shè)計的安全系數(shù)； 其中：其中： SS -同時考慮彎矩和軸向力時的安全系數(shù)；同時考慮彎矩和軸向力時的安全系數(shù)； 第37頁/共50頁第三十八頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用 潘存云教授(jioshu)研制 SS -只考慮只考慮(kol)扭矩時的安全系數(shù)：扭矩時的安全系數(shù)：WTSSS/maxMmax -軸的危險軸的危險(wixin)截面上所受的最大彎矩；截面上所受的最大彎矩； Tmax -軸的危險截面上所受的最大扭矩軸

16、的危險截面上所受的最大扭矩, N.mm, N.mm； Famx -軸的危險截面上所受的最大軸向力軸的危險截面上所受的最大軸向力, N, N； A -軸的危險截面的面積，軸的危險截面的面積， mmmm2 2； W -軸的危險截面的抗彎截面系數(shù)，軸的危險截面的抗彎截面系數(shù)， mmmm3 3； W-軸的危險截面的抗扭截面系數(shù)，軸的危險截面的抗扭截面系數(shù)， mmmm3 3。 s -材料材料的抗彎屈服極限；的抗彎屈服極限； s -材料材料的抗扭屈服極限；的抗扭屈服極限； AFaWMSSSmaxmax第38頁/共50頁第三十九頁，共50頁。青島科技大學(xué)(dxu)專用 潘存云教授研制 lFFF”12彎矩彎矩

17、 彎曲彎曲(wnq)變形變形扭矩扭矩 扭轉(zhuǎn)扭轉(zhuǎn)(nizhun)變形變形若剛度不夠?qū)е螺S的變形過大，就會影響其正常工作。變形量的描述：變形量的描述： 撓度撓度 y 、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角 、扭角、扭角 設(shè)計要求：設(shè)計要求： y y 1）彎曲變形計算）彎曲變形計算方法有：方法有：1.按微分方程求解按微分方程求解2.變形能法變形能法適用于等直徑軸。適用于等直徑軸。適用于階梯軸。適用于階梯軸。復(fù)習(xí)材料力學(xué)相關(guān)內(nèi)容。y三、三、 軸的剛度校核計算軸的剛度校核計算 TTl第39頁/共50頁第四十頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用 潘存云教授(jioshu)研制 表表15-4 軸的許用變形量軸的許用變形量變形種類變形種類許

18、用值許用值適用場合適用場合變形種類變形種類許用值許用值適用場合適用場合(0.00030.0005)l一般用途的軸一般用途的軸0.0002l剛度要求較高剛度要求較高感應(yīng)電機(jī)軸感應(yīng)電機(jī)軸( (0.010.05)mn安裝齒輪的軸安裝齒輪的軸0.01 ( (0.020.05) m安裝蝸輪的軸安裝蝸輪的軸滾動軸承滾動軸承0.05向心球軸承向心球軸承調(diào)心球軸承調(diào)心球軸承圓柱滾子軸承圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承圓錐滾子軸承0.0010.002齒輪處軸截面齒輪處軸截面0.51一般傳動一般傳動0.20.5較精密傳動較精密傳動重要傳動重要傳動撓度撓度mm轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角rad每米長每米長的扭角的扭角( )/ml 支支撐間的跨

19、矩?fù)伍g的跨矩 0.25 0.0016 電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子 間的間隙間的間隙 mn 齒輪的模數(shù)齒輪的模數(shù) m 蝸輪的模數(shù)蝸輪的模數(shù) 0.0010.050.0025第40頁/共50頁第四十一頁，共50頁。青島科技大學(xué)(dxu)專用 潘存云教授研制 2）扭轉(zhuǎn)變形）扭轉(zhuǎn)變形(bin xng)計算計算raddGTlGITlp432radIlTGnipiii11等直徑等直徑(zhjng)軸的扭轉(zhuǎn)角：軸的扭轉(zhuǎn)角：階梯軸的扭轉(zhuǎn)角：階梯軸的扭轉(zhuǎn)角：其中：其中：T-轉(zhuǎn)矩；轉(zhuǎn)矩； Ip-軸截面的極慣性矩軸截面的極慣性矩 l -軸受轉(zhuǎn)矩作用的長度；軸受轉(zhuǎn)矩作用的長度；d -軸徑；軸徑；G-材料的切變模量；材

20、料的切變模量；第41頁/共50頁第四十二頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 N212319321462860對2點(diǎn)取矩1932146286021936410舉例：計算某減速器輸出軸危舉例：計算某減速器輸出軸危險險(wixin)截面的直徑。已知截面的直徑。已知作用在齒輪上的圓周力作用在齒輪上的圓周力Ft=17400N, 徑向力，徑向力， Fr=6140N, 軸向力軸向力Fa=2860N,齒輪分度圓直徑齒輪分度圓直徑d2=146 mm,作用在軸右端帶輪上外力作用在軸右端帶輪上外力F=4500N（方向未定）（方向未定）, L=193 mm, K=206 mmL/2LKFtFrFa

21、FFAFaFrF1vF2v解：解：1) 求垂直面的支反力和軸向力求垂直面的支反力和軸向力LdFLFFarv2221NFv4287212364101vrvFFF12=FaaAFF d215-4 15-4 軸的設(shè)計軸的設(shè)計(shj)(shj)實(shí)例實(shí)例aad12第42頁/共50頁第四十三頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadN930348034500MavMavF1HF2HMaHF1FF2F2) 求水平面的支反力求水平面的支反力NLKFFF48031932064500187002/21tHHFFF3) 求求F力在支

22、點(diǎn)力在支點(diǎn)(zhdin)產(chǎn)生的反產(chǎn)生的反力力FFFFF124) 繪制繪制(huzh)垂直面的彎矩圖垂直面的彎矩圖2/193. 04287 aVM 2/2LFMVaVmN 4142/193. 02123aVM2/1LFMVaVmN 2055) 繪制水平面的彎矩圖繪制水平面的彎矩圖2/193. 08700 aVM 2/1LFMHaHmN 840FtF第43頁/共50頁第四十四頁，共50頁。青島科技(kj)大學(xué)專用 潘存云教授研制 MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F6) 求求F力產(chǎn)生力產(chǎn)生(chnshng)的彎的彎矩圖矩圖7) 繪制合成彎矩圖考慮繪制合成彎矩圖考慮(kol)F可可能

23、與能與H、V內(nèi)合力共面內(nèi)合力共面2284041446322aHaVaFaMMMMmN 1400206. 04500aVMKFMF2mN 927a-a 截面截面F力產(chǎn)生的彎矩為：力產(chǎn)生的彎矩為：2/193. 04803 aVM 2/1LFMFaFmN 463MaF2284020546322)(aHaVaFaMMMMmN 1328MaL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF第44頁/共50頁第四十五頁，共50頁。青島科技大學(xué)(dxu)專用 潘存云教授研制 MaMavMavF1HF2HMaHF1FF2FM2F8) 求軸傳遞求軸傳遞(chund)的轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)矩9)求危險

24、截面求危險截面(jimin)的當(dāng)量彎的當(dāng)量彎矩矩MaF22)( TMMaeM2Ma2/146. 0174002T2/2dFTtmN 1270T扭切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取扭切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)折合系數(shù): =0.6 22)12706.0(1400TMemN 1600mNMMF92722L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v12=Fad2aadFtF第45頁/共50頁第四十六頁，共50頁。青島(qn do)科技大學(xué)專用 潘存云教授研制 求考慮求考慮(kol)到鍵槽對軸的削弱，將到鍵槽對軸的削弱，將d值增大值增大4%，故得：，故得：mmd6710)計算危險計算危險(wixin

25、)截面處截面處軸的直徑軸的直徑 33601 .0101600311.0beMdmN 4.64選選45鋼，調(diào)質(zhì)，鋼，調(diào)質(zhì)，b =650 MPa, -1b =60 MPa 符合直徑系列。符合直徑系列。第46頁/共50頁第四十七頁，共50頁。青島科技大學(xué)專用(zhunyng) 潘存云教授研制 按彎扭合成強(qiáng)度按彎扭合成強(qiáng)度(qingd)計算軸徑的一般步驟：計算軸徑的一般步驟：1. 將外載荷將外載荷(zi h)分解到水平面和垂直面。求垂直分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力面支撐反力FV和水平面支撐反力和水平面支撐反力FH ;2. 作垂直彎矩作垂直彎矩MV圖和彎矩圖和彎矩MH圖圖 ;3. 作合成彎矩作合成彎矩M圖；圖；4. 作轉(zhuǎn)矩作轉(zhuǎn)矩T圖；圖；5. 彎扭合成，作當(dāng)量彎矩彎扭合成，作當(dāng)量彎矩Me圖；圖；6. 計算危險截面軸徑計算危險截面軸徑:22)( TMMe22VHMMMmmMdbe31 1 . 01. 若危險截面上有鍵槽，則應(yīng)加大若危險截面上有鍵槽，則應(yīng)加大4%2. 若計算結(jié)果大于結(jié)構(gòu)設(shè)計初步估計的