材料力學CHPPT課件

1、 心軸轉(zhuǎn)動心軸固定心軸第1頁/共50頁轉(zhuǎn)動心軸第2頁/共50頁固定心軸第3頁/共50頁 傳動軸第4頁/共50頁 轉(zhuǎn)軸第5頁/共50頁其他分類： 按照軸線形狀的不同，軸可分為曲軸、直軸和撓性軸三類。 曲軸 直軸階梯軸光軸撓性軸第6頁/共50頁軸一般是實心軸，有特殊要求時也可制成空心軸，如航空發(fā)動機的主軸?？招妮S第7頁/共50頁二、軸設(shè)計的主要內(nèi)容 軸的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力驗算兩方面的內(nèi)容。 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。 驗算軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面是否滿足要求。 根據(jù)總體結(jié)構(gòu)的要求進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計軸的精確校核驗算合格?結(jié) 束y

2、esnono 軸的設(shè)計過程是：按扭轉(zhuǎn)強度初步估算軸徑按彎扭合成驗算結(jié)構(gòu)設(shè)計:工作能力驗算：第8頁/共50頁軸的材料種類很多，選擇時應主要考慮如下因素： 軸的強度、剛度及耐磨性要求； 軸的熱處理方法及機加工工藝性的要求； 軸的材料來源和經(jīng)濟性等。三、軸的材料1、軸材料選擇時應考慮的因素：第9頁/共50頁 碳素鋼：常用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼有30、40、45、和50鋼，其中45鋼應用最多。優(yōu)質(zhì)碳素鋼具有較高的綜合機械性能，常用于比較重要或承載較大的軸。 合金鋼：常用的合金鋼有20Cr、40Cr、35SiMn和35CrMo等。合金鋼具有較高的綜合力學性能和較好的熱處理性能，常用于重要、承載大而尺寸受限或有較高

3、耐磨性、防腐性要求的軸。 球墨鑄鐵：適于制造成形軸，它價廉、強度較高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及對應力集中敏感性較低。 2、軸的常用材料第10頁/共50頁軸的常用材料及其性能第11頁/共50頁由于常溫下合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，因此當其他條件相同時，如想通過選用合金鋼來提高軸的剛度是難以實現(xiàn)的。球墨鑄鐵和高強度鑄鐵因其具有良好的工藝性，不需要鍛壓設(shè)備，吸振性好，對應力集中的敏感性低，近年來被廣泛應用于制造結(jié)構(gòu)形狀復雜的曲軸等。只是鑄件質(zhì)量難于控制。軸的毛坯多用軋制的圓鋼或鍛鋼。鍛鋼內(nèi)部組織均勻，強度較好，因此，重要的大尺寸的軸，常用鍛造毛坯。3、需注意幾點：第12頁/共50頁軸

4、的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 1 1軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應該確定：軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應該保證： 軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置； 軸上的零件應便于裝拆和調(diào)整； 軸應具有良好的制造工藝性等。 15-2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理的軸系結(jié)構(gòu)示例第13頁/共50頁一、擬定軸上零件的裝配方案 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應著重解決好的幾個問題：二、軸上零件的定位 三、各軸段直徑和長度的確定四、從結(jié)構(gòu)設(shè)計上提高軸的強度，有哪些措施，五、保證軸的結(jié)構(gòu)工藝性 第14頁/共50頁一、擬定軸上零件的裝配方案 軸上零件的裝配方案對軸的結(jié)構(gòu)形式影響很大 以下的減速器輸出軸的兩種裝配方案。 第一種方案齒輪從左端

5、裝入，右端軸環(huán)定位，左端一個短軸套定位，安裝方便，軸的強度和剛度都比較好。 第二種方案齒輪從右端裝入，左端軸環(huán)定位，左端一個長軸套定位，長套筒加工不便，軸的強度和剛度也不如第一種好。第15頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向固定。軸肩、軸環(huán)定位：結(jié)構(gòu)簡單，定位可靠，能承受較大的軸向力，應用廣泛。1、 零件的軸向定位第16頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向固定。1、 零件的軸向定位套筒定位：一般在軸上零件間軸向距離不大時使用，由于定位套筒大多是間隙配合，不宜用于高速軸。第17頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向

6、固定。1、 零件的軸向定位圓螺母定位：定位可靠、能承受較大的軸向力。多用于軸端。第18頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向固定。1、 零件的軸向定位彈性擋圈定位：結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，只能承受很小的軸向力，常用于軸承定位。第19頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向固定。1、 零件的軸向定位錐面定位：能承受沖擊載荷，用于同心度要求較高的軸端零件。第20頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向和周向固定。1、 零件的軸向定位軸端擋圈定位：定位可靠、裝拆方便，用于固定軸端零件。第21頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可

7、靠的軸向和周向固定。1、 零件的軸向定位鎖緊擋圈定位：結(jié)構(gòu)簡單，不能承受大的軸向力，常用于光軸上的零件固定。第22頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向定位和周向定位。1、 零件的軸向定位緊定螺釘定位：結(jié)構(gòu)簡單，軸上零件定位可調(diào)，軸向承載能力小。第23頁/共50頁教材和一些資料上講，軸應短一教材和一些資料上講，軸應短一些，以保證定位可靠。在實際設(shè)計些，以保證定位可靠。在實際設(shè)計時，要根據(jù)情況確定，不一定都要時，要根據(jù)情況確定，不一定都要短短2-3mm，為充分利用軸的長度，為充分利用軸的長度，也可用公差控制，能保證定位即可。也可用公差控制，能保證定位即可。 注意畫法注意畫法為

8、保證軸上零件有可靠的軸向固定，應注意以下幾個問題。第24頁/共50頁二、軸上零件的定位 應保證軸上零件有可靠的軸向定位和周向定位。2、 零件的周向定位 周向定位的目的是保證軸上零件與軸一起轉(zhuǎn)動，以傳遞運動和動力。 常用的定位方法有：鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接、型面聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接等。 這些內(nèi)容在聯(lián)接部分已經(jīng)講過，不再重復。第25頁/共50頁三、各軸段直徑和長度的確定 （參考例題中P378） 首先按軸所受的扭矩估算軸徑，作為軸的最小軸徑dmin。（見強度計算） 有配合要求的軸段，應盡量采用標準直徑。 安裝標準件的軸徑，應滿足裝配尺寸要求，與標準件的軸徑協(xié)調(diào)一致。 有配合要求的零件要便于裝拆，如倒角、圓角，

9、拆卸受力臺階等。 確定各軸段長度和位置時，主要是根據(jù)零件與軸配合部分的長度和相鄰零件間必要的空間來確定。 例題中講的詳細，在課程設(shè)計中再進行練習。第26頁/共50頁四、提高軸的強度的常用措施 合理布置軸上零件以減小軸的載荷 改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷 改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應力集中的影響 改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度 第27頁/共50頁采用那種方案，要看軸承的定位結(jié)構(gòu) 采用那種方案，要看機器的具體結(jié)構(gòu)，輸入軸位置是否可以改變。切不可照搬書本。合理布置軸上零件以減小軸的載荷第28頁/共50頁改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷第29頁/共50頁改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應力集中的影響改進軸的結(jié)構(gòu)以減

10、小應力集中的影響第30頁/共50頁改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應力集中的影響改進軸的結(jié)構(gòu)以減小應力集中的影響第31頁/共50頁改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度改進軸的表面質(zhì)量以提高軸的疲勞強度 第32頁/共50頁軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計軸 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 3 3五、軸的結(jié)構(gòu)工藝性 在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。 軸上應有滿足加工和裝配所要求的倒角、圓角、螺紋退刀槽和砂輪越程槽等。 第33頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 1 115-3 軸的強度計算一、軸的強度校核計算 1、按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 2、按彎扭合成進行強度條件驗算3、按疲勞強度條件進行精確校核 4、按靜強度條件

11、進行校核 二、軸的剛度校核計算 三、軸的振動及振動穩(wěn)定性計算 軸的強度計算包括以下內(nèi)容 第34頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 1 115-3 軸的強度計算一、軸的強度校核計算 1按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 對于只受扭矩或主要受扭矩的不太重要的軸，在作軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計時，通常按扭轉(zhuǎn)強度條件初步估算軸徑（即最小軸徑），然后再作結(jié)構(gòu)設(shè)計。實心軸的直徑為： 3333033 2 . 0109550 2 . 0109550nPAnPnPdT2 . 010955033ndPWTT軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為為了計及鍵槽對軸的削弱，可按以下方式修正軸徑有一個鍵槽有一個鍵槽有兩個鍵槽有兩個鍵槽軸徑軸徑d d100mm100

12、mm軸徑增大軸徑增大3%3%軸徑增大軸徑增大7%7%軸徑軸徑dd100mm100mm軸徑增大軸徑增大5%5%7%7%軸徑增大軸徑增大10%10%15%15%A A0 0值和值和第35頁/共50頁第36頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 2 22 按彎扭合成進行強度條件驗算一般的轉(zhuǎn)軸強度用這種方法驗算。計算步驟如下： 軸的彎矩與扭矩分析，確定危險截面及載荷。 15-3 軸的強度計算 校核軸的強度按彎扭合成校核軸的強度。以二級圓柱斜齒輪減速器輸出軸為例，進行軸的強度計算分析。輸出軸受力圖。軸受空間力系作用。 為便于分析計算，將其分別向鉛垂面和水平面投影，分別求出彎矩，畫出彎矩圖，然后合成。第

13、37頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 2 2 15-3 軸的強度計算水平面受力與彎矩) 1 (0)3(321LFLLFtNH 根據(jù)力的平衡原理，列出平衡方程，求出支反力，再求彎矩。)2(021tNHNHFFF) 3(21LFMNHH水平面最大彎矩： 對于向心軸承，軸承支反力簡化到軸承寬度中心；對于向心推力軸承，簡化到軸承的壓力中心，其a值可從手冊中查得。但對于接觸角不大或支承跨度比較大的向心推力軸承，也可簡化到寬度中心，不會引起多大誤差。第38頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 2 2 15-3 軸的強度計算鉛垂面受力與彎矩)4(02)3(321dFLFLLFarNV 根據(jù)力的平

14、衡原理，列出平衡方程，求出支反力，再求彎矩。)5(021rNVNVFFF)6(211LFMNHV鉛垂面彎矩：)7(2212dFLFMaNHV第39頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 2 2 15-3 軸的強度計算合成彎矩圖 根據(jù)彎矩合成原理，將水平面彎矩與鉛垂面彎矩進行合成。)8(2121VHMMM)9(2222VHMMM 扭矩圖扭矩的作用點一般簡化到輪轂的中心。 通過受力分析繪制的彎矩圖和扭矩圖，分析找出危險截面，進行強度校核。第40頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 3 3221()caMTW 彎曲應力是對稱循環(huán)變應力，而扭轉(zhuǎn)剪切應力循環(huán)特性通常不是對稱循環(huán)。引入折合系數(shù)。 校

15、核軸的強度按彎扭合成校核軸的強度：式中-1為對稱循環(huán)變應力時軸的許用彎曲應力MPa（可查表選?。?扭轉(zhuǎn)切應力扭轉(zhuǎn)切應力靜應力靜應力脈動循環(huán)變應力脈動循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力對稱循環(huán)變應力彎曲應力為對彎曲應力為對稱循環(huán)變應力稱循環(huán)變應力 0.30.3 0.0. =1=1當扭轉(zhuǎn)切應力循環(huán)特性不能確定時，可按脈動循環(huán)變應力計算。T危險截面上的所受的扭矩，N.mmM危險截面上的所受的彎矩，N.mmW危險截面的抗彎截面模量，mm315-3 軸的強度計算第41頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 4 43、按疲勞強度條件進行精確校核 對于一般要求的軸，只進行彎扭合成校核即可。對于要求較高的軸，要進行

16、精確校核。SSSSSSca22 （P32式3-35） 精確校核的計算方法和步驟，按第三章中講的內(nèi)容和課后練習中的例題做，課程設(shè)計中要求進行精確校核。 15-3 軸的強度計算已知軸的外形、尺寸及載荷的情況下，可對軸的疲勞強度進行精確校核，軸的疲勞強度精確校核條件式為: 第42頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 4 44、按靜強度條件進行校核 對于瞬時過載很大，或應力循環(huán)的不對稱性較為嚴重的軸，應當進行靜強度條件校核。軸的靜強度條件為： SSSSSScaSSSSSS22 15-3 軸的強度計算。下的安全系數(shù)是最大正應力單獨作用SaS。下的安全系數(shù)是最大切應力單獨作用SSSSa、SS按以下式子

17、計算 第43頁/共50頁最大正應力最大正應力最大切應力最大切應力15-3 軸的強度計算第44頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 5 51. 軸的彎曲剛度校核計算 當量光軸的概念軸的彎曲剛度以撓度y和偏轉(zhuǎn)角來度量。對于光軸，可直接用材料力學中的公式計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角。對于階梯軸，可將其轉(zhuǎn)化為當量直徑的光軸后計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角。 二、軸的剛度校核計算 15-3 軸的強度計算第45頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算 5 51. 軸的彎曲剛度校核計算 軸的彎曲剛度條件為 撓度 yy 偏轉(zhuǎn)角 2軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算 軸的扭轉(zhuǎn)剛度以扭轉(zhuǎn)角來度量。軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件為 y和分別為軸的許用撓度及許用

18、偏轉(zhuǎn)角。 軸的彎曲剛度以撓度y和偏轉(zhuǎn)角來度量。對于光軸，可直接用材料力學中的公式計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角。對于階梯軸，可將其轉(zhuǎn)化為當量直徑的光軸后計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角。 二、軸的剛度校核計算 15-3 軸的強度計算第46頁/共50頁軸 的 計 算軸 的 計 算6 6 軸是一彈性體，旋轉(zhuǎn)時，會產(chǎn)生彎曲振動、扭轉(zhuǎn)振動及縱向振動。 當軸的振動頻率與軸的自振頻率相同時，就會產(chǎn)生共振。 共振時軸的轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。 臨界轉(zhuǎn)速可以有很多個，其中一階臨界轉(zhuǎn)速下振動最為激烈，最為危險，一般通用機械中的軸很少發(fā)生共振。若發(fā)生共振，多為彎曲共振。一階臨界轉(zhuǎn)速 013030260ygmkncc 剛性軸：工作轉(zhuǎn)速低于一階臨界轉(zhuǎn)速的軸； 撓性軸：工作轉(zhuǎn)速超過一階臨界轉(zhuǎn)速的軸；一般情況下，應使軸的工作轉(zhuǎn)速n0.85nc1，或1.5 nc1n0.85 nc2。滿足上述條件的軸就是具有了彎曲振動的穩(wěn)定性。 三、軸的振動穩(wěn)定性校核計算 15-3 軸的強度計算第47頁/共50頁軸的設(shè)計軸的