汽车机械基础电子教案-单元五课题一-课件.ppt

1、授课人：梅彦利授课人：梅彦利5.15.1 轴的类型及其材料轴的类型及其材料5.25.2 动载荷与交变应力动载荷与交变应力5.35.3 轴的结构设计轴的结构设计5.45.4 轴的强度设计轴的强度设计5.55.5 轴毂连接轴毂连接一、轴的功用及其类型一、轴的功用及其类型1.1.功用功用1 1）支承回转运动零件；）支承回转运动零件；2 2）传递运动和动力）传递运动和动力2.2.类型类型按其结构形状分为按其结构形状分为光轴光轴和和阶梯轴阶梯轴。阶梯轴阶梯轴光轴光轴按轴的轴线形状按轴的轴线形状可分为可分为:直轴、曲轴、挠性轴直轴、曲轴、挠性轴曲曲 轴轴挠性钢丝轴挠性钢丝轴直直轴轴按轴按轴功用和承载情况功

2、用和承载情况，可分为三种类型：，可分为三种类型：转轴转轴既传递扭矩又承受弯矩既传递扭矩又承受弯矩 心轴心轴只承受弯矩只承受弯矩 传动轴传动轴只传递扭矩只传递扭矩自行车前轴自行车前轴-心轴心轴汽车的传动轴汽车的传动轴 减速器轴减速器轴转轴转轴此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。此外，轴还可以分为实心轴和空心轴。二、轴的材料二、轴的材料1.1.选择轴的材料时应主要考虑的因素：选择轴的材料时应主要考虑的因素：（1 1）轴的强度、刚度及耐磨性要求；）轴的强度、刚度及耐磨性要求；（2 2）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；）轴的热处理方法及机加工工艺性的要求；（3 3）轴的材料来源和经济性等。轴的材料来

3、源和经济性等。2.2.轴的常用材料轴的常用材料（2 2）3535、4040等等优质碳素钢，其中价廉物美的优质碳素钢，其中价廉物美的45 45 应用最普遍。应用最普遍。（1 1）碳素结构钢，如）碳素结构钢，如Q235Q235、Q275Q275等。等。附：轴常用材料及机械性能表附：轴常用材料及机械性能表 （4 4）球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂球墨铸铁，代替合金结构钢做形状复杂 的轴，吸振性好，对应力敏感性低。的轴，吸振性好，对应力敏感性低。3.3.轴的毛坯形式轴的毛坯形式一般采用轧制的圆钢或锻件。一般采用轧制的圆钢或锻件。（3 3）合金钢，如）合金钢，如35CrMo35CrMo、40Cr40

4、Cr等，比碳钢更好等，比碳钢更好 的机械性能和淬透性，价格更高。的机械性能和淬透性，价格更高。轴的常用材料及其机械性能表轴的常用材料及其机械性能表一、动载荷与交变应力一、动载荷与交变应力 1.1.动载荷动载荷静载荷：静载荷：大小和方向不随时间而变化的载荷。大小和方向不随时间而变化的载荷。动载荷（或变载荷）：动载荷（或变载荷）：载荷明显要随时间变化，或载荷明显要随时间变化，或者是短时间内有突变的载荷。者是短时间内有突变的载荷。2.2.交变应力交变应力 （1 1）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。）定义：动载荷作用下产生的随时间变化的应力。工程实际中，大多数零件工作时所受到的载荷都工程实际

5、中，大多数零件工作时所受到的载荷都 是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。是动载荷，如内燃机、颚式破碎机中的构件。圆轴表面上任意一点圆轴表面上任意一点A在任一瞬时的弯曲正应力为：在任一瞬时的弯曲正应力为：tIMyIMzAzA Rsin应力循环（或周期）：应力循环（或周期）：交变应力从最大变到最小、交变应力从最大变到最小、再从最小变到最大的变化过程。再从最小变到最大的变化过程。（2 2）实例：实例：(3)(3)交变应力的参数交变应力的参数最大应力最大应力max最小应力最小应力minmaxminr循环特征系数循环特征系数2minmaxm 平均应力平均应力2minmaxa 应力幅应力幅脉动循环应力

6、脉动循环应力r=r=0 0O(4)(4)交变应力的类型交变应力的类型对称循环应力对称循环应力r=-r=-1 1非对称循环应力非对称循环应力-1-1 r r 1 1且且r r 0 0 静应力静应力r=r=1 1一、概述一、概述1.1.典型转轴结构实例典型转轴结构实例3.3.一般轴结构设计的基本要求一般轴结构设计的基本要求(4)(4)形状、尺寸要求形状、尺寸要求 有利于减少应力集中。有利于减少应力集中。2.2.轴的结构设计的概念轴的结构设计的概念确定轴的外形及全部结构尺寸。确定轴的外形及全部结构尺寸。(1)(1)定位要求定位要求 要求轴和轴上零件要有准确要求轴和轴上零件要有准确 的工作位置。的工作

7、位置。(2)(2)固定要求固定要求 要求轴上各零件的位置要可要求轴上各零件的位置要可 靠地固定。靠地固定。(3 3)工艺要求工艺要求 轴的结构应便于轴的加工和轴的结构应便于轴的加工和 轴上零件装拆。轴上零件装拆。二、二、轴上轴上零件的定位和固定零件的定位和固定 （1 1）轴肩和轴环）轴肩和轴环 1.1.轴上轴上零件的轴向定位和固定零件的轴向定位和固定 轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，轴肩和轴环是轴段因直径变化而形成的结构，都对轴上零件起单向定位和固定作用。都对轴上零件起单向定位和固定作用。注意：注意：参数参数R、R1、C1、h和和b要查阅设计手册确定要查阅设计手册确定。正确结构错误结构

8、（2 2）套筒和圆螺母）套筒和圆螺母 注意：注意：轴上两零件相距较近时，一轴上两零件相距较近时，一 般采用套筒；当两零件相距般采用套筒；当两零件相距 较远时较远时 ，可采用圆螺母。，可采用圆螺母。应力集中，削弱强度（3 3）轴端挡圈和圆锥面）轴端挡圈和圆锥面 轴端挡圈和圆锥面 两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。两者常结合起来使用，轴上零件装拆方便。轴端挡圈和圆柱面注意：注意：主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高主要用于轴上零件与轴的同心度要求较高 或轴受振动的场合，且多用于轴端。或轴受振动的场合，且多用于轴端。（4 4）弹性挡圈和紧定螺钉）弹性挡圈和紧定螺钉 结构简单，但只能承受较小的轴向

9、力。结构简单，但只能承受较小的轴向力。2.2.轴上轴上零件的周向定位和固定零件的周向定位和固定 平键连接花键连接过盈配合销连接成形连接三、三、轴轴的结构工艺性的结构工艺性 1.1.轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定轴的结构应便于轴上零件的装拆和固定通常做成阶梯轴。通常做成阶梯轴。2.2.轴的结构应便于加工制造轴的结构应便于加工制造（1 1）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；）轴上需切制螺纹时应留出退刀槽；（2 2）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；）轴段需磨削时应留有砂轮越程槽；（3 3）轴端和各轴段端部应有）轴端和各轴段端部应有4545倒角，倒角，轴上的倒角轴上的倒角和圆角半径尽量一致；和圆角半径尽

10、量一致；（4 4）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。）不同轴段有几个键槽时应位于同一母线上。3.3.轴的结构应便于减少应力集中轴的结构应便于减少应力集中（1 1）尽量减少阶梯数；）尽量减少阶梯数；（2 2）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；）相邻轴段尺寸变化尽量小，且要有过渡圆角；（4 4）提高轴的表面质量，降低表面粗糙度。提高轴的表面质量，降低表面粗糙度。（3 3）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；）尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；凹切圆角凹切圆角过渡肩环过渡肩环卸荷槽卸荷槽 （4 4）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规定）与零件相配合的轴头直径，应采用国家标准规定

11、 的标准尺寸。的标准尺寸。四、轴的尺寸四、轴的尺寸 确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，确定轴的直径除应考虑满足强度与刚度要求外，还要考虑下面因素的影响：还要考虑下面因素的影响：（1 1）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴）与滚动轴承配合的轴颈直径，必须符合滚动轴 承内径的标准；承内径的标准；（2 2）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；）轴上车制螺纹部分的直径，必须符合螺纹标准；（3 3）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围）安装联轴器的轴头直径应与联轴器的孔径范围 相适应；相适应；一、按扭转强度估算轴的最小直径一、按扭转强度估算轴的最小直径其中：功率其中：功率PKW；

12、转速转速 nr/min；直径直径d mm；C 由轴的材料和受载情况决定的常数由轴的材料和受载情况决定的常数3362010559nPCnP.d 常用材料的常用材料的值和值和C C值值注意：注意：轴上有键槽时，应将上式轴径轴上有键槽时，应将上式轴径d的计算结的计算结果提高果提高，一个键槽，一个键槽提高提高35%，二个键槽，二个键槽提高提高710%d.)T(MWMrr132210 二、按弯扭合成强度条件校核二、按弯扭合成强度条件校核其中：其中：r r-当量应力当量应力；Mr-当量弯矩当量弯矩；M-合成弯矩合成弯矩；d-轴的直径轴的直径；W-横截面的弯曲截面系数横截面的弯曲截面系数；-折算系数折算系数

13、 轴轴的的结构设计后，用根据第三强度理论推结构设计后，用根据第三强度理论推得的公式校核，即：得的公式校核，即：其中：其中：101对称循环状态下的许用弯曲应力对称循环状态下的许用弯曲应力脉动循环状态下的许用弯曲应力脉动循环状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力静应力状态下的许用弯曲应力111 6.001 3.011 对称循环扭转剪应力时对称循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时脉动循环扭转剪应力时不变的扭转剪应力时不变的扭转剪应力时常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。常用材料各种许用弯曲应力值可查手册。折算系数折算系数其中其中：y 轴的许用挠度轴的许用挠度 轴的许用偏转角轴的许用偏转角 轴

14、的许用扭转角轴的许用扭转角三、三、轴的刚度校核轴的刚度校核 y y 1.1.选择轴的材料选择轴的材料 2.2.初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径3.3.轴的结构设计轴的结构设计4.4.轴的强度校核和刚度校核轴的强度校核和刚度校核四、四、轴的设计步骤轴的设计步骤五、轴的设计实例五、轴的设计实例轴毂连接轴毂连接：实现轴和轴上零件周向固定的：实现轴和轴上零件周向固定的连接连接。一、键连接、花键和销连接一、键连接、花键和销连接 1.1.键连接的类型，构造及工作原理键连接的类型，构造及工作原理 松键连接松键连接紧键连接紧键连接键连接键连接轴毂连接的主要形式轴毂连接的主要形式：键连接和花键：键连接和

15、花键连接连接。普通平键普通平键连接连接导向平键导向平键连接连接半圆键半圆键连接连接滑键连接滑键连接松键松键连接连接 松键连接依靠两侧面相互挤压传递转矩。键的松键连接依靠两侧面相互挤压传递转矩。键的上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。上表面与轮毂键槽底面间有间隙，便于装拆。(1)(1)松键连接松键连接普通平键连接普通平键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离不大的场合。动距离不大的场合。导向平键连接滑键连接 通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移通常用于轴上传动零件相对轴作轴向移动且移动距离较大的场合。动距离较大的场合。多用于多用于锥形

16、轴端的锥形轴端的轴毂轴毂连接连接。半圆键可在轴的键半圆键可在轴的键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽内摆动，来适应轮毂键槽底面的斜度。由于轴上键槽过深，对轴的强度削弱较大，槽过深，对轴的强度削弱较大，适用于轻载连接。适用于轻载连接。半圆键连接(2)(2)紧紧键联接键联接紧紧键联接键联接楔键联接楔键联接切向键联接切向键联接普通楔键普通楔键钩头楔键钩头楔键楔键联接普通锲键钩头锲键 工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传递转矩，工作时，靠键上下面楔紧的摩擦力传递转矩，楔紧力会使轴毂产生偏心，故楔紧力会使轴毂产生偏心，故多用于对中要求不高多用于对中要求不高和转速较低的场合。和转速较低的场合。由

17、一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单由一对普通楔键组成。一对切向键只能传递单向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成向转矩。要传递双向转矩，需要两对键，并分布成1201200 01351350 0。切向键对中性差，对轴的削弱大，切向键对中性差，对轴的削弱大，故多故多用于重型及矿山机械。用于重型及矿山机械。切向键花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递花键连接比平键连接定心性好、导向性好、传递载荷能力强，对轴的削弱小载荷能力强，对轴的削弱小(齿浅、应力集中小齿浅、应力集中小)，制制造要用专门的设备和工具。造要用专门的设备和工具。故故花键连接适用于载荷较花键连接适用于载荷较大，定心精度要求

18、较高的连接中。大，定心精度要求较高的连接中。2.2.花键连接的类型，特点和选用花键连接的类型，特点和选用矩形齿花键渐开线花键渐开线花键花键连接花键连接矩形齿花键矩形齿花键(常用常用)3 3、销联接、销联接二、平键联接的选择与强度校核二、平键联接的选择与强度校核1.1.键联接的失效分析键联接的失效分析普通平键普通平键为较弱零件的为较弱零件的工作面压溃工作面压溃，故一般只，故一般只需校核挤压强度。需校核挤压强度。键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上键与轴的键槽或与轮毂的键槽在相互接触面上产生挤压，因挤压力过大而造成的局部塑性变形产生挤压，因挤压力过大而造成的局部塑性变形挤压变形挤压变形。（）键

19、连接可能产生两种变形（）键连接可能产生两种变形键沿轴与轮毂的交界面发生相对错动键沿轴与轮毂的交界面发生相对错动剪切变形剪切变形动连接的动连接的导向平键和滑键连接为磨损导向平键和滑键连接为磨损，故进行耐，故进行耐磨性计算，限制压强。磨性计算，限制压强。（）键连接的主要失效形式（）键连接的主要失效形式2.2.剪切和挤压强度实用计算剪切和挤压强度实用计算（1 1）剪切实用计算）剪切实用计算剪切实用强度条件为：剪切实用强度条件为：jjQjAF （2 2）挤压实用计算）挤压实用计算挤压实用计算的强度条件公式：挤压实用计算的强度条件公式：PPPAF 关于挤压面积关于挤压面积Ap：当接触面是平面时，其接当接

20、触面是平面时，其接触面积就是挤压面面积；触面积就是挤压面面积；当接触面是圆柱面的一部当接触面是圆柱面的一部分时，则用接触面在挤压力分时，则用接触面在挤压力垂直方向上的投影面积作为垂直方向上的投影面积作为挤压面积。挤压面积。v作业：作业：习题习题10-1；习题习题10-3；r rC Ca a要求：要求：b=1.4ab=1.4aa=(0.07a=(0.070.1)d0.1)d二、轴上零件的定位二、轴上零件的定位1 1、零件的轴向定位、零件的轴向定位 轴肩和轴环轴肩和轴环 r rR Ra a套筒套筒 a aa aa aa aL=B-(1L=B-(13 3）mm轴套轴套L LB不宜用于高转速轴不宜用于

21、高转速轴正确正确轴端挡圈轴端挡圈错误错误1 1可承受较大轴向力可承受较大轴向力轴用圆螺母轴用圆螺母 L=B-(1L=B-(13 3）mm错误错误2 2弹性挡圈弹性挡圈对中性好，只用于轴端对中性好，只用于轴端轴向力小轴向力小常用于轴承的固定常用于轴承的固定7 7）锁紧挡圈、紧定螺钉或销）锁紧挡圈、紧定螺钉或销 圆锥面（圆锥面（+挡圈、螺母）挡圈、螺母）2 2、零件的周向定位、零件的周向定位 键键花键花键紧定螺钉、销紧定螺钉、销 (4)(4)过盈配合过盈配合指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘出改进后指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘出改进后的结构图的结构图2.2.齿轮右侧未作轴向固定齿轮右

22、侧未作轴向固定1.1.轴两端均未倒角轴两端均未倒角7.7.轴端挡圈未直接压在轴轴端挡圈未直接压在轴端轮毂上端轮毂上6.6.齿轮与右轴承装卸不便齿轮与右轴承装卸不便3.3.齿轮处键槽太短齿轮处键槽太短4.4.键槽应开在同一条直线上键槽应开在同一条直线上5.5.左轴承无法拆卸左轴承无法拆卸轴系结构改错轴系结构改错四处错误四处错误正确答案正确答案三处错误三处错误两处错误两处错误1.1.左侧键太长，套筒无法装入左侧键太长，套筒无法装入2.2.多个键应位于同一母线上多个键应位于同一母线上第七节第七节 键联接和花键联接键联接和花键联接2 2d dF FT T=p pp pdkLdkLT TkLkLF F 2 2=