轴与减速器学习.pptx
轴与减速器轴与减速器第1页/共61页任务任务1 1：扭转与弯曲变形：扭转与弯曲变形 一、扭转变形 工程中承受切应力的构件第2页/共61页 1.扭转变形的特点 ABABg gMnMnj j圆截面杆受到一对大小相等、方向相反的力偶矩作用横截面仍为平面，形状不变，只是绕轴线发生相对转动第3页/共61页2.外力偶矩的计算转速：n(转/分)m转速：n(转/分)输入功率：N(kW)1分钟输入功：1分钟输入功：1分钟输入功：1分钟m 作功：单位第4页/共61页3.扭矩的计算、扭矩图（1）扭矩的概念扭转变形的杆往往称之为扭转轴扭转变形的杆往往称之为扭转轴扭转轴的内力称为扭矩扭转轴的内力称为扭矩（2）扭矩利用截面法、并建立平衡方程得到n第5页/共61页（3）扭矩正负号的规定确定扭矩方向的右手法则：确定扭矩方向的右手法则：4个手指沿扭矩转动的方向，大拇指即为扭矩的个手指沿扭矩转动的方向，大拇指即为扭矩的方向方向离开截面为正，指向截面为负 外力偶矩正负号的规定外力偶矩正负号的规定和所有外力的规定一样，与坐标轴同向为正，反向为负指向截面离开截面第6页/共61页（4）扭矩图将扭转轴的扭矩沿截面的分布用图形表示将扭转轴的扭矩沿截面的分布用图形表示477.5Nm955Nm计算外力偶矩计算外力偶矩作扭矩图作扭矩图Tnmax=955NmBCADMBMCMDMA637NmTn例3-2 已知A轮输入功率为65kW，B、C、D轮输出功率分别为15、30、20kW，轴的转速为300r/min，画出该轴扭矩图。第7页/共61页n剪应力的大小与其和圆心的距离成正比 横截面上某点的剪应力的方向与扭矩方向相同，并垂直于该点与圆心的连线注意：如果横截面是空心圆，剪应力分布规律一注意：如果横截面是空心圆，剪应力分布规律一注意：如果横截面是空心圆，剪应力分布规律一注意：如果横截面是空心圆，剪应力分布规律一样适用，但是，空心部分没有应力存在。样适用，但是，空心部分没有应力存在。样适用，但是，空心部分没有应力存在。样适用，但是，空心部分没有应力存在。4.扭转剪应力的计算、扭转强度条件（1）扭转剪应力在横截面上的分布规律第8页/共61页（2）扭转剪应力的计算圆截面上任意一点剪应力T圆截面上最大剪应力圆截面上最大剪应力剪应力具有最大值剪应力具有最大值定义：称之为抗扭截面模量是一个只决定于横截面的形状和大小的几何量是一个只决定于横截面的形状和大小的几何量极惯性矩极惯性矩极惯性矩极惯性矩第9页/共61页（3）抗扭截面模量实心圆截面（4）扭转轴内最大剪应力对于等截面轴，扭转轴内最大剪应力发生在扭矩最大的截面的圆周上（5）扭转强度条件空心圆截面第10页/共61页（6）强度条件的应用1）校核强度2）设计截面3）确定载荷第11页/共61页5.课堂练习例例3-43-4 某牌号汽车主传动轴，传递最大扭矩T=1930Nm,传动轴用外径D=89mm、壁=2.5mm的钢管做成。材料为20号钢，=70MPa.校核此轴的强度。（1 1 1 1）计算抗扭截面模量）计算抗扭截面模量）计算抗扭截面模量）计算抗扭截面模量cmcm3 3第12页/共61页（2 2）强度校核强度校核强度校核强度校核满足强度要求第13页/共61页二、弯曲变形工程中承受弯曲变形的构件第14页/共61页 1.纯弯曲变形的特点（1）纯弯曲实验某段梁的内力只有弯矩没有剪力时，该段梁的变形称为纯弯曲。横向线(a b、c d）变形后仍为直线，但有转动；纵向线变为曲线，且上缩下伸；横向线与纵向线变形后仍正交横截面高度不变。第15页/共61页（2）推论平面假设：横截面变形后仍为平面，只是绕中性轴发生转动，距中性轴等高处，变形相等。纵向纤维间无挤压、只受轴向拉伸和压缩。（横截面上只有正应力）（）纯弯曲梁的正应力纵向纤维互不挤压。于是，任意一点均处于单项应力状态。第16页/共61页s sxs sx（）最大正应力：(5)bh第17页/共61页dDdDd=a.横力弯曲变形的特点（）横力弯曲：横截面上既有Q又有M的情况dxxQ(x)M(x)dx第18页/共61页 （2）梁横截面上的切应力 切应力与剪力平行 矩中性轴等距离处，切应力 相等。zySz*为面积A*对横截面中性轴的静矩.式中:Q-所求切应力面上的剪力.IZ-整个截面对中性轴的惯性矩.Sz*-过所求应力点横线以外部分面积对中性轴的静矩.b-所求应力点处截面宽度.yA*yc*第19页/共61页（3）几种常见截面的最大弯曲切应力工字钢截面：腹板最大弯曲切应力:Af 腹板的面积。;maxA Qt tf圆截面：薄壁圆环：第20页/共61页3.梁的正应力和切应力强度条件危险面与危险点危险面与危险点一般截面，最大正应力发生在弯矩绝对值最大的截面的上下边缘上；最大切应力发生在剪力绝对值最大的截面的中性轴处s sMQt t带翼缘的薄壁截面，最大正应力与最大切应力的情况与上述相同；还有一个可能危险的点，在Q和M均很大的截面的腹、翼相交处s sMQt t第21页/共61页 4.强度条件应用：依此强度准则可进行三种强度计算依此强度准则可进行三种强度计算：校核强度设计截面尺寸设计载荷：5.剪力图和弯矩图以梁横截面沿梁轴线的位置为横坐标，以垂直梁轴线方向的剪力或弯矩为纵坐标，分别绘制表示FQ(x)和M(x)的图线。这种图线分别称为剪力图和弯矩图，简称FQ图和M图。第22页/共61页绘图时一般规定正号的剪绘图时一般规定正号的剪力画在力画在x轴的上侧，负号轴的上侧，负号的剪力画在的剪力画在x轴的下侧；轴的下侧；正弯矩画在正弯矩画在x轴下侧，负弯轴下侧，负弯矩画在矩画在x轴上侧，即把弯矩轴上侧，即把弯矩画在梁受拉的一侧。画在梁受拉的一侧。第23页/共61页6.课堂练习例题1 图所示，悬臂梁受集中力F作用，试作此梁的剪力图和弯矩图解：1.列剪力方程和弯矩方程(0 xl)(0 xl)2.作剪力图和弯矩图由剪力图和弯矩图可知：第24页/共61页例题2 简支梁受集中作用如图示，作此梁的剪力图和弯矩图。解：1.求约束反力2.列剪力方程和弯矩方程 （0 xa0 xa）(0 xa)(0 xa)AC段：CB段：(axl)(axl)(0 xl)(0 xl)3.作剪力图和弯矩图第25页/共61页任务任务2 2 轴的结构设计与强度计算轴的结构设计与强度计算 1轴的用途与分类按照承受载荷的不同，轴可分为：心轴只承受弯矩的轴，如火车车轮轴传动轴只承受扭矩的轴，如汽车的传动轴转轴同时承受弯矩和扭矩的轴，如减速器的轴。转轴心轴第26页/共61页按照轴线形状的不同，轴可分为：轴可分为曲轴和直轴两大类直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴。除了刚性轴外，还有空心轴和钢丝软轴第27页/共61页.轴设计的基本原则轴的结构和形状取决于下面几个因素：（1）轴的毛坯种类：（2）轴上作用力的大小及其分布情况；（3）轴上零件的位置配合性质及其联接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。第28页/共61页 可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面考虑 要求：轴和轴上零件要有准确的工作位置 轴上零件应有可靠的相对固定 轴应具有良好的制造工艺性和安装工艺性等 形状和尺寸应有利于避免应力集中第29页/共61页 3.轴设计的基本内容及步骤（1）拟定轴上零件装配方案）零件在轴上周向的固定为了传递运动和转矩，防止轴上零件与轴作相对转动。常用的周向固定方法有键、花键、销、过盈配合、弹性环联接、成形联接等第30页/共61页）零件在轴上轴向的固定零件在轴上能承受轴向力而不产生轴向位移，是利用轴肩、圆螺母（止动片）、套筒、弹性挡圈、紧定螺钉、轴端挡圈定位等第31页/共61页）轴上零件要便于装拆、调整为便于装拆一般做成阶梯轴非定位轴肩便于装配h=(0.51)mm定位轴肩零件定位h35mm设计轴肩时应注意:轴承定位轴肩(套筒)不能过高轴长应略短于轮毂宽度安装标准件轴段直径，(a)滚动轴承(b)联轴器(c)密封件轴肩圆角轮毂孔圆角(倒角)第32页/共61页4）轴的加工和装配工艺性a轴的形状要力求简单，阶梯轴的级数应尽可能少，轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸应尽可能统一，以利于加工和检验b轴上需磨削的轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽c轴上有多处键槽时，应使各键槽位于轴的同一母线上d为使轴便于装配，轴端应有倒角f轴的结构设计应使各零件在装配时尽量不接触其他零件的配合表面，轴肩高度不能妨碍零件的拆卸第33页/共61页讨论题：试指出图中结构不合理的地方，并予以改正。第34页/共61页（2）估算轴的最小直径min初步求出的直径作为承受扭矩的轴段的最小直径dmin，（3）确定各段直径及长度根据求出的最小直径按轴上零件的装配方案和定位要求，从dmin处起逐一确定各段轴的直径。1）轴上装配标准件（滚动轴承、联轴器、密封圈等)的轴段其直径必须符合标准件的直径系列值2）与一般零件（齿轮和带轮）相配合的轴段直径和零件毂孔直径相同，采用标准尺寸。不与零件配第35页/共61页合的轴段其值不用取标准值。3）轴肩高度应按原则确定4）轴段长度应能保证零件所需要的装配和调整空间5）各轴段长度主要由各零件和轴装配部分的轴向尺寸和各零件相对位置尺寸确定6）为保证各传动件轴向固定，轴与传动件轮毂相配部分的长度一般比轮毂长度短13mm。合第36页/共61页4.轴的强度计算（1）轴的扭转强度计算 用于：只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算 结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin 对于圆截面的实心轴，其抗扭强度条件为：强度条件设计公式第37页/共61页轴上有键槽时：放大轴径：一个键槽：35%二个键槽：710%取标准植（2）轴的弯扭合成强度计算转轴同时承受扭矩和弯矩，必须按二者组合强度进行计算。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，作用于轴上零件的力作为集中力，其作用点取为零件轮毂宽度的中点上。具体的计算步骤如下：1）画出轴的空间力系图；（分解为水平面分力和垂直面分力）2）计算水平面和垂直面上的弯矩并作出弯矩图；3）计算合成弯矩M并作出弯矩图；第38页/共61页4）计算转矩MT并作出转矩图；5）计算当量弯矩M，绘出当量弯矩图。6）根据当量弯矩图找出危险截面，进行轴的强度校核。第39页/共61页第40页/共61页 5、课堂练习 设计带式运输机减速器的主动轴.已知传递功率 P=10kW,转速 n=200 r/min,齿轮齿宽 B=100mm,齿数 z=40,模数 m=5mm,螺旋角 轴端装有联轴器。第41页/共61页解：（1）计算轴上转矩和齿轮作用力轴传递的转矩：N.mm N齿轮的圆周力：齿轮的径向力：齿轮的轴向力：N 第42页/共61页（2）选择轴的材料和热处理方式 选择轴的材料为45钢，经调质处理,其机械性能查表得（3）初算轴的最小轴径则轴的最小直径为：轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，需开键槽，故将最小轴径增加5%，变42.525mm。查机械设计手册，取标准直径45mm。第43页/共61页（4）选择联轴器取载荷系数KA=1.3，则联轴器的计算转矩为：根据计算转矩、最小轴径、轴的转速，查标准GB5014-85或手册，选用弹性柱销联轴器，其型号为：（5）初选轴承因轴承同时受有径向力和轴向力的作用。故选用角接触球轴承。根据工作要求及输入端的直径45mm)轴承产品目录中选取型号为7211C的滚动轴承，其尺寸（内径外径宽度）为dDb=5510021。第44页/共61页（6）轴的结构设计第45页/共61页（7）确定轴的各段直径和长度由于联轴器型号已定，左端用轴端挡圈定位,右端用轴肩定位。故轴段6的直径即为相配合的半联轴器的直径，取D6=45mm。轴段6的长度比半联轴器的毂孔长度要(为84mm)短23mm，这样可保证轴端挡圈只压在半联轴器上而不压在轴的端面上，故该段轴长取为L6=82mm。联轴器是靠轴段5的轴肩来进行轴向定位的，为了保证定位可靠，h（0.070.1）d63.154.5，轴段5要比轴段6的直径大69mm，取h3.5，轴段5的直径D5=52mm轴段1和轴段4均是放置滚动轴承的，所以直径与滚动轴承内圈直径一样，为D1=D4=55mm,轴段1的长度即为滚动轴承的宽度，查手册为L1=21mm第46页/共61页 考虑拆卸的方便，轴段3的直径只要比轴段4的直径稍大就行了，并取标准值（齿轮）这里取为D3=58mm。轴段3的长度要比齿轮的轮毂宽度(为100mm)短23mm，故该段轴长取为L3=98mm 轴段2是一轴环，右侧用来定位齿轮，左侧用来定位滚动轴承，查滚动轴承的手册，可得该型号的滚动轴承内圈安装尺寸最小为64mm，同时轴环的直径还要满足比轴段3的直径(为58mm)大510mm的要求，故这段直径最终取D2=66mm 轴环2宽度取为L2=18mm(b1.4h6.4）第47页/共61页 轴承端盖的总宽度为25mm（由减速器及轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=20mm，故取轴段5的长度为L5=45mm。取齿轮距箱体内壁之距离为10mm，考虑到箱体的铸造误差，在确定滚动轴承位置时，应距箱体内壁一段距离，取5mm。已知滚动轴承宽度为21mm，齿轮轮毂长为100mm,则轴段4的长度为：105(100-98)+21=38mm第48页/共61页（8）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联接。对于齿轮，由手册查得平键的截面尺寸宽高=1610(GB1095-79)键槽用键槽铣刀加工，长为80mm(标准键长见 GB1096-79),同时为了保证齿轮轮毂与轴的配合为H7/n6；同样，半联轴器与轴的联接，选用平键为14963，半联轴器与轴的配合为H7/k6。滚动轴承与轴的周向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为k6（9）确定轴上圆角和倒角尺寸。取轴端倒角为245第49页/共61页（10）按弯扭合成校核 1）画受力简图 画轴空间受力简图c，将轴上作用力分解为垂直面受力图d和水平受力图e。分别求出垂直面上的支反力和水平面上支反力。对于零件作用于轴上的分布载荷或转矩(因轴上零件如齿轮、联轴器等均有宽度)可当作集中力作用于轴上零件的宽度中点。对于支反力的位置，随轴承类型和布置方式不同而异，其中a值参见滚动轴承样本，跨距较大时可近似认为支反力位于轴承宽度的中点 2）计算作用于轴上的支反力水平面内支反力第50页/共61页垂直面内支反力3）计算轴的弯矩，并画弯、转矩分别作出垂直面和水平面上的弯矩图f、g并按公式计算合成弯矩 4）计算并画当量弯矩图 转矩按脉动循环变化计算,取5）校核轴的强度第51页/共61页 一般而言，轴的强度是否满足要求只需对危险截面进行校核即可，而轴的危险截面多发生在当量弯矩最大或当量弯矩较大且轴的直径较小处。a-a 截面处当量弯矩为：故安全第52页/共61页6）受力图和弯矩图第53页/共61页任务任务3 3：减速器拆装实训：减速器拆装实训 1.实训目的实训目的熟悉一般减速器的结构及轴系部件；了解减速器中各零件的结构和作用；加深对轴系部件结构的理解，掌握轴系部件的安装、固定及调整方法；了解减速器装配的基本要求。训练机构分析、识别和设计专项能力 第54页/共61页2.设备和工具设备和工具 设备：一级圆柱齿轮减速器；二级圆柱齿轮减速器；蜗轮蜗杆减速器；每个小组可选一种减速器拆装。工具：游标卡尺、内卡钳、外卡钳、活扳手、百分表钢尺、铅丝、涂料等。第55页/共61页 3.实训内容实训内容（1）按顺序拆装一种减速器，分析减速器结构和各种零件的功用。（2）测量和计算所拆减速器的主要参数，并绘制其传动示意图。（3）测量减速器传动副的接触精度和齿隙间隙；测量并调整轴承轴向间隙。（4）分析轴系部件的结构、固定（周向和轴向）及调整方法，徒手绘制其装配草图以及正式装配图第56页/共61页（5）选择2个关键零件，绘制其结构草图以及零件工作图，并通过实测，标注全部尺寸，推测配合处的配合制、名义尺寸和配合精度等级与公差，从功能要求考虑，选择合理的形位公差和表面粗糙度 4.实训步骤实训步骤（1）观察减速器外部形状，判断其传动方式、级数、输入、输出轴等。（2）拧开上盖与机座联接螺栓及轴承盖螺钉，拔出定位销，借助起盖螺钉打开减速器上盖。第57页/共61页（3）边拆卸边观察，并就箱体形状，轴向定位固定，润滑密封方式，箱体附件（如通气器、油标、油塞、起盖螺钉、定位销等）的结构特点和作用、位置要求、加工方法和零件材料等进行详细的分析和比较。（4）所拆减速器的种类，画出传动示意图，测定减速器的主要参数（如、m、z1、z2等），并记录下来。（5）所拆减速器的每个零件进行必要的清洗，将装好的轴系部件装到机座原位置上，进行齿侧间隙和轴承轴向间隙的测量。第58页/共61页 （6）齿侧间隙的测量 将直径稍大于齿侧间隙的铅丝（或铅片），插入相互啮合的轮齿之间，转动齿轮，辗压轮齿间的铅丝，齿侧间隙等于铅丝变形部分最薄的厚度。用千分尺或游标卡尺测出其厚度，并与国标要求进行比较，检验齿侧间隙是否符合国标规定。（7）轴承轴向间隙的测量 固定好百分表，用手推动轴至另一端，百分表所指示的量即为轴承轴向间隙的大小。检查所得轴承间隙是否符合规范要求，若不符合，则应进行调整。分析有关减速器轴承间隙调整的结构形式并进行合理操作，以便得到所要求的轴向间隙。第59页/共61页5.思考题（针对所拆装减速器）思考题（针对所拆装减速器）（1）减速器由哪几部分组成？（2）齿轮传动方式和蜗杆减速器传动方式的确定与什么因素有关？各有何优点？（3）轴系各零件如何定位和固定、轴系本身在箱体中如何定位和固定？试分析减速器轴系属何种支点固定形式？（4）轴承轴向间隙的调整方法有几种？如何保证轴系的热伸长及轴承的游动间隙？（5）齿轮或蜗杆、蜗轮是如何润滑的？而轴承又是如何润滑的？润滑方式有何特点？（6）机械结构设计时应注意和考虑哪些问题？第60页/共61页感谢您的观看！第61页/共61页
