第十七章动应力和轴的设计.ppt

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1、第十七章 动应力和轴的设计,教学要求 教学重点与难点 教学内容,教学要求,了解动应力、交变应力与疲劳破坏等概念； 掌握轴的结构设计与强度校核。,重点：轴的结构设计与强度校核 难点：轴的结构设计,教学重点与难点,17-1 构件作匀变速运动时的动应力 17-2 构件在冲击载荷作用下的动应力 17-3 交变应力与疲劳破坏 17-4 材料的持久极限 17-5 材料的持久极限及疲劳强度安全系数校核计算 17-6 轴的设计,构件作匀变速运动时的动应力,静载荷：是指构件上的载荷从零开始平稳地增加到最终值。 动载荷：是指随时间作明显变化的载荷，即具有较大加载速率的载荷。 动应力：动载荷作用下构件的内的动应力。

2、 动变形：动应力下构件相应的变形。 一、构件作匀变速直线运动时的动应力,如图（a）所示，一钢索起吊重物以等加速度a提升。重物的重力为W ，钢索的横截面积为A ，钢索的重量与W 相比甚小而可略去不计。试求钢索横截面上的动应力d。,二、构件作等速转动时的动应力,一平均直径为D，壁厚为t的薄壁圆环，绕通过其圆心且垂直于环平面的轴作匀速转动。已知环的角速度，环的横截面积A和材料的容重，求此环横截面上的正应力。,上述分布惯性力构成全环上的平衡力系。用截面平衡法可求得圆环横截面上的内力Nd。 Nd的计算，可利用积分的方法求得y方向惯性力的合力。,亦可等价地将qd视为“内压”得： ，因而,于是横截面上的正应

3、力 为,故要保证圆环的强度，只能限制圆环的转速，增大横截面积A并不能提高圆环的强度。,其中： ，v 是圆环轴线上点的线速度。,轮缘的强度条件为,由此得到圆环轮缘的最大工作线速度为,构件在冲击载荷作用下的动应力,锻锤打击工件，工件受到了锻锤的冲击，工件受到的载荷称为冲击载荷，并将锻锤称为冲击物，工件称为被冲击物。当冲击物落到被冲击物上时，冲击物的运动受到被冲击物的阻碍，在短暂的时间内，冲击物的速度急剧下降，得到了很大的负加速度，这就给被冲击物施加了很大的惯性力。 通常作如下简化假设：冲击物为刚体，被冲击物的质量不计，忽略冲击过程中的能量损失，冲击过程中被冲击物材料服从虎克定律，且冲击后两物不再分

4、开。,设重量为w的重物从A点自高度h处自由落下冲击梁上的B点。当重物到达B点时，便附着在梁上并与梁一起向下运动到B点。此时重物速度为零，而梁上的B点所受的力从零增加到Fd（ Fd称为冲击载荷），梁的弯曲变形达到了最大。B点之挠度就是梁上被冲击点的动变形d。,kd称为冲击动荷系数，其值为,解之并舍去负根得,将式(a)、(b)、(d)代入式(c)，得,一、交变应力的概念 交变载荷：随时间作周期性变化的载荷。 交变应力：随时间作周期性变化的应力。 二、交变应力的循环特征,R=1对称循环 R=1静载荷,R=0脉动循环,二、疲劳破坏的概念,构件在交变应力下产生裂纹或断裂叫疲劳破坏。,疲劳破坏特点：,原因

5、：如图所示晶界滑移微裂纹裂纹缓慢扩展（光滑区）快速扩展（脆断）。,材料的持久极限(疲劳极限)：材料在交变应力作用下的极限应力。 以疲劳寿命N刚好增加到循环基数No时的最大应力值为材料的持久极限。 一般钢材的循环基数No取为1107次。,在各种不同循环特征的交变应力中，对称循环交变应力是最危险的交变应力。(或)是材料疲劳性能的基本指标。,材料的持久极限及疲劳强度安全系数校核计算,一、影响构件持久极限的主要因素,构件在单一对称循环交变应力下的持久极限为,二、构件的疲劳强度安全系数校核计算,1、对称循环交变正应力下构件的疲劳强度安全系数校核计算,2、一般交变应力作用下的疲劳强度安全系数校核计算,三、

6、提高构件疲劳强度的措施,1、设计方面 尽量使结构避免出现尖角、缺口和截面突变，以避免应力集中及其引起的疲劳裂纹。 2、材料方面 通常应使晶粒细化，减少材料内部存在的夹杂物和热加工不当引起的缺陷，如疏松、气孔和表面氧化等。晶粒细化使晶界增多，从而对疲劳裂纹的扩展起更大的阻 碍作用。材料内部缺陷，有的本身就是裂纹。缺陷越少，裂纹就越少，裂纹也越难形成。 3、机械加工方面 要减小构件表面的粗糙度。表面刀痕、碰伤和划痕都是疲劳裂纹的策源地。 4、零件表面强化方面 可采用化学热处理、表面淬火、喷丸处理和表面涂层等，使构件表面形成压应力，以降低构件工作时其表面拉应力引起疲劳裂纹的可能性。,轴的设计,一、轴

7、的用途及分类,轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。 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。 按照轴线形状的不同，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。 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。除了刚性轴外，还有钢丝软轴，可以把回转运动灵活地传到不开敞地空间位置。,单击查看图形,二、轴设计的主要内容,轴的设计包括结构设计和工作能力验算两方面的内容。 （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

8、的结构形式和尺寸。 （2）轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。 轴的设计过程是：,三、轴的材料及其选择,碳素钢价廉、应力集中不敏感常用45#，可通过热处理改善机械性能，一般为正火、调质。 合金钢机械性能（热处理性）更好，适合于大功率，结构要求紧凑的传动中，或有耐磨、高温（低温）等特殊工作条件，但合金钢对应力集中较敏感。,注意： 由于碳素钢与合金钢的弹性模量基本相同，所以采用合金钢并不能提高轴的刚度。 轴的各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压）对提高轴的疲劳强度有显著效果。 轴的常用材料及其主要机械性能见表17-1 轴设计的主要内容：

9、 结构设计按轴上零件安装定位要求定轴的形状和尺寸 工作能力计算强度、刚度、振动稳定性计算,四、轴的结构设计,轴的结构设计要求： 轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置； 轴上零件装拆、调整方便； 轴应具有良好的制造工艺性等。 尽量避免应力集中,（一）、拟定轴上零件的装配方案,根据轴上零件的结构特点，首先要预定出主要零件的装配方向、顺序和相互关系，它是轴进行结构设计的基础，拟定装配方案，应先考虑几个方案，进行分析比较后再选优。 原则： 1）轴的结构越简单越合理； 2）装配越简单、方便越合理。,单击查看图形,（二）、轴上零件的定位,1、零件的轴向定位 1）轴肩和轴环 2）套筒 3）轴用圆螺母 4）轴

10、端档圈 5）轴承端盖 6）弹性档圈 7）锁紧档圈、紧定螺钉或销 8）圆锥面（+档圈、螺母）,2、零件的周向定位 1）键 2）花键 3）紧定螺钉、销 4）过盈配合,（三）、各轴段的直径和长度的确定,1、各轴段直径确定 1)按扭矩估算所需的轴段直径d min； 2)按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。 注意：与标准零件相配合轴径应取标准植；同一轴径轴段上不能安装三个以上零件。,2、各轴段长度 与各轴段上相配合零件宽度相对应；考虑零件间的适当间距，（特别）是转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙。,（四）、轴的结构工艺性,1、轴肩圈角r 2、轴端倒角C45 3、砂轮越程槽 4、螺纹退刀槽 5、圆角

11、半径r也尽量一致 6、同一轴上的键槽应位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸（均有标准）。 7、轴端中心孔。,（五）提高轴疲劳强度的措施,1、降低应力集中 1）在圆孔、槽的边缘作倒角，在轴径突变处设置并加大过渡圆角。若加大过渡圆角影响到轴上零件的轴向定位，可采用凹切圆角、加轴环或开减载槽等结构。 2)合理选择键联接。花键联接的应力集中低于平键，普通平键中B型健的应力集中低于A型键。 3)减小轴与零件过盈联接的应力集中。可采用增大配合处的轴径和车制减载槽等措施。 2、提高轴的表面质量 1)适当降低轴表面粗糙度值； 2)强化轴的表面，如采用辗压、喷丸、渗碳淬火、渗氮、高频淬火等。,轴结构合理设计应考虑的

12、问题,1、改进轴的结构，减少应力集中措施： 1）轴径变化平缓；2）增大轴的过渡圆角r；3）凹切圆角；4）过渡肩环；5）开卸载槽使过盈配合处减少应力集中；6）加大配合部轴径；7）选择合理的配合；8）盘铣刀铣键槽比用指铣刀铣应力集中小；9）渐开线花键比矩形花键应力集中小,2、合理布置轴上零件以减少轴的载荷 1）轴上传动件尽量靠近支承，并避免使用悬臂支承形式，以减少轴所受的弯矩。 2）扭矩由一个传动件输入，几个传动件输出时，应将输入件放在中间。,4、改进表面质量提高轴的疲劳强度 1)改进轴的表面粗糙度 2)表面强化处理（高频淬火、表面渗碳、氰化、氮化、喷丸、碾压）,3、选择受力方式，以减小轴的载荷，

13、改善轴的强度和刚度 采用力平衡或局部相互抵消的办法来减小轴的载荷 1）行星轮均匀布置，使太阳轮只受转矩而不受弯矩 2）一根轴上有两个斜齿轮只受转矩，而不受弯矩 3）小锥齿轮轴改悬臂支承为简支安装，可提高轴的强度和刚度，改善锥齿轮的啮合。,（一）按弯扭合成强度条件计算（一般转轴强度验算方法）,五、轴的强度计算,（二）轴的安全系数校核计算,五、轴的刚度计算,2、静强度校核校核轴对塑性变形的抵抗能力（略）,六、轴的振动,提高轴的刚度可提高轴的一阶临界转速，设计中常用此法使刚性轴的工作转速尽量远离其一阶临界转速，以减少共振的危险性。,（一）轴的振动稳定性 随着轴的旋转，离心力（方向）会产生周期性变化周期性的干扰力弯曲振动（横向）当振动频率与轴本身的弯曲自振频率一致时产生弯曲共振现象。较常见 另外，当轴传递的功率有周期性变化时扭转振动扭转共振。,（二）临界转速轴引起共振时的转速称为临界转速。 当轴的工作转速接近各临界转速时，轴将产生显著振动。轴有多个临界转速，其中最低的叫一阶临界转速nc1，其余的叫二、三阶临界转速nc2、nc3。 一般：刚性轴： ； 挠性轴：,