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机械设计
轴
一、典型例题
例15-1图1为轴上零件的两种布置方案,功率由齿轮A输入,齿轮1输出扭矩T1,齿轮2输出扭矩T2,且T1>T2。
试比较两种布置方案各段轴所受的扭矩是否相同?
ab
例15-1图1
答:
各轴段所受转矩不同,如例15-1图2所示。
方案a:
Tmax=T1,方案b:
Tmax=T1+T2。
ab
例15-1图2
例15-2图3分析图a)所示传动装置中各轴所受的载荷(轴的自重不计),并说明各轴的类型。
若将卷筒结构改为图b)、c)所示,分析其卷筒轴的类型。
题15-2图3
答:
Ⅰ轴:
只受转矩,为传动轴;
Ⅱ轴:
除受转矩外,因齿轮上有径向力、圆周力等,还受弯矩,是转轴;
Ⅲ轴:
不受转矩,只受弯矩,是转动心轴;
Ⅳ轴:
转矩由卷筒承受,轴不受转矩,只受弯矩,是转动心轴;
卷筒结构改为图b,Ⅴ轴仍不受转矩,只受弯矩,轴不转动,是固定心轴;
卷筒结构改为图c,Ⅵ轴除了受弯矩外,在齿轮和卷筒之间轴受转矩,是转轴;
例15-3图4为轴系零件的结构装配图,请指出结构设计中的错误。
先在错误之处用一根直线引出,并编上序号,然后在图的下方用文字说明该序号所指的错误错在何处?
例15-3图4
例15-3图5
结构分析如下:
如图例15-3图5所标注
第1:
无调整垫片
第2:
轴的左端伸出太长
第3:
轴承与轴之间不能用键,是靠两者的紧配合来传递扭矩
第4:
轴肩太高,轴承不能拆卸
第5:
齿轮与轴之间无键联接
第6:
轴段长度应该小于零件宽度,使齿轮的轴向定位可靠
第7:
轴承长距离打入、压出不合理,应使轴承外一段轴径减小
第8:
轴承端盖与轴之间无密封装置
第9:
带轮左侧无轴肩作轴向固定
第10:
带安装在带轮上的位置不对,使带的两侧没有全部与轮槽侧面接触
例15-4试分析例15-4图6所示轴系结构中的错误,并加以改进。
图中齿轮用油润滑,轴承用脂润滑。
例15-4图6
存在问题分析:
1.轴承的轴向固定、调整,轴向力传递方面错误
1)轴系采用全固式结构,两轴承反装不能将轴向力传到机架,应该为正装。
2)全固式结构中,轴左端的弹性挡圈多余,应去掉。
3)端盖处没有调整垫片,不能调整轴承游隙。
2.转动零件与固定零件接触,不能正常工作方面错误
1)轴右端的联轴器不能接触端盖,用端盖轴向定位更不行。
2)轴与右端盖之间不能接触,应有间隙。
3)定位齿轮的套筒径向尺寸过大,与轴承外圈接触。
4)轴的左端端面不能与轴承端盖接触。
3.轴上零件装配、拆卸工艺性方面错误
1)右轴承的右侧轴上应有工艺轴肩,轴承装拆路线长(精加工面长),装拆困难。
2)套筒径向尺寸过大,右轴承拆卸困难。
3)因轴肩过高,右轴承拆卸困难
4)齿轮与轴联接的键过长,套筒和轴承不能安装到位。
4.轴上零件定位可靠方面错误
1)轴右端的联轴器没有轴向定位,位置不确定。
2)齿轮轴向定位不可靠,应使轴头长度短于轮毂长度。
3)齿轮与轴联接键的长度过大,套筒顶不住齿轮。
5.加工工艺性方面错误
1)两侧轴承端盖处箱体上没有凸台,加工面与非加工面没有分开。
2)轴上有两个键,两个键槽不在同一母线上。
3)联轴器轮毂上的键槽没开通,且深度不够,联轴器无法安装。
6.润滑、密封方面错误
1)右轴承端盖与轴间没有密封措施。
2)轴承用脂润滑,轴承处没有挡油环,润滑脂容易流失。
改进后如图例15-4图7所示。
例15-4图7
二、自测题
(一)、选择题
1.下列各轴中,属于转轴的是________。
A.减速器中的齿轮轴B.自行车的前、后轴
C.铁路机车的轮轴D.滑轮轴
2.只承受弯矩而不承受扭矩的轴为;即承受弯矩又承受扭矩的轴为;主要承受扭矩的轴为。
A.曲轴B.传动轴C.心轴D.转轴
3.自行车前车轮的轴属于
A.转轴B.转动心轴C.固定心轴
4.按照轴的分类方法,自行车的中轴属于__________。
A.传动轴B.固定心轴
C.转动心轴D.转轴
5.一般二级齿轮减速器的中间轴是________。
A.传动轴B.固定心轴
C.转动心轴D.转轴
6.减速器中,齿轮轴的承载能力主要受到________的限制。
A.短期过载下的静强度B.疲劳强度
C.脆性破坏D.刚度
7.在下述材料中,不宜用于制造轴的是________。
A.45钢B.40Cr
C.QT500D.ZcuSn10-1
8.轴的设计计算准则为:
轴在满足强度要求的情况下,要有足够的
A.强度和振动稳定性B.刚度和强度C.强度和挠度D.刚度和振动稳定性
9.当采用轴肩定位轴上零件时,零件轴孔的倒角应________轴肩的过渡圆角半径。
A.大于B.小于
C.大于或等于D.小于或等于
10.定位滚动轴承的轴肩高度应________滚动轴承内圈厚度,以便于拆卸轴承。
A.大于B.小于
C.大于或等于D.等于
11.为了保证轴上零件的定位可靠,应使其轮毂长度________安装轮毂的轴头长度。
A.大于B.小于
C.等于D.大于或等于
12.轴所受的载荷类型与载荷所产生的应力类型________。
A.一定相同B.一定不相同
C.可能相同也可能不同
13.按弯曲扭转合成计算轴的应力时,要引入系数a,这是考虑。
A.轴上键槽削弱轴的强度B.合成正应力与切应力时的折算系数
C.正应力与切应力的循环特性不同的系数 D.正应力与切应力方向不同
14.在进行轴的强度计算时,对单向转动的转轴,一般将弯曲应力考虑为对称循环变应力,将扭剪应力考虑为________。
A.静应力B.对称循环变应力
C.脉动循环变应力D.非对称循环变应力
15.对于受对称循环的转矩的转轴,计算当量弯矩
,应取__。
A.0.3 B.0.6 C.1 D.1.3
16.用安全系数法精确校核轴的疲劳强度时,其危险剖面的位置取决于________。
A.轴的弯矩图和扭矩图B.轴的弯矩图和轴的结构
C.轴的扭矩图和轴的结构D.轴的弯矩图、扭矩图和轴的结构
17.为了提高轴的刚度,一般采用的措施是。
A.用合金钢代替碳钢B.增大轴的直径
C.表面强化处理D.采用降低应力集中的结构措施
18.为提高轴的疲劳强度,应优先采用的方法。
A.选择好的材料B.提高表面质量
C.减小应力集中D.增大轴的直径
19.材料为45钢调质处理的轴刚度不足,应采取的措施是________。
A.采用合金钢B.减小应力集中
C.采用等直径的空心轴D.增大轴的直径
20.材料为45钢调质处理的轴强度不足,不应采取的措施是________。
A.采用合金钢B.减小应力集中
C.提高表面硬度D.增大轴的直径
21.优质碳素钢经调质处理制造的轴,验算刚度时发现不足,正确的改进方法是。
A.加大直径 B.改用合金钢 C.改变热处理方法 D.降低表面粗糙度值
22.设计减速器中的轴,其一般设计步骤为__。
A.先进行结构设计,再按转矩、弯曲应力和安全系数校核
B.按弯曲应力初算轴径,再进行结构设计,最后校核转矩和安全系数
C.根据安全系数定出轴径和长度,冉校核转矩和弯曲应力
D.按转矩初估轴径,再进行结构设计,最后校核弯曲应力和安全系数
23.试比较图示两轴的疲劳强度高低:
________。
A.a图的强度低B.b图的强度低
C.二者强度相同D.按b图中圆角大小而定
题23图
题24图
24.在下图的齿轮传动中,功率(P=10kW)从中间轴Ⅱ轴输入,从Ⅰ、Ⅲ轴输出,则Ⅱ轴上的转矩__________。
A.为T2,且T2=0
B.为T2,且T2=T1+T3
C.为T2,但T2≠T1+T3,因T3>T2
D.为T2+T3
25.按当量弯矩计算轴的强度时,公式
中,系数是
考虑。
A.材料抗弯与抗扭的性能不同B.弯曲应力和扭转切应力循环性质不同 C.强度理论的要求
26.对于转轴的强度计算,应按计算。
A.弯矩B.扭矩C.弯矩、扭矩合成的当量弯矩
27.增大轴在剖面过渡处的圆角半径,其优点是
A.使零件的轴向定位比较可靠;B.降低应力集中,提高轴的疲劳强度;C.使轴的加工比较方便。
28.轴环的用途是。
A.作为轴加工时的定位面B.提高轴的强度
C.提高轴的刚度D.轴上零件获得轴向定位
(二)、填空题
1.在轴的初步计算中,轴的直径是按确定的
2.轴上零件的周向固定方法有、、。
3.如将轴按受力方式分类,可将受作用的轴称为心轴,受作用的轴称为传动轴,受作用的轴称为转轴。
4.根据轴的承载情况,自行车的前后轴属于___________。
5.在进行轴的强度计算时,对单向转动的转轴,一般将弯曲应力考虑为_________变应力,将扭剪应力考虑为_________变应力。
6.在轴的弯扭合成强度计算公式Mca=
中,α的含义。
7.如果轴的同一截面有几个应力集中源,则应取其中_________应力集中系数来计算该截面的疲劳强度安全系数。
8.轴在引起共振时的转速称为__________。
工作转速低于一阶临界转速的轴称为__________轴。
工作转速高于一阶临界转速的轴称为__________轴。
9、轴上零件的轴向固定的方法有,,等几种。
10、在轴上切制螺纹的末尾处必须有螺纹加工的;而在需要磨削加工的轴径上,应留有使砂轮能越过工作面的。
(三)、简答题
1.进行轴的结构设计时,主要考虑哪些方面的问题?
2.为提高轴的刚度,欲把轴的材料由45钢改为合金钢40Cr是否合适?
为什么?
3.在轴的弯扭合成强度校核中,轴的危险截面如何确定?
当量弯矩计算公式中
表示什么?
为什么要引入
?
4.用合金钢代替碳素钢一定能提高轴的疲劳强度吗?
为什么?
那么设计轴时,若采用合金钢应注意什么问题?
5.影响轴疲劳强度的因素有哪些?
试举例说明提高轴疲劳强度的结构措施和工艺措施。
6.在多级齿轮传动中,为什么低速轴的直径要比高速轴的直径粗得多?
(四)、结构分析题
1.图1所示为反装圆锥滚子轴承支承小锥齿轮轴的套杯轴系结构,试分析其中的结构错误,并加以改进。
图1
2.分析图2轴系结构的错误,简单说明错误原因,画出正确结构。
图2
3.分析图3轴系结构的错误,简单说明错误原因,画出正确结构。
图3
4.图4为斜齿轮、轴、轴承组合结构图。
齿轮用油润滑,轴承用油脂润滑,请指出该轴系结构设计中的错误。
要求:
1)在图中用序号标注设计错误处;
2)在图下方的空白处标注序号,按序号列出错误,并提出修改建议;
3)不必在图中直接改正。
图4
三、参考答案
(一)、选择题
1A;2CDB;3C;4D;5D;6B;7D;8D;9A;
10B;11A;12C;13C;14C;15C;16D;17C;18C;19D;
20A;21A;22D;23B;24D;25B;26C;27B;28D;
(二)、填空题
1扭转强度2键、花键3弯矩转矩弯矩和转矩4固定心轴5对称循环脉动循环6弯曲应力和扭转切应力循环性质不同,而引入的折合系数7一个最大的8临界转速刚性轴挠性轴9轴肩套筒轴端端盖轴端挡圈圆螺母等任选三种10退刀槽越程槽
(四)、结构分析题
1.
题1解图7
存在问题分析:
1).两个轴承的外圈均未轴向固定。
2).不能将轴上的轴向力传到机座。
3).齿轮轴的轴向位置没有固定,受到轴向力时会发生窜动。
4).左轴承内圈直径小于两侧轴的直径,无法装配。
5).轴承游隙不能调整。
6).套杯和机座间没有调整垫片,整个轴系的轴向位置不能调整。
7).轴承端盖与右侧轴承外圈之间的套筒多余。
改进后如图8所示。
题1解图8
2.主要结构错误分析如下:
1).轴左端的轮毂轴向定位不可靠,采用圆锥面轴向定位就不能再采用轴肩定位;
2).左侧轴承端盖与轴之间没有间隙,严重磨损;
3).左侧轴承端盖与轴之间应有密封措施;
4).左侧轴承端盖处箱体没有凸台,加工面与非加工面没有分开;
5).两个轴承反装不能将轴上的轴向力传到机座,且支承刚度低,应该为正装;
6).左侧轴承装配路线过长,装配困难;
7).左侧轴承处轴肩过高,拆卸困难;
8).右侧轴承处套筒外径过大,轴承拆卸困难;
9).右侧轴承端盖处也应加调整垫片,只一侧有调整垫片不能调整轴系的轴向位置。
改正后的结构如图题3图9解所示。
题2解图9
3.主要结构错误分析如下:
1).两侧的轴承端盖处没有调整垫片,不能调整轴承游隙和轴系的轴向位置;
2).轴的两端轴颈过长,与端盖接触严重磨损,浪费材料和加工时间、轴承装拆麻烦;
3).齿轮没有轴向定位,未将齿轮上的轴向力传到机座,应将轴承改为正装;
4).两轴承的内、外圈没有轴向固定,极易分离;
5).两轴承的内圈高度低于套筒,轴承拆卸困难;
6).两个齿轮不能共用一个键,而且键过长,三个套不能装配;
7).两个齿轮间用套筒定位,不能固定齿轮与轴的相对位置,应改为轴环;
8).两齿轮的轮毂长度与轴头箱等,也使齿轮轴向定位不可靠;
改正后的结构如图题3图解图10所示。
题3解图10
4.存在问题及分析,如图11所示
1).联轴器的键1应采用C型键联接,同时,键的布置应与齿轮轴段处的键在同一母线上;
2).轴承端盖与轴之间应有间隙并设计密封件;
3).左边轴承轴段与轴承端盖轴段之间应设计一个阶梯,不应为同一直径轴,以便于轴承安装;
4).齿轮轴上的键长应短于轴段长度;
5).齿轮宽度应略短于相应轴段长度1-2mm;
6).右端轴承内圈厚度应略高于轴环厚度;
7).右轴承端盖与轴承座间应有垫片;
8).左端轴承内圈厚度应略高于轴环厚度;
9).左端轴承端盖与轴承座间应有垫片;
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