机械设计.docx

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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；