第9章轴复习及自测(含参考答案)

机械设计复习资料汇编第九章轴重点难点内容1．轴的结构设计轴的结构设计就是要合理地确定轴各部分的几何形状和尺寸。包括各轴段的直径、长度、各个轴肩、圆角和倒角的大小、键槽的位置等等。轴的结构没有标准形式，应根据具体的情况而定。一般要考虑以下几个方面的问题：1）轴上零件的布置；2）轴上零件的定位和固定；3）轴上零件的装拆工艺性；4）轴的疲劳强度和刚度要求；5）轴的加工工艺性等。轴的结构设计应满足以下要求：1）轴上零件的布置除了达到工作要求外，要使轴受力最小；2）轴上的零件要定位准确、固定可靠；3）轴上的零件能方便地装配和拆卸；4）轴的加工工艺性要好；5）要应力集中小、疲劳强度要高。2．轴的强度计算弯扭合成强度条件：WTMWMcaca22)(as+==≤1][-bsMPaa是根据扭剪应力的变化性质而定的应力校正系数。用来考虑扭矩T产生的扭剪应力t与弯距M产生的弯曲应力bs的性质不同。对轴受转矩的变化规律未知时，一般将t按脉动循环变应力处理。疲劳强度安全系数的强度条件：22tsstSSSSSca+=≥[S]如同一截面有几个应力集中源，则取其中最大的一个应力集中系数用于计算该截面的疲劳强度。重要基本概念1．直轴按承受载荷的性质分为三类传动轴：在工作中主要承受转矩，不承受弯矩或承受弯矩很小。心轴：在工作中只承受弯矩，不承受转矩。心轴又分为固定心轴和转动心轴。转轴：在工作中既承受弯矩，又承受转矩。2．轴的失效形式和设计准则因轴在弯矩和转矩作用下承受变应力，轴肩处有应力集中，因此轴的主要失效形式是疲劳断裂。设计准则：一般进行疲劳强度校核计算。对瞬时过载很大的轴，还应进行静强度校核。对于有刚度要求的轴，要进行刚度计算。对转速高或载荷周期性变化的轴，要进行振动稳定性计算。3．轴设计的主要内容和轴的设计步骤KUST机械设计复习资料汇编轴的设计包括两个主要内容：轴的结构设计和轴的强度计算。轴的设计步骤：1）选择轴的材料；2）估算轴的最小直径；3）轴的结构设计；4）轴的强度校核；5）必要时进行轴的刚度计算和振动稳定性计算。4．提高轴的疲劳强度的措施减小应力集中；降低表面粗糙度；强化轴的表面，如碾压、喷丸、表面淬火、渗碳、渗氮、碳氮共渗等。5．轴的刚度条件指标和提高刚度的措施轴的刚度条件为：挠度：y≤[y]偏转角：θ≤[θ]扭转角：j≤[j]提高轴刚度的措施：增大轴的直径。注意，用合金钢代替碳素钢不能提高轴的刚度。精选例题与解析例9-3例9-3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9-3图1答：各轴段所受转矩不同，如例9-3图2所示。方案a：Tmax=T1，方案b：Tmax=T1+T2。ab例9-3图2自测题与答案一、选择题KUST机械设计复习资料汇编9-1．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9-2．对于既承受转矩又承受弯矩作用的直轴，一般称为________。A．传动轴B.固定心轴C.转动心轴D.转轴9-3．对于只承受转矩作用的直轴，一般称为________。A．传动轴B.固定心轴C.转动心轴D.转轴9-4．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9-5．一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9-6．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9-7在下述材料中，不宜用于制造轴的是________。A．45钢B．40CrC．QT500D．ZcuSn10-19-8．轴环的用途是________。A．作为加工时的轴向定位B．使轴上零件获得轴向定位C．提高轴的强度D．提高轴的刚度9-9．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9-10.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9-11．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9-12．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KUST机械设计复习资料汇编9-13．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9-14．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9-15．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9-16．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9-17．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9-18．在用当量弯矩法计算转轴时，采用应力校正系数a是考虑到___________。A.弯曲应力可能不是对称循环应力B.扭转剪应力可能不是对称循环应力C.轴上有应力集中D.轴的表面粗糙度不同9-19．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9-19图9-20．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=0B.为T2，且T2=T1+T3C.为T2，但T2≠T1+T3，因T3＞T2D.为T2+T3二、填空题题9-20图KUST机械设计复习资料汇编9-21．根据轴的承载情况，工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为_________；主要承受转矩的轴称为________；只承受弯矩的轴称为__________。9-22．根据轴的承载情况，自行车的前后轴属于___________。9-23．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。9-24．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。9-25．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。三、简答题9-26．进行轴的结构设计时，主要考虑哪些方面的问题？9-27．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？9-28．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？9-29．影响轴疲劳强度的因素有哪些？在设计轴的过程中，如疲劳强度不够时应采取哪些措施？9-30．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、分析计算题9-31．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9-31图9-32．图示带式输送机有两种传动方案，若工作情况相同，传递功率一样，试分析比较：1．按方案a）设计的单级齿轮减速器，如果改用方案b），减速器的哪根轴的强度要重新验算？为什么？2．若方案a）中的V带传动和方案b）中的开式齿轮传动的传动比相等，两方案中电动机轴所受的载荷是否相同？为什么。KUST机械设计复习资料汇编a）b）题9-32图9-33．一单向转动的转轴，危险剖面上所受的载荷为水平面弯矩MH=4×105Nmm，垂直面弯矩MV=1×105Nmm，转矩T=6×105Nmm，轴的直径d=50mm，试求：1．危险剖面上的的合成弯矩M、计算弯矩Mca和计算应力cas。2.危险剖面上弯曲应力和剪应力的应力幅和平均应力：as、ms、mt、at。五、结构分析题9-34指出图中轴系的结构错误，并改正。题9-34图1六、参考答案1．选择题9-1A；9-2D；9-3A；9-4D；9-5D；9-6B；9-7D；9-8B；9-9A；9-10B；9-11A；9-12C；9-13C；9-14D；9-15C；9-16D；9-17C；9-18B；9-19B；9-20D；2．填空题9-21转轴传动轴心轴9-22固定心轴9-23对称循环脉动循环KUST机械设计复习资料汇编9-24一个最大的9-25临界转速刚性轴挠性轴3．简答题（参考答案从略）4．分析计算题9-31答题要点：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；9-32答题要点：1．方案b）减速器中大齿轮轴需要重新验算。因为与方案a）相比，虽然减速器布置在高速级，此轴所受的转矩减小了。但轴的外伸端不再是联轴器，而是一个悬臂布置的齿轮，齿轮上一定作用有圆周力和径向力。因此，此轴所受的弯曲应力增大了。2．若不计摩擦，电机轴所受的扭矩应为相同，因为传递功率和转速都相同。但是在方案b）中不再受弯矩了，因为带传动有压轴力，而联轴器没有。9-33解题要点：223607101452222=×+=+=VHMMMNmm对单向工作的转轴，取α=0.6，则42379210)66.0(23607.2)(52222=××+=+=TMMcaaNmm90.33501.04237921.033=×===dMWMcacacasN/mm289.17501.02236071.033max=×===dMWMsN/mm289.17max==ssaN/mm2，0=ms24502.01062.0353max=××===dTWTTtN/mm2122/max===tttmaN/mm25．结构分析题9-34存在问题：1）轴右端的带轮不能通过套筒用端盖轴向定位，转动零件与固定零件不能接触。2）轴与右端盖之间不能接触，应有间隙，并有密封措施。3）齿轮两侧都是轴环，无法安装到位。KUST机械设计复习资料汇编4）齿轮上的键槽没打通，且深度不够。这样的结构，键槽无法加工，也无法装配。5）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。6）因轴肩过高，两个轴承拆卸困难。7）轴上有两个键，两个键槽不在同一母线上。题9-34图2KUST