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(中文)KISSsoft软件基础培训 轴


KISSsoft软件基础培训 ------轴

目标:能建立类似以上轴系统的模型

一. 轴设计框架

轴的设计主要解决两个方面的问题
轴的设计分三步进行: (1)初定轴的最小直径

结构设计 校核评估

(2)结构设计: 画草图, 确定轴的各段尺寸, 得到轴的跨距和

力的 作用点;
(3)计算各危险截面的弯矩、弯曲应力及扭剪应力,进行校核计 算,如不满足要求,返回到前面重新进行结构设计。
已知 条件 选择 轴的 材料 初算轴 径的最 小值 结构 设计 计算弯矩、 扭矩 修改初始设计条件 完善设计 校核 计算

转轴设计程序框图

二. 轴类型分类
转轴---传递扭矩又承受弯矩。

按承受载荷分有:

传动轴---只传递扭矩。

心轴---只承受弯矩。

本次研究重点

二. 轴类型分类
直轴 光轴 阶梯轴 曲轴 挠性钢丝轴

按轴形状分有:

一般情况下,直轴做成实心 轴,需要减重时做成空心轴。

本次研究重点

三.轴材料选择

45号钢正火或调质处理。 对应力集中的敏感性低,加 工工艺性好,故应用最广, 对于不重要或受力较小的轴也可 用Q235A等普通碳素钢。

三.轴材料选择

三.轴材料选择

KISSsoft中轴材料的选择

点击轴元件标识,在其元件编辑器对话框中,对材料的种类进行选 择。这样设计的目的是为了可以对多轴系统进行不同材料编辑。
请注意:在Basic data里面的是壳 体材料选择,考虑壳体热膨胀因素对轴 系统的影响。

四. 轴的结构分析

S-N曲线
以材料标准试件疲劳强度为纵坐标,以疲劳寿命的对 数值lgN(应力循环次数)为横坐标,表示一定循环特征 下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线,称应 力—寿命曲线,也称S—N曲线。

我们通常所说的材料的S—N曲线,是指把材料做成圆 棒形、在指定的加工精度等级和热处理工艺下的标准试件, 得到拉、压、弯曲和扭转作用下的疲劳极限,从而得到的 相应的S—N曲线。因此,不同的零件,因形状不同,加工 精度和热处理工艺也不尽相同,其S—N曲线也自然不同。

三.轴材料选择

轴材料自定义界面

请参见:DIN 743第3部分:材料属性

四. 轴的结构分析

轴的结构分析:包括定出轴的合理的外形和全部结 构尺寸:
1.轴应便于制造,轴上零件要易于装拆;(制造安装) 2.轴和轴上零件要有准确的工作位置;(定位) 3.各零件要牢固而可靠地相对固定;(固定)

4.改善应力状况,减小应力集中。

四. 轴的结构分析

减小应力集中
合金钢对应力集中比较敏感,应加以注意。

应力集中出现在截面突然发生变化的地方。 措施:
1. 用圆角过渡; 2. 尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽; 3.重要结构可增加卸载槽B、过渡肩环、凹切圆角、 增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。

四. 轴的结构分析

轴的结构 :轴主要由轴颈、 轴头、 轴身三部分组 成(如图10-5)。 轴上被支承的部分为轴颈,如图中③, ⑦段; 安装轮毂的部分称做轴头,如图中①,④段; 联 接轴颈和轴头的部分称做轴身,如图中②,⑥段。

四. 轴的结构分析

下面使用KISSsoft 轴模块建立模型,已知条件:
轴段1-8(从左向右): l=80mm, d=45mm; l=50mm,d=50mm; l=66mm,d=55mm; l=78mm,d=60mm; l=10mm,d=75mm; l=25mm,d=60mm; l=8mm, d=45mm; l=30mm, d=53mm。 输入driven(联轴器、马达):P=15KW,n=280 1/min y=20mm, l=40mm, d=45mm;过盈配合:l=40mm,最松状 态(slight) 键:y=5mm, l=20mm,依据DIN 6885.1标准 输出driving(齿轮):P=15KW,y=234mm, l=80mm, 节 圆直径 dw=450mm; αwn=20°;类型:直齿轮。 轴承:类型(角接触球轴承)型号:SKF * 7311 BECBP [单滚子(内径×外径×宽度)d×D×b=55×120×29]。 定位形式:分别(从左向右)为左右分别固定方式。

四. 轴的结构分析

KISSsoft轴模型建立完毕

四. 轴的结构分析

下面请大家根据刚才所讲的内容,使用 KISSsoft软件中的轴模块对下面的案例做一下 练习,加深对轴和轴承的认识。

轴模型建立练习

五. 轴模块DIN 743标准简介(附录)
DIN 743-1-2000 轴类.负载能力的计算.第1部分: 导论基础 Shafts and axles, calculation of load capacity - Part 1: General basics DIN 743-2-2000 轴类.负载能力的计算.第2部分:理论应力集中因素和疲劳缺口因素 Shafts and axles, calculation of load capacity - Part 2: Theoretical stress concentration factors and fatigue notch factors

DIN 743-3-2000 轴类.负载能力的计算.第3部分:材料强度 Shafts and axles, calculation of load capacity - Part 3: Strength of materials
DIN 743-4-2000 轴类.负载能力的计算.第4部分: 应用实例 Shafts and axles, calculation of load capacity - Examples

五. 轴模块DIN 743标准简介

在KISSsoft软件轴模块的强度计算法主要运用了DIN 743标准第一部分推荐的安全系数精确校核计算法。 对于重要的轴,应精确考虑影响轴强度的有关因素, 按安全系数校核各危险截面,借以精确评定轴的安全裕 度。 轴的安全系数校核主要包括:疲劳强度安全系数和 静强度安全系数校核。 轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大变载荷 进行校核计算的。

六. KISSsoft界面介绍

1. 材料抗拉强度σB(dB ):强度特性值σB等于适用于样件较小额 定尺寸(基准直径dB)有效范围下的极限值,适用于心部硬度。该 值为实验测量值,从表中可以查找到。 4. 考虑各种实际影响系
数修正后得到的拉伸/屈 服/扭曲交变强度,该结 果更加贴近于实际工况。 2. 实验材料基准直径dB
拉伸交变强度 弯曲交变强度 扭曲交变强度

通过K1(d)工艺尺寸 影响系数修正(考虑 热处理因素的影响)

3. 实际轴段部件直径 d
拉伸交变强度 弯曲交变强度 扭曲交变强度

五. 轴模块DIN 743标准简介

相关影响系数一栏:

总体影响系数

工艺尺寸影响系数 K1(deff):在调制时可达到的硬度(也可以是疲劳极限与疲劳 强度)以及在进行表面硬化处理时的心部硬度会随着直径的增加而降低。主要考虑尺 寸与部件形状对硬化、调制时冷却过程的影响。 几何尺寸影响系数 K2(d):在直径或厚度变大时,弯曲交变强度会转化为拉伸/ 这些这两个参数后面会使用KISSsoft软件做一 挤压交变强度,类似地,扭曲交变强度也会降低。
个案例帮助大家案例理解。

表面粗糙度影响系数 KF :考虑表面粗糙度对局部应力的附加影响。 表面硬化的影响系数 Kv :考虑的是通过各工艺方法改变的表面状态对疲劳强度的 影响(内应力、硬度)。

缺口冲击系数(notch factor)βσ :一般在1.2到3.0。

DIN 743第二部分内容

五. 轴模块DIN 743标准简介

④ ⑤ ④ ⑤

对称循环交变应力

④ ⑤ ③循环特征系数:
④平均应力: ⑤应力幅:

①最大应力σmax ②最小应力σmin

五. 轴模块DIN 743标准简介

五. 轴模块DIN 743标准简介

平均应力折算系数(和国内标准规定一样):

五. 轴模块DIN 743标准简介

危险截面安全系数S的校核计算公式为:

拉伸、压缩应力幅值: σzda 弯曲应力幅值: σba 扭转切应力幅值:τta

许用拉伸、压缩的应力幅值: σzdADK 许用弯曲应力幅值: σbADK 许用扭转切应力幅值:τtADK

五. 轴模块DIN 743标准简介

许用安全系数 [S] 的选用,一般都大于1.2:

计算的结果必须满足:S≥[S], 否则就需要改 进轴的结构以降低应力集中,采用热处理、表面 强化处理等工艺措施、或加大轴径以及改用较好 材料等方法来提高安全系数等级。

五. 轴模块DIN 743标准简介

轴的静强度校核的目的在于评定轴对塑形变形 的抵抗能力。静强度校核的根据是轴上作用的最大 瞬时载荷(包括动载荷和冲击载荷)。对于没有特 殊安全保护装置的传动,其最大瞬时载荷可按电机 过载能力的一倍来计算。危险截面的位置应是静应 力较大的若干截面。 危险截面安全系数的校核计算公式为:

五. 轴模块DIN 743标准简介

工艺尺寸影响系数 K1(deff) 材料硬化处理外表面 抵抗变形的静态支撑 多轴系统缺口处应力导致屈服强度升高的系数 试样基准直径下材料屈服强度

1)静态强度计算不考虑缺口因素 2)将应力峰值限制在较低范围内

五. 轴模块DIN 743标准简介

计算的结果必须满足:S≥[S]。

五. 轴模块DIN 743标准简介

在DIN743标准第二部分详细的介绍了计算部 件疲劳强度所需的尺寸影响系数、表面系数、应力 集中系数(form factor)或缺口冲击系数 (Notch factor)的应用。 由于构造和工艺上的要求,许多零件常常带 有沟槽、孔眼和台肩等,这样,在截面尺寸突变处 就会产生应力集中现象。 由于零件在应力集中处容易出现微观裂纹,从 而引起疲劳失效。 应力集中对疲劳强度降低的影响用有效应力 集中系数表示。

五. 轴模块DIN 743标准简介

关于应力集中系数是通过下面公式定义的:

同时对于不同缺口形式的应力集中系数在标准中都给出了相应 的公式计算和表格查找,在此不详细介绍。

五. 轴模块DIN 743标准简介

关于缺口冲击系数是通过下面公式定义的:

:具有直径d的部件在缺口横截面处的交变强度(通过额定应力表述)。

:直径为d的未开槽的、抛光过的圆形试件在一般等同条件下的交变强度。

五. 轴模块DIN 743标准简介

实验计算得到的缺口冲击系数,仅用于为基准 直径(dBK)测定的试件缺口冲击系数 用于实际部件直径d的缺口冲击系数可以根据 以下等式计算:

使用缺口冲击系数βσ(KISSsoft)比较常见, 而在该参数不清楚的情况下,使用应力集中系数ασ 代替,但是请注意:α>β。

六. KISSsoft界面介绍
静强度和疲劳强度 安全系数计算结果

循环特征系数(以平均应力形式)

许用安全系数[S]

六. KISSsoft界面介绍
壳体温度和 材料的不同,收 缩和热膨胀对轴 系统的影响也不 同。

在不同翘曲载荷(作用于轴向力)作用下 轴产生的变形量和转动程度。

放到齿轮箱整体 设计时,一般都 设置为0。

六. KISSsoft界面介绍
齿轮传动系统在齿轮啮合传递运动和力的过程中会引发振动,主要由 外部激励和内部激励产生。外部激励主要由原动机和负载力矩引起,内 部激励在齿轮副啮合过程中产生,包括刚度激励、误差激励和冲击激励。 传动系统的固有频率就是指齿轮副在啮合过程中受到冲击载荷而产生振 动高频分量,对系统的动载荷的大小、系统的动响应以及振动形式都有 重要影响。 通过观察轴系统的工作频率 是否接近于任何一阶固有频率, 分析系统是否产生共振。轴的固 有特性对于整个系统的动态响应、 动载荷的传递以及振动形式等都 有重要的意义。因此设置number of eigenfrequencies可以方便用户 知道该轴系统在多少频率下会产 生振动,以及通过曲线的变化情 况可以知道轴系统在该频率下的 振动程度大小。

六. KISSsoft界面介绍

轴受载变形曲线
Angle of plane 表示该任一平面的 角度,X-Y面为0度,X-Z面表示90度。

在任一平面内的变形,该平面的 变形量由部分X轴变形和Z轴变形组成 (不包括Y轴)。

Legend为曲线标识激活
轴的X轴向尺 寸和Y轴变形 量(最大、 最小值可以 自定义), 一般默认为 自动形式。

Grid统计图划分栅格 是否需要显示轴形状
Resulting X-Z表示(X?+Z?)的平方根

六. KISSsoft界面介绍 实际案例中关于变形 量(弯曲等)变化曲线的 应用(KISSsoft经典计算结 果和Ansys有限元分析结果 的对比)

从两个图可以看出, 计算结果基本一致,使工 程师对设计更加有信心。

六. KISSsoft界面介绍

六. KISSsoft界面介绍

1)忽略轴上的齿轮的质量和刚度
2)只考虑齿轮质量(齿轮在轴的安装为宽松型,虽然它将自身的重量和外部 载荷一起附着在轴上,但不会对轴起到刚度变形作用)。 3)考虑齿轮的质量和刚度(齿轮紧密贴合轴并与轴形成整体)设置齿轮轴为 该选项。

六. KISSsoft界面介绍

关于轴材料信息设置,为区分多轴系统不同材料性质这种情况, 只能在对应的轴编辑器中设置属性。 设定热处理状态,主要为确定工艺尺寸影响系数 K1(deff),选 项包括Raw diameter和Pre-turned to actual diameter。

六. KISSsoft界面介绍 Raw diameter:直接使用未加工前的毛直径先进行热处理后再进行 加工,直接决定工艺尺寸影响系数 K1(deff),适用于所有截面情况。 Pre-turned to actual diameter:则和前面的情况相反,进行预加工 后再进行热处理,工艺尺寸影响系数 K1(deff)根据实际加工后的轴 端直径来决定。

对于工艺影响系数K1(deff)使用KISSsoft软件做一下验证和诠释。

六. KISSsoft界面介绍

根据不同标准规定确定选项, 默认选用With reference diameter。

六. KISSsoft界面介绍

默认使用DIN 743(2000)计 算,关于该标准前面已有介绍。
FKM标准简介

1)静强度计算 2)疲劳强度计算 3)(考虑载荷谱)疲劳寿命计算,才能激活许用 寿命。

七. KISSsoft轴模块拓展

在研究轴承模块时将介绍多轴系统建模。

七. KISSsoft界面介绍

多轴系统转速及方向设置位置:


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