机械设计基础第十二章轴

机械设计基础第十二章轴汇报人：AA2024-01-18AAREPORTING目录轴概述与分类轴结构设计与分析轴强度计算与校核轴刚度计算与校核轴振动稳定性分析轴疲劳强度分析PART01轴概述与分类REPORTINGAA轴是机械中传递扭矩和承受弯矩的重要零件，用于支撑旋转零件并传递运动和动力。轴的定义轴在机械中起到连接、支撑和传递动力的作用，是机械装置中的关键部件。轴的作用轴定义及作用同时承受弯矩和扭矩的轴，如电机轴。只承受弯矩而不传递扭矩的轴，如自行车前叉轴。轴分类与特点心轴转轴传动轴：主要承受扭矩而不承受弯矩或承受很小弯矩的轴，如汽车传动轴。轴分类与特点直轴轴线为直线的轴，如普通车床主轴。曲轴轴线为曲线的轴，如内燃机曲轴。轴分类与特点实心轴截面为圆形的实心体，如电机转子轴。空心轴截面为中空的圆形或方形等形状，如机床主轴。轴分类与特点设计要求与选材足够的强度和刚度保证轴在正常工作条件下不发生断裂或过大的变形。良好的耐磨性轴在运转过程中需要承受摩擦和磨损，因此要求材料具有良好的耐磨性。良好的抗疲劳性能：轴在交变应力作用下容易发生疲劳断裂，因此要求材料具有良好的抗疲劳性能。设计要求与选材选材原则根据轴的承载能力和工作要求选择合适的材料，如碳钢、合金钢、铸铁等。考虑材料的工艺性和经济性，选择易于加工且成本合理的材料。对于有特殊要求的轴，如耐腐蚀、耐高温等，需要选择相应的特殊材料。01020304设计要求与选材PART02轴结构设计与分析REPORTINGAA包括轴头、轴颈、轴身、轴肩、轴环、轴端等部分，各部分具有不同的功能。轴的基本结构轴的毛坯轴的材料轴的毛坯一般采用棒料、锻件或铸件，具体选择取决于轴的尺寸、形状和技术要求。轴的材料应具有足够的强度、刚度和耐磨性，常用的材料有碳素钢、合金钢等。030201结构组成要素零件的固定轴上零件的固定方式主要有紧配合、过盈配合、过渡配合等，具体选择取决于零件的结构和工作条件。零件的定位轴上零件的定位方式主要有轴向定位和周向定位两种，轴向定位可采用轴肩、轴环、套筒等结构，周向定位可采用键连接、花键连接等方式。零件的装拆轴上零件的装拆应方便、可靠，一般采用拆卸工具进行装拆，如拆卸环、拆卸套等。轴上零件定位与固定方法设计原则轴结构设计应遵循强度、刚度、稳定性、耐磨性、振动和噪声等设计原则，确保轴在正常工作条件下具有足够的承载能力和稳定性。结构优化轴结构优化可采用轻量化设计、结构优化设计等方法，通过减少材料用量、优化截面形状等措施，提高轴的承载能力和经济效益。可靠性设计轴结构设计应考虑可靠性因素，如疲劳强度、耐磨性、耐腐蚀性等，采用相应的设计方法和措施，提高轴的可靠性和使用寿命。轴结构设计原则及优化PART03轴强度计算与校核REPORTINGAA当轴受到垂直于轴线的外力作用时，轴会产生弯曲变形，此时轴内部会产生弯曲应力。弯曲应力概念弯曲应力的大小与外力矩、截面惯性矩、轴的材料弹性模量等因素有关，可通过相关公式进行计算。弯曲应力计算公式在横截面上，弯曲应力沿轴线方向呈线性分布，中性轴处应力为零，最大应力发生在离中性轴最远的点上。弯曲应力分布规律弯曲应力分析及计算03扭转应力分布规律在横截面上，扭转应力呈环形分布，最大应力发生在轴表面，中心处应力为零。01扭转应力概念当轴受到扭矩作用时，轴会产生扭转变形，此时轴内部会产生扭转应力。02扭转应力计算公式扭转应力的大小与扭矩、截面极惯性矩、轴的材料剪切模量等因素有关，可通过相关公式进行计算。扭转应力分析及计算当轴同时受到弯曲和扭转作用时，会产生组合变形，此时需要综合考虑弯曲应力和扭转应力的影响进行强度校核。组合变形概念可采用第四强度理论进行组合变形下的强度校核，综合考虑弯曲应力和扭转应力的影响，计算出等效应力并进行比较。强度校核方法在进行组合变形下的强度校核时，需要准确确定轴的受力情况、截面形状和尺寸、材料力学性能等参数，以确保计算结果的准确性。注意事项组合变形下强度校核PART04轴刚度计算与校核REPORTINGAA弯曲刚度定义轴的截面形状和尺寸材料特性载荷及约束情况弯曲刚度概念及影响因素轴在受到弯曲力矩作用时，抵抗变形的能力。弹性模量E越大，弯曲刚度越高。截面形状越合理，尺寸越大，弯曲刚度越高。载荷增大或约束条件减弱，轴的弯曲变形增大，刚度降低。轴在受到扭矩作用时，抵抗扭转变形的能力。扭转刚度定义截面极惯性矩Ip越大，扭转刚度越高。轴的截面形状和尺寸剪切模量G越大，扭转刚度越高。材料特性扭矩增大，轴的扭转变形增大，刚度降低。载荷情况扭转刚度概念及影响因素采用空心截面、增大截面尺寸等方法提高弯曲刚度和扭转刚度。合理选择轴的截面形状和尺寸采用高强度钢、合金钢等材料，提高轴的刚度。选用高强度材料如喷丸、碾压等表面强化处理，提高轴的表面硬度，从而提高刚度。采用表面强化处理减少应力集中、降低轴的重量等措施，有利于提高轴的刚度。优化轴的结构设计提高轴刚度措施PART05轴振动稳定性分析REPORTINGAA由于轴的质量分布不均或加工误差等原因，导致轴在旋转时产生不平衡力，进而引发振动。不平衡力当轴的旋转速度接近其固有频率时，会激发轴的共振，使振幅迅速增大。共振振动产生原因及危害振动产生原因及危害加速疲劳破坏振动会加速轴的疲劳破坏，缩短轴的使用寿命。影响精度振动会影响轴上零部件的工作精度和稳定性。产生噪声振动会产生噪声，影响工作环境和人员健康。振动产生原因及危害03当轴的转速接近或等于临界转速时，轴的振动会急剧增加，甚至可能导致轴的破坏。01临界转速概念02临界转速是指轴在旋转过程中，由于自身质量分布不均或外部激励等因素，导致振幅突然增大的特定转速。临界转速概念及计算方法解析法通过建立轴的数学模型，利用数值计算方法求解临界转速。这种方法适用于简单轴系的计算。实验法通过实验手段测量轴的振动响应，进而确定临界转速。这种方法适用于复杂轴系的计算。有限元法利用有限元分析软件对轴进行建模和计算，可以得到较为精确的临界转速值。临界转速概念及计算方法030201ABCD平衡轴的质量分布通过精确的加工和装配技术，减小轴的质量分布不均，降低不平衡力对轴振动的影响。采用减振措施在轴上安装减振装置，如橡胶隔震支座、阻尼器等，以吸收或减小振动的能量传递，提高轴的振动稳定性。控制外部激励源对电机、齿轮等传动部件进行精确的控制和调整，减小其对轴振动的激励作用。优化轴的结构设计通过改进轴的结构设计，如增加支撑刚度、减小悬臂长度等，提高轴的刚度和阻尼特性，从而降低振动幅度。提高轴振动稳定性措施PART06轴疲劳强度分析REPORTINGAA疲劳裂纹在交变应力作用下，轴表面或内部产生微小裂纹，逐渐扩展导致断裂。疲劳断裂疲劳裂纹扩展到一定程度后，轴的剩余截面无法承受外载荷，发生瞬间断裂。原因分析交变应力作用下材料内部微观缺陷（如夹杂、气孔等）引发应力集中，导致疲劳裂纹萌生和扩展。疲劳破坏现象及原因环境因素温度、湿度、腐蚀介质等环境因素也会对疲劳极限产生影响。应力集中轴截面变化、键槽、孔等引起的应力集中会降低疲劳极限。表面质量轴表面的粗糙度、加工痕迹、腐蚀等因素都会影响疲劳极限。疲劳极限定义材料在无限多次交变应力作用下而不发生破坏的最大应力值。材料性能材料的强度、硬度、韧性等力学性能对疲劳极限有重要影响。疲劳极限概念及影响因素表面强化处理对轴表面进行喷丸、碾压等强化处理，提高表面质量和抗疲劳性能。合理选