《传动系统强度分析》课件

传动系统强度分析本课件将详细讲解传动系统强度分析的理论和实践应用，帮助您掌握相关知识和技能，并提升解决实际工程问题的能力。课程介绍：目标与内容目标本课程旨在帮助学生了解传动系统强度分析的基本理论、方法和应用，培养学生的分析问题和解决问题的能力。内容本课程涵盖以下主要内容：传动系统定义与组成、强度分析的重要性、材料力学基础、常用传动系统材料、齿轮强度分析、轴强度分析、键连接强度分析、螺栓连接强度分析、滚动轴承强度分析、带传动强度分析、链传动强度分析、有限元分析、实验测试方法、案例分析、强度优化设计方法。传动系统的定义与组成1传动系统是指将动力源的机械能传递到执行机构，实现机械运动和能量转换的装置。2传动系统通常由以下几个部分组成：动力源、传动机构、执行机构。3传动机构是传动系统的核心部分，用于改变运动形式、传递转矩、改变转速和方向。传动系统的主要功能改变运动形式例如，将旋转运动转换为直线运动，或者将直线运动转换为旋转运动。传递转矩将动力源的转矩传递到执行机构，实现机械运动。改变转速和方向通过不同的传动机构，可以实现对运动速度和方向的控制。强度分析的重要性保证传动系统安全可靠运行提高传动系统效率延长传动系统使用寿命降低传动系统成本材料力学基础回顾：应力与应变应力是指物体内部抵抗变形的外力，单位为帕斯卡(Pa)。应变是指物体在外力作用下发生的变形量与原尺寸的比值，无量纲。应力与外力的大小、作用面积有关，而应变与物体本身的材料性质有关。弹性模量与泊松比1弹性模量是指材料在外力作用下发生弹性变形时，应力和应变的比例关系，单位为帕斯卡(Pa)。2泊松比是指材料在外力作用下发生单向拉伸时，横向应变与纵向应变的比值，无量纲。3弹性模量和泊松比是材料的两个重要力学性质，反映了材料的刚度和变形能力。屈服强度与抗拉强度屈服强度是指材料开始发生塑性变形时的应力值，单位为帕斯卡(Pa)。抗拉强度是指材料在拉伸试验中所能承受的最大应力值，单位为帕斯卡(Pa)。屈服强度和抗拉强度是材料的强度指标，反映了材料抵抗塑性变形和断裂的能力。疲劳强度与耐久极限疲劳强度是指材料在交变应力作用下抵抗疲劳破坏的能力。1耐久极限是指材料在交变应力作用下，可以无限次循环而不发生疲劳破坏的应力值。2疲劳破坏通常发生在材料的微观缺陷处，随着循环次数的增加，缺陷逐渐扩展，最终导致断裂。3常用传动系统材料及其特性钢材具有高强度、高硬度、高耐磨性，常用于齿轮、轴、键等传动部件。铝合金具有轻质、高强度、耐腐蚀等优点，常用于轻量化传动系统。工程塑料具有耐腐蚀、耐磨损、易加工等优点，常用于低负载传动系统。钢材的种类与应用碳钢强度较低，成本低廉，常用于一般机械传动系统。合金钢强度和硬度更高，耐磨性好，常用于高负载传动系统。不锈钢具有耐腐蚀性，常用于潮湿环境下的传动系统。铝合金的优点与局限1轻质重量轻，可减轻传动系统的负担。2高强度强度较高，可满足一些负载要求。3耐腐蚀耐腐蚀性能好，可应用于潮湿环境。4局限强度低于钢材，耐磨性较差，不适用于高负载传动系统。工程塑料的适用范围齿轮适用于低负载、低转速的传动系统。轴承适用于低负载、低转速的传动系统。滑轮适用于低负载、低转速的传动系统。齿轮传动强度分析齿轮几何参数：模数、齿数模数是指齿轮的齿高与齿数的比值，单位为毫米(mm)。齿数是指齿轮的齿数，表示齿轮的大小。齿轮受力分析：啮合力、切向力、径向力1啮合力是指两个齿轮之间相互作用的力，方向沿齿轮啮合线。2切向力是指啮合力在齿轮的切线方向上的分力，用于传递转矩。3径向力是指啮合力在齿轮的径向方向上的分力，会导致轴承的径向载荷。齿轮齿根弯曲强度计算计算齿根处的弯曲应力，并与材料的屈服强度进行比较，判断齿轮是否会发生弯曲断裂。弯曲应力与齿轮的几何参数、载荷大小、材料的弹性模量有关。齿根处的弯曲强度是齿轮强度设计的重要指标。齿轮接触强度计算1接触应力是指齿轮啮合点处的接触应力，单位为帕斯卡(Pa)。2赫兹接触理论用于计算齿轮接触应力，考虑了弹性体之间的接触变形。3接触疲劳是指齿轮在反复啮合过程中，由于接触应力过大而导致的疲劳破坏。齿轮失效形式及预防措施1齿根断裂由于弯曲应力过大导致的齿根断裂，可通过增大齿根厚度或选用强度更高的材料来预防。2齿面疲劳由于接触应力过大导致的齿面疲劳，可通过增大模数或采用硬度更高的材料来预防。3磨损由于齿轮之间摩擦导致的磨损，可通过采用耐磨材料或使用润滑剂来预防。轴的强度分析轴的受力分析：扭矩、弯矩扭矩是指作用在轴上的力偶矩，单位为牛顿米(Nm)。弯矩是指作用在轴上的力对某一点的力矩，单位为牛顿米(Nm)。轴的弯曲强度计算计算轴的弯曲应力，并与材料的屈服强度进行比较，判断轴是否会发生弯曲断裂。弯曲应力与轴的几何参数、载荷大小、材料的弹性模量有关。轴的扭转强度计算1计算轴的扭转应力，并与材料的屈服强度进行比较，判断轴是否会发生扭转断裂。2扭转应力与轴的几何参数、扭矩大小、材料的剪切模量有关。轴的疲劳强度校核计算轴在交变载荷作用下的疲劳应力，并与材料的疲劳强度进行比较，判断轴是否会发生疲劳断裂。疲劳应力与轴的几何参数、载荷大小、材料的疲劳强度、循环次数有关。键连接的强度分析键是指连接轴和轮毂的零件，用于传递转矩。1键连接是指通过键连接轴和轮毂，实现转矩传递的一种连接方式。2强度分析主要分析键的剪切强度和挤压强度。3键的类型及应用平键最常见的键型，结构简单，应用广泛。楔键用于传递较大转矩，但安装较为复杂。花键用于传递较大转矩，并可实现轴向定位。键的受力分析剪切力是指键被轴和轮毂夹紧时，承受的剪切力。挤压力是指键被轴和轮毂夹紧时，承受的挤压力。键的剪切强度计算1计算键的剪切应力，并与材料的剪切强度进行比较，判断键是否会发生剪切破坏。2剪切应力与键的尺寸、载荷大小、材料的剪切强度有关。键的挤压强度计算计算键的挤压应力，并与材料的挤压强度进行比较，判断键是否会发生挤压破坏。挤压应力与键的尺寸、载荷大小、材料的挤压强度有关。键的挤压强度是键强度设计的重要指标。螺栓连接的强度分析1螺栓是指用于连接两个或多个零件的紧固件，常用于传动系统中连接轴、轮毂、机架等零件。2连接方式螺栓连接是通过螺纹将螺栓拧紧，利用螺栓的预紧力将零件紧密连接，实现力的传递和定位。3强度分析主要分析螺栓的拉伸强度、剪切强度和疲劳强度。螺栓的预紧力与夹紧力1预紧力是指螺栓在拧紧过程中施加的力，用于将零件紧密连接，提高连接的强度和刚度。2夹紧力是指螺栓在预紧力作用下，对零件产生的夹紧力，用于抵抗外力的作用。3预紧力与夹紧力是螺栓连接强度分析中的重要参数，它们的大小会直接影响连接的强度和寿命。螺栓的拉伸强度计算计算螺栓的拉伸应力，并与材料的抗拉强度进行比较，判断螺栓是否会发生拉伸破坏。拉伸应力与螺栓的截面积、载荷大小、材料的抗拉强度有关。螺栓的剪切强度计算1计算螺栓的剪切应力，并与材料的剪切强度进行比较，判断螺栓是否会发生剪切破坏。2剪切应力与螺栓的截面积、载荷大小、材料的剪切强度有关。螺栓的疲劳强度校核计算螺栓在交变载荷作用下的疲劳应力，并与材料的疲劳强度进行比较，判断螺栓是否会发生疲劳断裂。疲劳应力与螺栓的几何参数、载荷大小、材料的疲劳强度、循环次数有关。滚动轴承的强度分析滚动轴承是指利用滚动体来传递载荷和减少摩擦的轴承，广泛应用于各种机械设备中，包括传动系统。1强度分析主要分析滚动轴承的寿命、载荷能力、润滑性能等。2滚动轴承的类型与选择深沟球轴承结构简单，应用广泛，适合承受径向载荷和一定的轴向载荷。圆锥滚子轴承承受径向载荷和轴向载荷的能力强，适用于高负载、高转速的传动系统。圆柱滚子轴承承受径向载荷的能力强，但不能承受轴向载荷，适用于承受重载、低速的传动系统。滚动轴承的寿命计算滚动轴承的寿命是指滚动轴承在一定载荷下能够正常工作的时间。滚动轴承的寿命与载荷大小、滚动轴承类型、材料、润滑等因素有关。滚动轴承的润滑与维护1滚动轴承的润滑是保证滚动轴承正常工作的重要环节，润滑剂可以降低摩擦、防止磨损、延长轴承寿命。2滚动轴承的维护包括定期检查润滑情况、清洁轴承、更换润滑剂等，目的是保证轴承的正常运行。带传动的强度分析带传动是指利用带的柔性来传递动力的传动方式，常用于轻负载、低速的传动系统，如汽车的发动机传动系统。强度分析主要分析带的拉伸强度、滑动摩擦、效率等。带的类型与特性1平带结构简单，成本低廉，适用于轻负载、低速的传动系统。2V带具有较高的传递效率，适用于中等负载、中等转速的传动系统。3同步带具有较高的传递效率和准确性，适用于高速、高精度传动系统。带的张力计算1初张力是指带在安装时施加的预紧力，用于保证带的紧固和传递效率。2工作张力是指带在工作时，由于负载产生的附加张力。3带张力是带传动强度分析中的重要参数，它的大小会直接影响传动效率和带的寿命。带的滑动与效率带的滑动是指带在工作过程中，由于摩擦力不足而产生的相对滑动现象。带的效率是指带传动系统中，输入功率与输出功率的比值，滑动会降低带的效率。链传动的强度分析链传动是指利用链条的刚性来传递动力的传动方式，常用于重负载、高速的传动系统，如摩托车的传动系统。1强度分析主要分析链的拉伸强度、磨损、寿命等。2链的类型与特性滚子链结构简单，应用广泛，适用于各种负载和转速的传动系统。链条链具有较高的承载能力，适用于重负载、低速的传动系统。同步链具有较高的传递效率和准确性，适用于高速、高精度传动系统。链的拉伸强度计算链的拉伸强度是指链条所能承受的最大拉力，单位为牛顿(N)。链的拉伸强度与链条的材料、结构、尺寸有关。链的磨损与维护1链的磨损是指链条在工作过程中，由于摩擦和冲击导致的链节、销轴、滚子等的磨损。2链的维护包括定期检查链条的磨损情况、清洁链条、更换磨损的链节等，目的是保证链条的正常运行。有限元分析（FEA）简介有限元分析(FEA)是一种数值计算方法，通过将连续的物体离散成有限个单元，并利用数学方程来模拟物体的力学行为。FEA可以用于模拟各种力学问题，包括传动系统的强度分析、应力分析、变形分析等。FEA的基本原理1网格划分将连续的物体离散成有限个单元，并建立节点和单元的连接关系。2单元类型选择合适的单元类型，例如三角形单元、四边形单元等。3边界条件定义物体的边界条件，例如固定约束、载荷等。FEA在传动系统强度分析中的应用1应力分析模拟传动系统在工作状态下的应力分布，判断是否会发生断裂。2变形分析模拟传动系统的变形，判断是否会影响传动精度。3振动分析模拟传动系统的振动，判断是否会引起共振。FEA软件介绍：ANSYS,ABAQUSANSYS是世界上最流行的FEA软件之一，功能强大，应用广泛。ABAQUS是另一个功能强大的FEA软件，特别适用于非线性分析。实验测试方法应变片测量利用应变片测量材料在受力状态下的应变，可以间接计算应力。1扭矩传感器测量利用扭矩传感器测量轴上的扭矩，可以判断轴的扭转强度。2疲劳试验利用疲劳试验机模拟传动系统在交变载荷下的工作状态，可以测试材料的疲劳强度。3应变片测量应变片是一种可以将应变转换为电信号的传感器。将应变片粘贴在被测物体上，当物体发生变形时，应变片就会产生相应的电信号。通过测量电信号的变化，可以计算出应变，进而计算出应力。扭矩传感器测量扭矩传感器是一种可以测量扭矩的传感器。将扭矩传感器安装在轴上，当轴传递扭矩时，扭矩传感器就会产生相应的电信号。通过测量电信号的变化，可以计算出扭矩，进而判断轴的扭转强度。疲劳试验1疲劳试验是指将材料或零件在交变载荷下进行反复加载，观察其疲劳破坏过程。2疲劳试验可以测试材料或零件的疲劳强度，为传动系统的设计提供依据。案例分析：齿轮箱强度分析本案例分析以齿轮箱强度分析为例，展示如何利用FEA进行传动系统强度分析。通过FEA分析，可以模拟齿轮箱在工作状态下的应力分布，判断齿轮箱是否会发生断裂。案例背景与模型建立介绍齿轮箱的工作原理、传动参数、材料特性等。利用FEA软件建立齿轮箱的有限元模型，包括齿轮、轴、轴承、箱体等。FEA分析结果与验证应力分布模拟齿轮箱在工作状态下的应力分布情况。变形分析模拟齿轮箱在工作状态下的变形情况。强度