机械设计基础第5版杨可桢第14章轴-多内容

机械设计基础第5版杨可桢第14章轴-多内容汇报人：AA2024-01-18轴概述与分类轴的材料与强度计算轴的结构设计轴的疲劳强度计算轴的刚度校核与振动稳定性分析轴的设计实例与案例分析目录01轴概述与分类轴定义及作用轴的定义轴是组成机械的一个重要零件，它主要用来支承传动零件（如齿轮、蜗轮等）和传递转矩，起着承载、传递运动和动力的作用。轴的作用轴在机械中主要起以下作用支承作用轴通过轴承支承在机座或构架上，使轴上安装的传动件得以保持确定的相对位置并传递运动和动力。传递运动和动力轴通过其上的传动件（如齿轮、蜗轮等）将原动机的运动和动力传递给工作机。直轴轴线为直线。曲轴轴线为曲线，主要用来将往复运动转变为旋转运动，或将旋转运动转变为往复运动。轴的分类03传动轴主要承受扭矩而不承受弯矩或弯矩很小的轴，如汽车的传动轴等。01转轴同时承受弯矩和扭矩的轴，如齿轮轴、蜗杆轴等。02心轴只承受弯矩而不承受扭矩的轴，如自行车的前轮轴、后轮轴等。轴的分类合理的结构轴的结构应合理，以便于轴上零件的装拆和调整，同时尽量减少应力集中等不利因素。足够的强度和刚度轴在传递运动和动力时，要承受弯曲、扭转等交变载荷的作用，因此要求轴具有足够的强度和刚度，以保证其正常工作而不发生断裂或过大的变形。良好的耐磨性轴上装有轴承、齿轮等传动件，相互间存在摩擦，因此要求轴具有良好的耐磨性，以减少磨损和功率损失。良好的工艺性轴的结构应便于加工和装配，尽量减少加工难度和降低成本。轴设计基本要求02轴的材料与强度计算碳素钢具有良好的可加工性和机械性能，成本低，常用于一般传动轴。合金钢具有高强度、耐磨、耐腐蚀等特性，适用于高负荷、高速或特殊环境下的轴。球墨铸铁具有优良的铸造性能、机械性能和耐磨性，常用于形状复杂的轴。不锈钢具有优良的耐腐蚀性和美观性，适用于在腐蚀环境下工作的轴。常用轴材料及其特性根据轴的受力情况，采用弯曲强度理论进行计算，以确定轴的截面尺寸和形状。弯曲强度计算扭转强度计算疲劳强度计算针对承受扭矩的轴，采用扭转强度理论进行计算，以确保轴在扭矩作用下不发生破坏。考虑轴在交变应力作用下的疲劳破坏，采用疲劳强度理论进行计算，以评估轴的疲劳寿命。030201轴的强度计算方法弯曲刚度校核通过计算轴的挠度和转角，评估轴的弯曲刚度是否满足设计要求，以确保轴在受力时不会发生过度变形。扭转刚度校核针对承受扭矩的轴，通过计算轴的扭转角，评估轴的扭转刚度是否满足设计要求，以确保轴在扭矩作用下不会发生过度扭转。综合刚度校核综合考虑轴的弯曲刚度和扭转刚度，对轴进行综合刚度校核，以确保轴的整体刚度满足设计要求。轴的刚度校核03轴的结构设计采用轴肩、轴环、圆锥面、轴端挡圈等结构进行轴向定位，确保零件在轴向上的位置稳定。轴向定位通过键连接、花键连接、销连接等方式实现周向固定，保证零件与轴同步旋转。周向固定采用螺纹连接、紧定螺钉、弹性挡圈等结构实现轴向固定，防止零件在轴向上发生窜动。轴向固定轴上零件定位与固定方法便于加工轴的结构应尽量减少加工难度，如避免过多的阶梯和退刀槽等结构。便于装配轴的结构应便于零件的装配和拆卸，如采用合理的倒角和过渡结构。便于维修轴的结构应考虑维修方便性，如设置必要的检查孔和维修窗口。轴的结构工艺性要求齿轮轴系由齿轮、轴承、轴等组成的典型轴系结构，用于传递动力和扭矩。带轮轴系由带轮、轴承、轴等组成的典型轴系结构，用于通过带传动传递动力。链轮轴系由链轮、轴承、轴等组成的典型轴系结构，用于通过链传动传递动力。凸轮轴系由凸轮、轴承、轴等组成的典型轴系结构，用于实现特定的运动规律。典型轴系结构分析04轴的疲劳强度计算疲劳载荷与应力循环特性疲劳载荷指轴在交变应力作用下所承受的载荷，其大小和方向随时间周期性变化。疲劳载荷是导致轴疲劳破坏的主要因素。应力循环特性描述交变应力作用下，轴内应力变化的规律和特性。包括应力幅值、平均应力、应力比等参数。这些参数对轴的疲劳寿命和疲劳强度具有重要影响。指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。对于轴类零件，疲劳极限是评价其疲劳性能的重要指标。疲劳极限影响轴疲劳极限的因素包括材料的力学性能、表面质量、尺寸效应、加载方式、环境介质等。这些因素的综合作用导致轴的疲劳极限具有分散性和不确定性。影响因素疲劳极限及其影响因素无限寿命设计法基于材料的疲劳极限，通过降低交变应力的幅值或提高轴的强度，使轴在无限多次交变应力作用下不发生疲劳破坏。该方法适用于对轴的安全性和可靠性要求极高的场合。有限寿命设计法允许轴在有限次数的交变应力作用下发生疲劳破坏，但要求破坏前能完成预定的功能或达到预定的使用寿命。该方法通过综合考虑轴的疲劳载荷、材料性能、制造工艺等因素，进行轴的疲劳强度设计和校核。损伤容限设计法针对含有初始缺陷或裂纹的轴，通过控制裂纹的扩展速度和剩余强度，确保轴在规定的使用期限内不会发生灾难性破坏。该方法适用于对轴的安全性和经济性有较高要求的场合。疲劳强度计算方法05轴的刚度校核与振动稳定性分析变形量校核法通过测量轴在受力作用下的变形量来判断其刚度是否满足要求。通常使用千分表等测量工具对轴的径向和轴向变形进行测量，然后与许用变形量进行比较。应力校核法根据轴的受力情况和材料力学性质，计算出轴的最大应力和许用应力，并进行比较。若最大应力小于许用应力，则轴的刚度满足要求。轴的刚度校核方法VS通过计算或实验确定轴的临界转速，即轴在旋转时发生共振的转速。当轴的工作转速接近或等于临界转速时，轴的振动会显著增大，可能导致轴的破坏。振动模态分析采用有限元等方法对轴进行振动模态分析，了解其固有频率和振型。避免工作频率与固有频率相近，以防止共振现象的发生。临界转速分析轴的振动稳定性分析合理选择材料和截面形状01选用高强度、高刚度的材料，如合金钢等，并采用空心截面、工字形截面等形状，以提高轴的刚度。优化轴的结构设计02减少轴上的悬臂长度和集中载荷，降低轴的弯曲应力和变形。同时，增加轴的支撑点数量和刚度，提高轴的支撑稳定性。采用减振措施03在轴上安装减振器或减振支座等减振装置，以消耗或减小振动能量，达到减振的目的。此外，还可采用主动控制技术，如电磁轴承等，对轴的振动进行主动抑制。提高轴刚度及振动稳定性的措施06轴的设计实例与案例分析设计步骤确定轴的直径和长度，选择合适的材料和热处理方式，进行必要的强度校核和刚度计算。实例分析以某减速器输出轴为例，详细介绍简单轴的设计过程，包括轴的受力分析、强度计算、刚度校核等。设计要求简单轴主要承受扭矩，不承受或承受较小的弯矩。设计时应考虑轴的强度、刚度和稳定性。简单轴设计实例复杂轴除了承受扭矩外，还要承受较大的弯矩和轴向力。设计时需综合考虑轴的强度、刚度、稳定性以及疲劳寿命等因素。设计要求进行详细的受力分析，确定危险截面并进行强度校核，选择合适的材料和热处理方式，优化轴的结构以降低应力集中和提高疲劳寿命。设计步骤以某汽车变速箱输入轴为例，深入剖析复杂轴的设计要点和难点，探讨如何通过优化设计提高轴的承载能力和使用寿命。实例分析复杂轴设计案例分析输入标题问题二问题一轴设计常见问题及解决方案轴的强度不足。解决方案：增加轴的直径或选择更高强度