機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第十二章軸

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第十二章軸匯報(bào)人：AA2024-01-18AAREPORTING目錄軸概述與分類(lèi)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析軸強(qiáng)度計(jì)算與校核軸剛度計(jì)算與校核軸振動(dòng)穩(wěn)定性分析軸疲勞強(qiáng)度分析PART01軸概述與分類(lèi)REPORTINGAA軸是機(jī)械中傳遞扭矩和承受彎矩的重要零件，用于支撐旋轉(zhuǎn)零件并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。軸的定義軸在機(jī)械中起到連接、支撐和傳遞動(dòng)力的作用，是機(jī)械裝置中的關(guān)鍵部件。軸的作用軸定義及作用同時(shí)承受彎矩和扭矩的軸，如電機(jī)軸。只承受彎矩而不傳遞扭矩的軸，如自行車(chē)前叉軸。軸分類(lèi)與特點(diǎn)心軸轉(zhuǎn)軸傳動(dòng)軸：主要承受扭矩而不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，如汽車(chē)傳動(dòng)軸。軸分類(lèi)與特點(diǎn)直軸軸線(xiàn)為直線(xiàn)的軸，如普通車(chē)床主軸。曲軸軸線(xiàn)為曲線(xiàn)的軸，如內(nèi)燃機(jī)曲軸。軸分類(lèi)與特點(diǎn)實(shí)心軸截面為圓形的實(shí)心體，如電機(jī)轉(zhuǎn)子軸?？招妮S截面為中空的圓形或方形等形狀，如機(jī)床主軸。軸分類(lèi)與特點(diǎn)設(shè)計(jì)要求與選材足夠的強(qiáng)度和剛度保證軸在正常工作條件下不發(fā)生斷裂或過(guò)大的變形。良好的耐磨性軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中需要承受摩擦和磨損，因此要求材料具有良好的耐磨性。良好的抗疲勞性能：軸在交變應(yīng)力作用下容易發(fā)生疲勞斷裂，因此要求材料具有良好的抗疲勞性能。設(shè)計(jì)要求與選材選材原則根據(jù)軸的承載能力和工作要求選擇合適的材料，如碳鋼、合金鋼、鑄鐵等。考慮材料的工藝性和經(jīng)濟(jì)性，選擇易于加工且成本合理的材料。對(duì)于有特殊要求的軸，如耐腐蝕、耐高溫等，需要選擇相應(yīng)的特殊材料。01020304設(shè)計(jì)要求與選材PART02軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析REPORTINGAA包括軸頭、軸頸、軸身、軸肩、軸環(huán)、軸端等部分，各部分具有不同的功能。軸的基本結(jié)構(gòu)軸的毛坯軸的材料軸的毛坯一般采用棒料、鍛件或鑄件，具體選擇取決于軸的尺寸、形狀和技術(shù)要求。軸的材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐磨性，常用的材料有碳素鋼、合金鋼等。030201結(jié)構(gòu)組成要素零件的固定軸上零件的固定方式主要有緊配合、過(guò)盈配合、過(guò)渡配合等，具體選擇取決于零件的結(jié)構(gòu)和工作條件。零件的定位軸上零件的定位方式主要有軸向定位和周向定位兩種，軸向定位可采用軸肩、軸環(huán)、套筒等結(jié)構(gòu)，周向定位可采用鍵連接、花鍵連接等方式。零件的裝拆軸上零件的裝拆應(yīng)方便、可靠，一般采用拆卸工具進(jìn)行裝拆，如拆卸環(huán)、拆卸套等。軸上零件定位與固定方法設(shè)計(jì)原則軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐磨性、振動(dòng)和噪聲等設(shè)計(jì)原則，確保軸在正常工作條件下具有足夠的承載能力和穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化可采用輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方法，通過(guò)減少材料用量、優(yōu)化截面形狀等措施，提高軸的承載能力和經(jīng)濟(jì)效益?？煽啃栽O(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮可靠性因素，如疲勞強(qiáng)度、耐磨性、耐腐蝕性等，采用相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和措施，提高軸的可靠性和使用壽命。軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及優(yōu)化PART03軸強(qiáng)度計(jì)算與校核REPORTINGAA當(dāng)軸受到垂直于軸線(xiàn)的外力作用時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，此時(shí)軸內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。彎曲應(yīng)力概念彎曲應(yīng)力的大小與外力矩、截面慣性矩、軸的材料彈性模量等因素有關(guān)，可通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。彎曲應(yīng)力計(jì)算公式在橫截面上，彎曲應(yīng)力沿軸線(xiàn)方向呈線(xiàn)性分布，中性軸處應(yīng)力為零，最大應(yīng)力發(fā)生在離中性軸最遠(yuǎn)的點(diǎn)上。彎曲應(yīng)力分布規(guī)律彎曲應(yīng)力分析及計(jì)算03扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布規(guī)律在橫截面上，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力呈環(huán)形分布，最大應(yīng)力發(fā)生在軸表面，中心處應(yīng)力為零。01扭轉(zhuǎn)應(yīng)力概念當(dāng)軸受到扭矩作用時(shí)，軸會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，此時(shí)軸內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。02扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計(jì)算公式扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的大小與扭矩、截面極慣性矩、軸的材料剪切模量等因素有關(guān)，可通過(guò)相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算。扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分析及計(jì)算當(dāng)軸同時(shí)受到彎曲和扭轉(zhuǎn)作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生組合變形，此時(shí)需要綜合考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響進(jìn)行強(qiáng)度校核。組合變形概念可采用第四強(qiáng)度理論進(jìn)行組合變形下的強(qiáng)度校核，綜合考慮彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的影響，計(jì)算出等效應(yīng)力并進(jìn)行比較。強(qiáng)度校核方法在進(jìn)行組合變形下的強(qiáng)度校核時(shí)，需要準(zhǔn)確確定軸的受力情況、截面形狀和尺寸、材料力學(xué)性能等參數(shù)，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。注意事項(xiàng)組合變形下強(qiáng)度校核PART04軸剛度計(jì)算與校核REPORTINGAA彎曲剛度定義軸的截面形狀和尺寸材料特性載荷及約束情況彎曲剛度概念及影響因素軸在受到彎曲力矩作用時(shí)，抵抗變形的能力。彈性模量E越大，彎曲剛度越高。截面形狀越合理，尺寸越大，彎曲剛度越高。載荷增大或約束條件減弱，軸的彎曲變形增大，剛度降低。軸在受到扭矩作用時(shí)，抵抗扭轉(zhuǎn)變形的能力。扭轉(zhuǎn)剛度定義截面極慣性矩Ip越大，扭轉(zhuǎn)剛度越高。軸的截面形狀和尺寸剪切模量G越大，扭轉(zhuǎn)剛度越高。材料特性扭矩增大，軸的扭轉(zhuǎn)變形增大，剛度降低。載荷情況扭轉(zhuǎn)剛度概念及影響因素采用空心截面、增大截面尺寸等方法提高彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。合理選擇軸的截面形狀和尺寸采用高強(qiáng)度鋼、合金鋼等材料，提高軸的剛度。選用高強(qiáng)度材料如噴丸、碾壓等表面強(qiáng)化處理，提高軸的表面硬度，從而提高剛度。采用表面強(qiáng)化處理減少應(yīng)力集中、降低軸的重量等措施，有利于提高軸的剛度。優(yōu)化軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高軸剛度措施PART05軸振動(dòng)穩(wěn)定性分析REPORTINGAA由于軸的質(zhì)量分布不均或加工誤差等原因，導(dǎo)致軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生不平衡力，進(jìn)而引發(fā)振動(dòng)。不平衡力當(dāng)軸的旋轉(zhuǎn)速度接近其固有頻率時(shí)，會(huì)激發(fā)軸的共振，使振幅迅速增大。共振振動(dòng)產(chǎn)生原因及危害振動(dòng)產(chǎn)生原因及危害加速疲勞破壞振動(dòng)會(huì)加速軸的疲勞破壞，縮短軸的使用壽命。影響精度振動(dòng)會(huì)影響軸上零部件的工作精度和穩(wěn)定性。產(chǎn)生噪聲振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響工作環(huán)境和人員健康。振動(dòng)產(chǎn)生原因及危害03當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速接近或等于臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，軸的振動(dòng)會(huì)急劇增加，甚至可能導(dǎo)致軸的破壞。01臨界轉(zhuǎn)速概念02臨界轉(zhuǎn)速是指軸在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，由于自身質(zhì)量分布不均或外部激勵(lì)等因素，導(dǎo)致振幅突然增大的特定轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速概念及計(jì)算方法解析法通過(guò)建立軸的數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值計(jì)算方法求解臨界轉(zhuǎn)速。這種方法適用于簡(jiǎn)單軸系的計(jì)算。實(shí)驗(yàn)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段測(cè)量軸的振動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而確定臨界轉(zhuǎn)速。這種方法適用于復(fù)雜軸系的計(jì)算。有限元法利用有限元分析軟件對(duì)軸進(jìn)行建模和計(jì)算，可以得到較為精確的臨界轉(zhuǎn)速值。臨界轉(zhuǎn)速概念及計(jì)算方法030201ABCD平衡軸的質(zhì)量分布通過(guò)精確的加工和裝配技術(shù)，減小軸的質(zhì)量分布不均，降低不平衡力對(duì)軸振動(dòng)的影響。采用減振措施在軸上安裝減振裝置，如橡膠隔震支座、阻尼器等，以吸收或減小振動(dòng)的能量傳遞，提高軸的振動(dòng)穩(wěn)定性。控制外部激勵(lì)源對(duì)電機(jī)、齒輪等傳動(dòng)部件進(jìn)行精確的控制和調(diào)整，減小其對(duì)軸振動(dòng)的激勵(lì)作用。優(yōu)化軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如增加支撐剛度、減小懸臂長(zhǎng)度等，提高軸的剛度和阻尼特性，從而降低振動(dòng)幅度。提高軸振動(dòng)穩(wěn)定性措施PART06軸疲勞強(qiáng)度分析REPORTINGAA疲勞裂紋在交變應(yīng)力作用下，軸表面或內(nèi)部產(chǎn)生微小裂紋，逐漸擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。疲勞斷裂疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度后，軸的剩余截面無(wú)法承受外載荷，發(fā)生瞬間斷裂。原因分析交變應(yīng)力作用下材料內(nèi)部微觀(guān)缺陷（如夾雜、氣孔等）引發(fā)應(yīng)力集中，導(dǎo)致疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展。疲勞破壞現(xiàn)象及原因環(huán)境因素溫度、濕度、腐蝕介質(zhì)等環(huán)境因素也會(huì)對(duì)疲勞極限產(chǎn)生影響。應(yīng)力集中軸截面變化、鍵槽、孔等引起的應(yīng)力集中會(huì)降低疲勞極限。表面質(zhì)量軸表面的粗糙度、加工痕跡、腐蝕等因素都會(huì)影響疲勞極限。疲勞極限定義材料在無(wú)限多次交變應(yīng)力作用下而不發(fā)生破壞的最大應(yīng)力值。材料性能材料的強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能對(duì)疲勞極限有重要影響。疲勞極限概念及影響因素表面強(qiáng)化處理對(duì)軸表面進(jìn)行噴丸、碾壓等強(qiáng)化處理，提高表面質(zhì)量和抗疲勞性能。合理選