机械设计中的轴系稳定性分析与优化研究
机械结构的设计
如图6-2所示减速器结 构中，齿轮传动所受到的 力通过轴传递给轴承，其 中的径向力和切向力通过 轴承传递给箱体，轴向力 经轴承传递给端盖，再经 端盖传递给箱体。
例如螺栓和螺母的螺纹工作表面共同设计，滑动轴承与 轴的轴颈表面共同设计，主动齿轮和被动齿轮的齿廓表面 共同设计。
鉴于工作表面对零件工作能力影响的重要 性，因而常用零件工作表面的设计计算方法有 相应的标准(有些属于国家标准)，这些标准所 规定的算法严格、统一、规范。
连接表面
连接表面将各个工作表面连接成为完整形体，并保证 零件的工作表面的形状、尺寸和位置在工作中不被破坏。
如图6—7所示的轴系结构中，轴系工作中会因发热使 轴伸长，轴承端盖与滚动轴承外圈应不接触，否则端盖可 能参与轴向力的传递，使工作状态不明确。
2．简单
➢ 在结构设计中，在同样可以完成功能要求的条件下， 应优先选用结构较简单的方案。
➢ 结构简单体现为结构中包含的零部件数量较少，专用 零部件数量较少，零部件的种类较少，零件的形状简单， 被加工面数量较少，所需加工工序较少，结构的装配关 系较简单。
注意以下几点：
1)如果在某些结构中追求等强会增大成本，则应放弃等强 原理。
例如在滚动轴承轴系结构设计中，同一轴系两端的两个轴承 通常受力不同，如果要求其工作寿命或承载能力相同，就需 要选用不同型号的轴承，这虽然可以降低轴承成本，但是会 增大加工轴承孔的工艺成本，所以应放弃等强原理。
船舶推进轴系振动与功率测量分析研究
讨论
根据实验结果和分析，本次演示对船舶轴系振动的原因进行了深入探讨。研 究发现，船舶轴系振动主要受到螺旋桨激振力、轴系不平衡等因素的影响。为了 有效控制船舶轴系振动，可以从以下几个方面入手：
1、优化螺旋桨设计，减小螺旋桨的激振力。通过改变螺旋桨的叶片形状、 数目等参数，降低螺旋桨运转过程中产生的激振力，从而降低船舶轴系振动的幅 度。
文献综述
近年来，国内外学者针对船舶推进轴系振动问题进行了广泛的研究。研究内 容主要包括推进轴系的模态分析、振动特性分析、振动故障诊断等方面。
在模态分析方面，研究者通过有限元方法对推进轴系进行模态模拟，得到了 轴系的固有频率和振型。研究表明，推进轴系的模态特性与船舶的动力学特性密 切相关。
在振动特性分析方面，研究者对推进轴系在不同工况下的振动响应进行了测 量和分析。结果表明，推进轴系的振动响应受到船舶运行工况、推进轴系结构及 材料等因素的影响。
在振动故障诊断方面，研究者通过对比正常和故障轴系的振动数据，利用谱 分析、小波变换等信号处理方法，实现了对推进轴系故障的早期发现和诊断。
然而，现有研究大多于推进轴系的振动特性和故障诊断，而对推进轴系振动 的抑制方法研究较少。因此，本研究将针对这一问题展开探讨。
研究方法
本研究采用实验测试与数值模拟相结合的方法，对推进轴系的振动进行抑制 研究。首先，利用振动测试设备对推进轴系的振动响应进行实验测试，获取丰富 的实验数据。然后，通过有限元方法对推进轴系进行建模，并对模型进行动力学 分析，得到轴系的模态频率和振型。
1、在实验测试方面，由于测试设备和条件的限制，未能对不同类型和规模 的船舶推进轴系进行全面的测试和分析。因此，未来的研究可以进一步拓展实验 测试的范围，以验证方法的普适性和有效性。
基于有限元原理的传动轴系扭振分析
尤 其 在 机 械 设计 中 ，对 机 构 的动 态 特 征 进 行 分 析 ， 更 少不 了对有 限元的应 用。 而作为机械设计 的主要的能量传 件。 对于 一些几何形状 比较 规则的 问题或性质较 为简 单的 方程 ， 可以采用解析 方法进行 求解 ， 但 是 很 多 问题 的 方程 递 的轴 的设计 ， 为保证 能量传 递 的效 率 ， 对其 的分析 是必
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ２ ２
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ４ ３ １ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ７ — ０ ０ ３ ７ — ０ ２
０ 引 言
算机辅助设计技术 与优化 设计 的有机结 合。可以预计 ， 在
在 当前 技术和理 论条件 下 ， 人们 通过 各种 方式 ， 掌 握 未来 的科学技术发展 中 ， 有限单元法必将 发挥越来越重要 了技 术 工 程 领 域 内 很 多 物 理 问 题 和 力 学 问 题 的基 本 方 程 的作 用 。 （ 常微分方程或偏微 分方程 ） ， 并且还获得 了相 应 的定解 条
摘要 ： 本 文针对机械设计 中传动轴的的运 动特点与设 计需要 ， 提 出了一种利用有限元原理 ， 对其 实际运作时 因轴 系扭振 而产 生对 轴的磨损 与能量损耗 问题 的解 决办法， 并举一 实例 ， 为传动轴 的合理设计提供 了参考。
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究
船舶柴油机的轴系扭转振动的分析与研究【摘要】本文通过一些国内因轴系扭转振动而引起的断轴断桨的事故实例，来分析引起轴系扭转振动的主要原因，分析扭振主要特性，并提取一些减振和防振的基本控制措施。
【关键词】船舶柴油机轴系扭振危害分析措施在现代船舶机械工程中，船舶柴油机轴系扭转振动已经成为一个很普遍的问题，它是引起船舶动力装置故障的一个很常见的原因，国内外因轴系扭转而引起的断轴断桨的事故也屡见不鲜，随着科学水平的提高和航运业的发展，人们越来越重视船舶柴油机组的轴系扭转振动，我国《长江水系钢质船舶建造规范》和《钢质海船入级与建造规范》（简称《钢规》）和也均规定了在设计和制造船舶过程中，必须要向船级社呈报柴油机组的轴系扭转振动测量和计算报告，以此来表明轴系扭转振动的有关测量特性指标均在“规范”的允许范围内。
1 船舶柴油机轴系扭转振动现象简介凡具有弹性与惯性的物体，在外力作用下都能产生振动现象。
它在机械，建筑，电工，土木等工程中非常普遍的存在着。
振动是一种周期性的运动，在许多场合下以谐振的形式出现的，船舶振动按其特点和形式可分为三种，船体振动，机械设备及仪器仪表振动，和轴系振动。
船舶柴油机轴系振动按其形式可分为三种：扭转振动，纵向振动，横向振动。
柴油机扭转振动主要是由气缸内燃气压力周期性变化引起的，它的主要表现是轴系上各质点围绕轴系的旋转方向来回不停的扭摆，各轴段产生不相同的扭角。
纵向振动主要是由螺旋桨周期性的推力所引起的。
横向振动主要是由转抽的不平衡，如螺旋桨的悬重以及伴流不均匀产生的推力不均匀等的力的合成。
船舶由于振动引起的危害不但可以产生噪音，严重影响旅客和船员休息，还会造成仪器和仪表的损害，严重的时候甚至出现船体裂缝断轴断桨等海损事故，直接影响船舶的航行安全。
而在船舶柴油机轴系的三种振动中，产生危害最大的便是扭转振动，因扭转振动而引起的海损事故也最多，因此对扭转振动的研究也最多。
而且当柴油机轴系出现扭转振动时，一般情况下，船上不一定有振动的不适感，因此这种振动也是最容易被忽视的一种振动形式，一旦出现扭转振动被忽视，往往意味着会发生重大的事故。
机械设计实验报告
基本内容
1．熟悉减速箱的基本结构，了解常用减速箱的用途及特点。
2．了解减速箱各组成零件的结构及功用，并分析其结构工艺性。
3．了解减速箱中零件的装配关系及安装、调整过程。
4．测定方法。
实验步骤
1．观察减速器的外形，用手来回推动减速器的输入输出轴，体会轴向窜动；打开观察孔盖，转动高速轴，观察齿轮的啮合情况。注意观察孔开设的位置及尺寸大小；通气器的结构及特点；螺栓凸台位置（并注意扳手空间是否合理）；轴承座加强筋的位置及结构；吊耳及吊钩的型式；减速器箱体的铸造工艺特点以及加工方法。特别要注意观察箱体与轴承盖接合面的凸台结构。
4、绘制轴系结构草图
5、测量零件结构尺寸（支座不用测量），并作好记录。
6、将所有零件放入实验箱内的规定位置，交还所借工具。
7、根据结构草图及测量数据，在图纸上用1：1比例绘制轴系结构装配图要求装配关系表达正确，注明必要尺寸（如轴承跨距，齿轮直径与宽度，主要配合尺寸），填写标题栏和明细表。
三、实验总结：
(2)了解轴、轴承、联轴器与离合器等轴系零部件的类型、结构特点、工作原理、装配型式、常用材料、失效形式及应用场合等。
2．机械传动
(1)了解各种带传动的类型、结构特点、工作原理、运动特性、张紧方法及失效形式等。
(2)了解齿轮传动的类型、常用材料、加工原理、结构形式、工作原理、受力分析及失效形式等。
(3)了解蜗杆传动的类型、常用材料、结构形式、工作原理、受力分析、自锁现象及失效形式等。
通过本次实验，让我脱离课本实践了解轴的作用，通过课本学到的知识，会考虑轴的选择及其作用。通过描绘轴的结构，深刻意识到轴的固定方式，及其轴上零件的定位和固定，现场的观察和老师的解答让我印象深刻。加深了对轴结构的理解。
机械设计认识和理解
机械设计：理解、探索与实践机械设计，这是一个在工程领域中不可或缺的概念。
它不仅仅是关于机器的制造，更是关于如何理解机器的工作原理，如何运用科学和工程原则，以满足特定需求的过程。
首先，我们需要理解机械设计的基本原理和方法。
机构运动简图绘制是理解机器如何运作的关键，它能帮助我们识别和理解机器中的各个部件以及它们之间的运动关系。
力学分析则帮助我们了解部件在运动过程中所受到的力和力矩，从而预测和优化机器的性能。
同时，材料选择也是设计中重要的一环，我们需要选择具有适当强度、刚度和耐磨性的材料，以确保机器的稳定性和寿命。
在机械设计中，齿轮传动和轴系结构是两个核心组件。
齿轮传动通过改变两齿轮间的齿合比例来传递运动和动力，其设计需要考虑到齿轮的载荷分布、齿面接触疲劳强度和齿根弯曲疲劳强度等因素。
轴系结构则需要确保轴的支撑、固定和平衡，以防止过大的振动和变形。
此外，我们还需要理解机械系统各部分之间的相互作用和关系。
每个部件都在系统中发挥着特定的作用，并且各部件之间的配合和协调对整体性能有着重要影响。
因此，优化整体性能需要我们关注各部件之间的协调与配合，以及如何在满足性能要求的同时降低成本和增加稳定性。
在实际应用中，我们可以通过分析和理解具体项目的需求和目标来进行有效的机械设计。
以一个典型的汽车发动机为例，为了确保其质量和效率，设计师需要考虑曲柄机构、气门和气缸等关键部件的设计。
曲柄机构需要保证各部件之间的运动协调，气门和气缸则需要保证良好的密封性和耐久性。
现代高端技术如数字化建模和模拟仿真为机械设计带来了新的可能性。
数字化建模使得设计师可以在计算机上快速创建和修改模型，大大提高了设计效率。
模拟仿真则允许设计师在真实运行条件下的对机器性能进行预测和优化，从而减少了原型制作和试验的时间与成本。
总的来说，机械设计是一个需要深入理解、探索和实践的领域。
它需要我们掌握各种原理和方法，同时结合实际项目进行实践和优化。
随着科技的不断发展，我们有理由相信，未来的机械设计将更加高效、精准和可持续，为人类创造更多的便利和价值。
机械设计实验指导书
《机械设计》实验指导书前言实验是机械设计课程中重要的实践性环节，通过实验不仅可以验证理论知识，加深对理论知识的理解，而且可以培养同学的动手能力，观察分析能力和勇于探索的创新精神。
机械设计实验是《机械设计》课程的重要实践环节，其教学目标是使学生更好地理解和深刻地把握课程的基本知识，并在此基础上训练学生动手能力、综合分析问题和创新设计的能力，按照《机械设计》课程教学大纲的要求，编写了此实验指导书，设置的具体实验项目：带传动效率实验、轴系结构设计与分析实验、减速器拆装实验3项实验。
实验一 带传动效率实验实验学时：2 实验类型：验证一、实验目的了解带传动实验台的组成和工作原理；观察带传动中的弹性滑动现象，以及它们与带传递的载荷和转速之间的关系。
测定传动效率和滑动率与所传递的载荷和转速之间的关系，绘制带传动的效率曲线和滑动曲线。
二、实验原理、方法和手段带传动原理是张紧在至少两轮上带作为中间挠性件，靠带与轮接触面间产生摩擦力来传递运动与动力。
带传动的效率，当主动轮与从动轮直径相等，即传动比i=1时，可按下式求得1122n T n T ==主动轮的功率从动轮的功率η式中：T 1 ——输入力矩，N·m ；T 2 ——输出力矩，N·m ； n 1 ——输入转速，r/min ； n 2 ——输出转速，r/min 。
由于带的紧边与松边拉力不等，使带的两边弹性形变不等引起带与轮面的微量相对滑动称为弹性滑动。
带传动在工作中的滑动程度用滑动系数ε表示，它是随负载的大小而变化的。
可按下式求得121n n n -=ε 式中： n 1 ——输入转速，r/min ； n 2 ——输入转速，r/min 。
滑动曲线就是表示带在不同负载时滑动的程度的曲线，可分别以主动轮转速和负荷档位为横坐标，以滑动系数ε为纵坐标来绘制。
三、实验条件1．柜式带传动效率测试分析实验台。
2．笔、草稿纸(此项自带)。
四、实验内容与步骤1．根据实验要求加初拉力（调整张紧螺丝）。
机电一体化系统设计课件——第2章(5)：机械系统的部件选择与设计(轴系)
微型滚动轴承
精 密 分 度 头 主 轴 系 统
上图为一精密分度头主轴系统。它采用的是密 珠轴承，主轴由止推密珠轴承2、4和径向密珠轴承1、 3组成。这种轴承所用滚珠数量多且接近于多头螺旋 排列。由于密集的钢珠有误差平均效应，减小了局 部误差对主轴轴心位置的影响，故主轴回转精度有 所提高；每个钢珠公转时沿着自己的滚道滚动而不 相重复，减小了滚道的磨损，主轴回转精度可长期 保持。实践证明，提高钢珠的密集度有利于主轴回 转精度的提高，但过多地增加钢珠会增大摩擦力矩。 因此，应在保证主轴运转灵活的前提下，尽量增多 钢珠数量。图b为推力密珠轴承保持架孔分布情况， 图c为径向密珠轴承保持架孔的分布情况。
液体静压轴承工作原理
液体静压轴承工作原理 1、2、3、4-油腔；5-金属薄膜；6-圆盒；7-回油槽；8-轴套
磁悬浮轴承工作原理
磁悬浮轴承是利用磁场力将轴无机械摩擦、无润滑地悬浮在空间的一种新型轴承。其工 作原理如下图所示。径向磁悬浮轴承由转子(转动部件)6和定子(固定部件)5两部分组成。定子 部分装上电磁体，保持转子悬浮在磁场中。转子转动时，由位移传感器4检铡转子的偏心，并 通过反馈与基准信号l(转子的理想位置)进行比较，调节器2根据偏差信号进行调节，并把调节 信号送到功率放大器3以改变电磁体(定子)的电流，从而改变磁悬浮力的大小，使转子恢复到 理想位置。 径向磁悬浮轴承的转轴(如主轴一般要配备辅助轴承，工作时辅助轴承不与转轴接触当断 电或磁悬浮失控时能托住高速旋转的转轴，起到完全保护作用。辅助轴承与转子之间的间隙 一般等于转子与电磁体气隙的一半。轴向悬浮轴承的工作原理与径向磁悬浮轴承相同 。
会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整 个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。又由 于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或 滚动轴承的承载能力降低。
机械设计轴的设计计算
机械设计轴的设计计算
机械设计轴的设计计算主要包括以下几个方面：
1. 轴的尺寸计算：根据所需的扭矩及转速计算轴的直径及轴长，选择合适的轴材料及表面加工方式。
2. 轴的强度计算：根据轴材料的抗拉强度、抗压强度、弹性模量等参数，计算轴的最大等效应力及安全系数。
3. 轴的转动稳定性计算：根据轴的几何形状、转动速度、转动方向等参数，计算轴的临界转速及转动稳定性。
4. 轴的支撑方式计算：根据轴的重量及受力情况，计算轴的支撑方式以及所需的轴承类型、尺寸及数量。
5. 轴的动态平衡设计：根据轴的转动速度、质量分布情况等参数，计算轴的动态不平衡力，并设计相应的平衡装置。
6. 轴的表面处理设计：根据轴的使用环境及要求，选择适当的表面处理方式，如镀铬、喷涂、硬化等，以提高轴的耐磨性及抗腐蚀性。
以上是机械设计轴的设计计算的主要内容，要根据具体情况进行细致的计算与设
计。
心得体会 轴系部件分析与测绘体会
轴系部件分析与测绘体会轴系部件分析与测绘体会实验二轴系结构的测绘与分析专业：班级：姓名：学号：一、实验目的熟悉并掌握轴、轴承、轴上零件的结构形状与功用，工艺要求，尺寸装配关系以及轴、轴上零件的定位固定方式，巩固轴系结构相关知识。
二、设备与工具圆柱齿轮轴系、蜗杆轴系、蜗轮轴系、小圆锥齿轮轴系、大圆锥齿轮轴系等，每2个同学任选一种进行分析和测绘。
工具：钢尺、游标卡尺、内卡钳、外卡钳、铅笔、记录纸等。
三、要求1、轴系结构分析分析和测绘轴系实物或模型的结构，明确轴系结构设计需要满足的要求。
了解轴的各部分的结构作用，形状尺寸，与强度、刚度、加工装配的关系，轴上各零件的用途，轴承类型、布置、安装调整方式，轴和轴上零件的定位及轴向零件固定方法，润滑和密封结构等。
2、画轴系结构装配图将测量各零件所得的尺寸，对照轴系实物，画出轴系结构装配图（图幅及比例自定）。
要求结构合理，装配关系清楚，绘图规范，注明必要的尺寸（如轴承间距，齿轮直径与宽度，主要零件配合尺寸）。
对支承的箱体部分只要求画出轴承和端盖相配合的局部。
四、实验步骤1、分析轴系结构并绘制轴系结构装配草图①打开轴系所在机器或模型的箱盖，仔细观察轴系的整体结构，观察轴上共有哪些零件，每一个轴上零件采用的是哪种定位方式。
②观察分析轴上每一个轴肩的作用，确定出哪些是定位轴肩，哪些为非定位轴肩，并分析非定位轴肩的作用。
③观察轴系结构所选用的滚动轴承的类型以及每个轴承的轴向定位与固定方式，观察轴系采用的轴承间隙调整方式、轴承的密封装置。
观察轴系的轴承组合，采用的是哪种轴向固定方式。
④观察分析每一个轴上零件的结构及作用。
⑤观察轴、轴上零件及其与相邻零件的装配关系，按比例画出轴系结构的装配草图。
2、测量有关尺寸①将轴系结构拆开并记住拆卸顺序，用钢尺与游标卡尺测量出阶梯轴上每个轴段的直径和长度。
判断各轴段直径是否符合国家标准，判断每个定位轴肩、非定位轴肩的高度是否合适。
②观察轴上的键槽，判断键槽位置是否便于加工，测出键槽尺寸，检测是否符合国家标准。
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机械设计中的轴系稳定性分析与优化研究
一、引言
在机械设计中，轴系的稳定性是一个重要的考虑因素。
轴系的稳定性直接关系
到机械系统的工作效率和寿命。
因此，研究轴系的稳定性分析与优化具有重要的理论和实际意义。
二、轴系的稳定性分析
1. 轴系的力学模型
在进行轴系的稳定性分析时，首先需要建立轴系的力学模型。
轴系的力学模型
由各个部件的刚度和质量所组成。
通过对力学模型的建立，可以求解轴系的振动特性和稳定性边界。
2. 轴系的振动分析
轴系的振动分析是稳定性分析的重要一部分。
通过对轴系的振动特性的分析，
可以了解轴系在不同工况下的振动情况。
轴系的振动分析包括自由振动和强迫振动两个方面。
3. 轴系的稳定性评价指标
对于轴系的稳定性评价，可以使用多个指标进行综合分析。
常用的指标包括振
动幅值、振动频率、振动形态等。
通过对这些指标的分析，可以评估轴系的稳定性，发现潜在的问题，并提出相应的改进方案。
三、轴系稳定性优化研究
1. 材料优化
轴系的材料是直接影响其稳定性的因素之一。
因此，在进行轴系设计时，需要选取合适的材料。
常用的材料有钢、铝合金、碳纤维等，不同材料的性能不同，可以根据实际需求进行选择。
2. 结构优化
轴系的结构是影响其稳定性的关键因素之一。
通过优化轴系的结构，可以提高其稳定性。
结构优化的方法有很多，可以通过减小轴系各部件的质量、改变轴系的几何形状等方式来提高轴系的稳定性。
3. 润滑优化
润滑是保证轴系正常运转的重要条件。
因此，在进行轴系设计时，需要优化润滑方式。
常用的润滑方式有干摩擦和液体润滑。
在选择润滑方式时，需要考虑轴系的工作环境和要求等因素。
四、轴系稳定性优化实例分析
以某型号汽车的传动轴系为例，进行轴系稳定性优化的实例分析。
通过对传动轴系的力学模型进行建立，得到传动轴系的振动特性。
然后，结合实际工况，对传动轴系的稳定性进行评估。
最后，提出相应的优化方案，如提高轴系的刚度、改变轴系的结构等。
五、结论
通过对机械设计中的轴系稳定性分析与优化的研究，可以提高轴系的工作效率和寿命。
轴系的稳定性分析是设计过程中必不可少的一部分，可以通过建立轴系的力学模型和振动分析等方法来进行。
轴系的稳定性优化是一个复杂的过程，需要综合考虑材料、结构和润滑等方面的因素。
通过合理的优化方案，可以提高轴系的稳定性，提升整个机械系统的性能。