材料扭转力学性能测试装置的设计

摘 要

轴作为机械设备中的重要组成零件，其在动力传递过程中以及导向过程都有着相

当重要的作用。在传动设备中，传动轴的工作条件是不尽相同的，而针对轴的扭转试验

可以对轴的强度进行检测和试验，最终得出结论，是否满足使用的工况。而国内对传动

轴的检测技术则一直落后于国外，因此传动轴新一代检测试验台的研发迫在眉睫。

本课题针对轴这一类型零件的材料扭转力学性能测试的试验台进行设计。通过查阅

相关的文献和资料，了解现阶段针对于此种类型的试验台的研究现状，并确定设计的

方案和布局，接着对传动的部件进行设计和计算，最终使用软件进行整体装配图和零

件图的绘制同时整理设计文件和计算内容，完成设计说明书的编写。

关键词：材料扭转，力学性能，实验平台

I

Abstract

As an important component in mechanical equipment, the shaft plays an important role

in the power transmission process and the guiding process. In the transmission equipment, the

working conditions of the transmission shaft are not the same, and the torsional fatigue test

for the shaft can test and test the strength of the shaft, and finally conclude whether the

working condition is satisfied. The domestic detection technology of the drive shaft has been

lagging behind abroad, so the development of the new generation test bench for the drive

shaft is imminent.

This project is designed for the test bench of the material torsional mechanical properties

test of the shaft type. Through reviewing the relevant literature and materials, to understand

the current research status of this type of test rig, and to determine the design and layout of

the design, then design and calculate the components of the transmission, and finally use the

software to complete the assembly drawings and parts. Drawing the drawing and finishing the

design file and calculation content, and completing the design specification.

Key words : Material torsion, Mechanical properties, Experimental platform

II

目 录

摘 要...................................................................I

Abstract................................................................II

第一章 绪 论...........................................................1

1.1 课题的研究背景及意义.................................................1

1.2 国内外研究进展.......................................................1

1.2.1 材料测试仪器发展现状.....................................1

1.2.2 扭转测试技术研究进展.......................................2

1.2.3 我国试验台研究现状.........................................3

1.3 全文研究内容及章节安排................................................4

第二章 试验台整体方案确定................................................5

2.1 试验台装置组成.......................................................5

2.2 试验台设计思路.......................................................5

2.3 调整装置结构设计......................................................6

第三章 传动机构设计......................................................7

3.1 电机的选择...........................................................7

3.2 齿轮的设计...........................................................7

3.3 轴的设计.............................................................9

第四章 轴和轴承的校核...................................................10

4.1 轴的校核............................................................10

4.1.1 轴的受力分析..............................................10

4.1.2 按当量弯矩校核轴的强度.....................................10

4.2 轴承选择与校核......................................................11

4.3 从动轴的设计和校核..................................................12

4.4 从动轴轴承的设计和校核...............................................14

第五章 结 论...........................................................15

致 谢..................................................................16

III

参考文献................................................................17

IV

第一章 绪 论

1.1

课题的研究背景及意义

众所周知，应用型材料研究的最终目的是材料性能的测试技术，主要归因于

其能够保证材料在整个使用过程中稳定性和耐久性保持一定的平衡。随着科学技

术的不断发展，材料在各个领域的应用也越来越广泛，然而在实际应用过程中，

主要受到以下几种限制:首先是复杂机械载荷，其次是 多物 理 场耦合 ，最后是 腐

蚀环境等等 。现 如今 对于材料力学性能测试技术来说，主要是针对以下几方 面 进

行测试和分析，第一方 面 是 单 一的力学，第二方 面 是 物 理以及 化 学 特 性， 面 对一

些 实际过程中 变形、损伤 机制 等等 的测试研究 还没 有 达 到一定的要 求 ，所以 必须

在测试工 艺 方 面 进一 步 完 善 和 提高 。

对材料性能进行测试过程中，主要从以下三方 面 进行展 开 :首先是要对材料

的 拉压 性能进行测试，也 包括 了弯 曲 度和 疲劳 度 等等 ，从而可以得出材料的 具 体

性能， 比较典 型的有 塑 性 、硬 度和强度 等； 其次是对材料的一 些物 理性能进行研

究， 比如 说材料的 具 体 光、声、 电 、热、磁 性 等等 这 些功 能都对材料的 具 体应用有着

很 强的 指 导性作用 ；化 学性能的测定，主要是 观察 其在 化 学条件下的相对稳定性

[1,11] 。对材料组 织 的一 些表征 则 更 为 微观 ，在对材料进行测试时，使用到了 更加精密

的技术和仪器，通过一 系列 的 表征 证明材料的相关 功 能以及构成， 比如 说我 们 对材

料的 基 本外 表 可以通过 SEM 扫描 电 镜 进行 清楚地观察 到，对其的 具 体 物质 可以通过

XRD 进行 获 得， 根据 其 具 体的出 峰位 置对 比标准卡片 来确定，相应的 元素价态 以及

含 量可以通过 XPS 进行 详细 分析 ^[11,18] 。

现 如今 以下几种材料的性能测试仪， 典 型的有扭转试验机， 阻抗 分析仪， 盐雾

试验 箱等等 ，都受到了 单 一力学， 物 理和 化 学 特 性测试的局限，在 具 体的应用过程

中， 由 于材料 会 受到其 他 外在作用的 影响 ，导致其在实际应用过程中受到了 很大 的

限制。不 仅如 此， 只 有 极少数 的材料可以通过一 些 动 态监 测来对组 织表 针进行时 刻把

握 ，也 就 是我 们 所说的 原位 测试在实际应用中几 乎没 有，最 常见 的 便 是对材料性能

以及技术 运 用的 前 景研究，材料在实际应用过程中， 微观 本 质 受到一 些破坏 时，并

不能及时的发现与研究。

据 此，本文设计了一种材料力学测试仪器扭转装置，装置主要 功 能为材料受扭

时其 他 性能参 数 的 变化规律提供 了有 效 的测试平台。

1.2 国内外研究进展

1.2.1 材料测试仪器发展现状

随着科技的不断进 步 ，对于力学 评价 体 系 也在不断完 善 中 求 得了 更加 广泛的发

展。在最 初 的测试过程中， 只 能对载荷的 拉伸 进行测试，然而现在可以对其弯 曲、 扭

1

转以及 疲劳 度 等等 进行 精 确测量，测试仪器也发 生 了 很大 的转 变 。现 如今 使用的电 子

试验机和电 液伺服 试验机， 充 分代 替 了 之前 的机械 式拉伸 试验机。 如今 这种是材料试

验机的 生产厂商 主要有以下几个 : 首先是 美 国 MTS ，其次是 德 国 Zwick ， 再 次是 日 本

岛等等 ，我 们 国 家比较典 型的有 长春 机械科学研究 院 。随着材料测试技术的不断发展

关于 热、 电 、光、声等物 理 特 性的仪器也得到了 更大 的 提升 ， 比较典 型的有以下几个

生产商 : 第一个 便 是 德 国耐 驰 ，第二个 便 是 美 国安 捷伦 ，第三个 便 是 日 本 京 都电 子 。

材料的 化 学性能进行测试的过程中，主要研究其 反 应 前 后是否稳定，是否能够在 带

来 效益 的同时不 产生 有 害 的 气 体而 污染环境 。在对 箱 内条件进行 模拟 的过程中，主要

分为以下类型，首先是 盐雾 ，其次是 紫 外 老化 ， 再 次是 箱式淋雨 ，最后是 沙尘等 试

验 箱 。

实际工作的时 候会 出现各种各 样 的 情 况，有的时 候 材料 或者 是零件 会 受到来 自

多 方 面 的 负 载，有的时 候会 在一 些 复杂的 环境 中进行，在这种复杂的 环境 中，材料

或者 是构件 就会 发 生 一 些特殊 的 变化 ，可能 会 出现 高温 下的 蠕变或者 是 韧 - 脆 转 变等 ，

现在 已经 有 很多 的仪器能够测试载荷。图 1.1 中， （ a ） 为 高温蠕变 试验机， 它 是 由

MTS 生产 ，型 号 为 GWT1304 ， 它集 成了传 统 的 蠕变 试验机和 高温箱 ，可以对材料

在 高温 下的 蠕变 性能进行 很好 的分析。 （ b ） 为应力 腐蚀 试验机， 它 是 由长春 机械科

学研究 院生产 ，作为 MFDL 系列 ， 将腐蚀介质箱加 载在 拉伸 实验机 上 ，可以 很好 的

对材料的 拉伸 力和 腐蚀 条件下的性能进行测试。 （ c ） 图为 高温盐雾腐蚀 试验机， 它

是 由长春 机械科学研究 院 设计制 造 的，作为 ZRDL-YF 系列 ， 它将高温盐雾腐蚀箱

加 载在 拉 力试验机 上 ，可以 很好 的测试 温 度以及 酸雾 下的材料性能。

图 1.1 典 型 商业化 的复 合 载荷测试装置

1.2.2 扭转测试技术研究进展

对材料力学性能进行 评价 重要 手 段 之 一是扭转测试，扭转测试可以 让 材料有 大

塑 性的 变形 ，从而能够 很好 的展现出材料的 塑 性 特点 ，得到了国内外研究 人员 的关

注 。而 且 ，随着对扭转测试的不断 深入 ，测试方 法 和测试仪器也 呈 现出 多样化 的 趋势

2

许多专家 在扭转测试中 取 得了 许多 的成 就 。

法 国的 物 理学 家 C. A. Coulomb 在 18 世纪 中后 期 对 金属丝 在受到扭转时的 抵抗

力进行分析， 他 为此发明了一种扭力 天 平，在这个 天 平中，同种电荷相 互 排 斥 ，在

对扭矩 、 扭转 角 度 、 直 径等 因 素 进行 综合 考 察 后得出了一个计算 公式 ，是扭转 问 题的

先 驱 。

法 国工 业 学 院 的工程 师 A. Duleau 以及 英 国 物 理学 家 T. Young 在 19 世纪 的时 候

也 开始探索 扭转 问 题，并 且 得出了重要结论，使得扭转 问 题得以发展。 法 国工 业 学 院

工程 师 A. Duleau 使用不一 样 的 铁 材料和 铁 结构进行了 许多 试验， 提 出了重要的 圆 轴

扭转的平 截面假 定， 如果 承扭件使用 圆形 的 截面 要 比圆管形截面差 ，而 且 这个 假 设

不能用于 棱柱铁杆 。 英 国 物 理学 家 T. Young 研究 圆 轴扭转得出， 截 平 面 内的 切 应力

提供 了扭矩， 切 应力与扭转 角 以及 距圆 轴轴 线 的 距离 成 正 相关， 纵 向应力 由纤维引

起 ，而 且 和 阻抗 作用 、大小 以及扭转 角 立 方成 正 相关。

法 国的科学 家 S. Venant 依 据 A. Duleau 的试验结 果 以及 Cauchy 的理论在 1853

年 的时 候提 出了 半逆 解 法 ，这种解 法只 需 要对力和 位 移 的一 些特征 进行 假 定，力和

位 移 的其 余 特征就 能得出，而 且 也满足与 弹 性方程。 法 国科学 家 S. Venant 对 杆 件受

扭和受弯时的 界 面形 状进行了分析， 将截面 受扭时转 角 和 切 应力进行了解 决 ，从而

完 善 了扭转测试理论，而 且 有重要的意义。 Timoshenko 和 C. Weber 认 为应 该 同时对

扭转 切 应力和 翼缘 的弯 曲切 应力进行考量，这 样 得出的扭转 角数据 才 准 确。

除 此 之 外， 近年 来有学 者 在材料扭转测试领域进行了 较 为 充 分全 面 的研究：我

国学 者 陈宝 春就 拱桥桥梁 结构 上 的 哑铃 状 钢 管 混凝土 进行了扭转试验测试，试验结

果表 明可通过 增 加高 度来有 效 增 强结构的扭转强度，并以此为 基 础 构 建 了 非 线 性有

限 元模 型。学 者 李晓阳利 用通过实验对 比 了 304 奥氏 体不 锈钢 和 16MnR 碳钢 的扭转

强度，并在载荷 线 性 加 载下完成了 两 类材料的力学试验。 P. Davies 通过 仿真 和试验

相结 合 ，对编 织 绳 探 究了扭转对编 织 绳 的 拉伸 性能的 影响 ，有研究发现编 织 绳 扭转

圈 数 越 多 ，其 抗拉 强度越 低 ， 但 扭转 圈 数 与其 延 伸 率 呈 显著 的 正 相关关 系； 学 者 M.

Scales 利 用 数 字 图 像处 理设备对 韧 性 铝 合金 在 拉伸 和扭转作用下的 失 效形式 进行了

较 为 深入 的 探 讨 ； L. Goglio 构 建 了 沙 漏 状 陶瓷粘 接结构的有限 元模 型，并分析了结

构在受扭转 情 况下的 失 效形式； 韩 国学 者 A ． Gorospe 对 Gd BCO 涂层 导体在受 拉伸

扭转 符 合 作用下的 临界 电 流 变化 现 象 进行了研究 ； 学 者 刘 天模等人 对受扭转的 AZ31

铝棒 进行了测试，试验结 果 发现扭转 变形 在 很大 程度 上 可 提升 结构 硬 度 ； 沈 学明 基

于不同 循 环 次 数等 条件对 LZ50 中 碳钢 和 7075 铝 合金 进行了扭转复 合 试验，并通过

显 微 设备对材料在扭转作用下的 微观特 性 变化 进行了分析，对于解 释 材料在扭转作

用下的 变形损伤 机理 具 有一定的理论意义。

1.2.3 我国试验台研究现状

我国在计量检测领域有着 悠 久的发展 历史 ， 但 是相 较 于 西 方一 些 发 达 国 家 而 言 ，

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