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主题:【原创】关于古代车辆车轴与实用金属关系的讨论 -- ziyun2015

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家园 车轴的力学分析

楼主和桥上等网友讨论古代车轴和可能的材料,我个人认为步骤太快了。我想从力学角度分析一下。这些都是20多年前学的,万一记忆错误还请大家指正。

记得当年学理论力学,材料力学和机械设计,我们一般是三步走。第一步是受力分析,第二步是应力计算,第三步根据应力计算的结果确定材料和设计,其中第二和第三步可以循环迭代。具体到古代车子都依靠人力或畜力驱动,没有发动机,所以车轴是不传递扭矩的轴,英语是axle,而现代汽车的驱动轴传递扭矩,英语是shaft。很明显现代驱动轴承受的载荷更大,属于弯矩和扭矩叠加在一起的复合载荷,这样的载荷对轴的具体要求是内韧外刚,经过调质处理,并表面硬化的中碳钢是最好。

在排除驱动轴之后,还有两种办法把车轮和车身连接在一起。其一是车身下部固定一个梁,在梁的两头套上轴承,车轮套在轴承上。这样梁和车身固定连接,车轮在梁上转。这种情况,车梁因为不转动,所以只受静止的弯矩,基本上就是梁的上半部受压应力,下半部受拉应力,鉴于木头受压比受拉能力强,对梁的下半部加强就好了。其二是车轮固定在车轴上,车轴通过轴承固定在车身上,车轴相对于车身转动,但是车轴和车轮间无相对转动。这种情况车轴主要承受变化的弯矩,也就承受变应力具体到车轴的某一点,它转到上方的时候受压应力,下方的时候受拉应力,中间位置时由弯矩产生的应力是零。变应力比静应力对材料的要求高,所以车轴的材料应该比车梁的要求高。当然这两种解决方案都用到轴承,轴承的受力也类似。

通宝推:桥上,
家园 这是专家来了,十分感谢

我并不是搞机械的,所以基本是外行,也不敢多说什么。

其实我只是想要说古代车轴和车毂有用木头的,还不少,至于有没有用金属的,我没见过,不敢说。

对于清华的文章,也没看过全文,只能一般地说,如果一定要确定过去的车一定要用金属件,那至少要在两方面都站住脚,一方面是考古证据,我看不出来怎样能站住脚,但也说不好。一方面是理工科的试验,至少要用古人的材料和机构做出木头车和带金属件的车,经过试验证明木头车无法使用——这不等于金属件不优于木头件,好比金属件“摩托小时”(比喻)100,金属件200,就不等于木头件不存在或无法使用。何况还有其他因素,好比青铜在当时十分贵重,得来不易,这是有不少文献证据的,那么大规模用在车上,到底怎样。

这里头还有个难点,真要试验,青铜虽然都是青铜,但也分很多种,其实木头也分很多种,这里头麻烦大了。

总而言之,我是被扯进来的,本来只想提出得考虑考古证据,说有易说无难,真没那能力细细讨论,现在您这专家进来解惑,太感谢了。

家园 不敢当专家,这是机械工程师的专业基础课

您太客气了,我看着大家讨论的好玩,也进来插几句话而已。这都是20多年前学的,忘了很多了。

家园 其实双方讲不清的就是轴承和轴承发明前的轮轴承重摩擦部件

木头轴承和类木头木头轴承需要左右上下固定,中间还有注入油脂类润滑剂的空间,于是就有了釭,锏,錧和钏等专用名词。普通人对这些名词还没理解清楚,就直接跳到金属和非金属,历史制作工艺等。和螺旋桨,喷气机原理都没讲,就讨论为什么喷气悬翼直升机被淘汰?于是直接跳到阴谋论。

家园 我咋觉得车轴和车轮连接的地方应该是剪力控制泥

既然你说轮在梁上转,我的理解车轴就是伸出来那一点。把整个梁简化为简支的话,这个位置应该是剪切控制。

至于轴承,滚动轴承当时技术做不到,滑动轴承,那么低的速度根本无法形成油膜。这就涉及到润滑力学的范畴了

另外,材料力学和机械设计之间还有一门机械原理。不过古代的车,用不着机械原理的知识。🤣😂

家园 首先要搞清楚是车轴还是车梁

如果是车梁,确实考虑轴承的受力是重点,主要是剪应力。如果是车轴的话,轴承处的剪应力要考虑,车轴由弯矩引起的拉压变引力也要考虑。

当年学机械设计之前确实要先学机械原理。记得学机械原理后的课程设计题目是设计计算曲柄连杆机构,机械设计的课程设计是设计轴承。

其实轴承这东西挺好玩的,低转速,低要求的场合用滑动轴承,高速但是承重不是太大的用滚动轴承,到高速高载荷的时候有用回滑动轴承。发电设备几十上百吨的转子都用滑动轴承。

家园 我也认为轴承是关键

但是他们的讨论老是围绕车轴,所以我就想办法来个力学分析。

家园 我的意思相仿

那就是有用木头的,而且是从先秦用到现代。并且试图说明,如果金属用的不好,反而更容易磨损车轴。还见过毂用铁皮,而不是用金属构件的。

后面Z兄举出的明清马车,都是巨大构件,而且有完整的加固结构,和我见到的驴车、小车不一样。但是这里说的是先秦,不是一回事啊。

家园 滑动轴承才是高科技,当年用N-S方程算油膜内压

算得死去活来。当然,算齿轮润滑就更变态了,幽默内压基本和金属弹性模量一个量级了,需要考虑齿轮的变形。

俺们机械设计的课程设计是齿轮箱,包括轴承。当时印象最深的是,算一个齿轮怎么要校核那么多参数啊,除了强度、刚度、还要校核表面硬度,林林总总十几个参数。

家园 我们也是设计齿轮箱

记忆还是有问题。

家园 这个在毂外面,没法当轴承的。剖面没意义。

只是起固定作用。

家园 老了,我们很快都要结束奔五了。

每次看你认认真真的样子,我都非常佩服。现在的西河,我做不到。

家园 不知到动图是否能显示

点看全图

家园 看起来GIF格式的图显示不出来
家园 事实:没有錧的剖面图,从事实跳到“意义”没有意义😊
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