機械設(shè)計基礎(chǔ)課件 任務(wù)4.1 軸類零件的設(shè)計總課件

溫馨提示1.請各位同學(xué)將手機關(guān)機或設(shè)置為靜音模式；2.請各組長檢查組員到位情況，課后統(tǒng)計給老師。項目四軸系零部件設(shè)計

開發(fā)團隊：機械設(shè)計基礎(chǔ)教學(xué)團隊任務(wù)4.1軸類零件的設(shè)計目錄一、任務(wù)目標(biāo)

三、程序與方法二、任務(wù)描述任務(wù)4.1軸類零件的設(shè)計四、鞏固與拓展一、任務(wù)目標(biāo)□了解軸類零件的用途和分類；□熟悉軸類零件常用材料；□根據(jù)軸類零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求，合理設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)；□能夠合理確定軸類零件的軸向和徑向尺寸，設(shè)計軸類零件工作圖；□能夠完成軸的強度任務(wù)。通過本單元的學(xué)習(xí)，學(xué)生達(dá)到以下目標(biāo)：任務(wù)4.1軸類零件的設(shè)計二、任務(wù)描述1、任務(wù)內(nèi)容演示圖為單級直齒圓柱齒輪減速器，該減速器從動軸的功率P=10kw，轉(zhuǎn)速n=202r/min，從動齒輪分度圓直徑d=60mm，輪轂寬度為48mm，軸承采用輕窄系列深溝球軸承6211，試分析輸出軸的受力情況，設(shè)計該軸的結(jié)構(gòu)。2、實施條件

（1）計算器、機械設(shè)計手冊等繪圖工具；

（2）減速器三維圖。任務(wù)4.1軸類零件的設(shè)計一、軸的用途與分類

1、功用：1）支承回轉(zhuǎn)零件；2）傳遞運動和動力

三、程序與方法步驟一

認(rèn)識軸類零件做一做：把軸的分類名稱填寫到下圖相對應(yīng)圖框里。知識點（一）按軸的外形，軸類零件可分為分：直軸、階梯軸、撓性軸、實心軸、空心軸、光軸、曲軸、花鍵軸。三、程序與方法知識點（一）按軸的外形分類按承載情況分：

轉(zhuǎn)軸——扭矩和彎矩

心軸——只受彎矩

傳動軸—主要受扭矩

三、程序與方法知識點（二）直軸按承載方式分直軸零件按承受載荷的分類

分類圖例受載荷特點轉(zhuǎn)軸

減速器中的軸。轉(zhuǎn)軸是機器中最常見的軸，通常簡稱為軸。工作時既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩心軸自行車的前軸

鐵路機車的輪軸主要用于傳遞彎矩而不承受轉(zhuǎn)矩，或承受轉(zhuǎn)矩很小的軸傳動軸汽車傳動軸主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩，或承受彎矩很小的軸轉(zhuǎn)軸心軸心軸傳動軸圖：汽車后橋傳動軸傳動軸1.用自己的語言歸納：軸的功用2.減速器中的從動軸的設(shè)計與其他軸有什么不同嗎？3.軸的材料與熱處理如何進(jìn)行嗎？做一做

演示圖為單級直齒圓柱齒輪減速器，該減速器從動軸的功率P=10kw，轉(zhuǎn)速n=202r/min，從動齒輪分度圓直徑d=60mm，輪轂寬度為48mm，軸承采用輕窄系列深溝球軸承6211，試分析輸出軸的受力情況，設(shè)計該軸的結(jié)構(gòu)。二、任務(wù)描述任務(wù)4.1軸類零件的設(shè)計軸頭：軸上安裝輪轂的部分，其直徑應(yīng)與相配零件的輪轂內(nèi)徑一致，采用標(biāo)準(zhǔn)直徑。軸頸：軸和軸承配合的部分，其直徑應(yīng)符合軸承內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)。軸身：連接軸頸和軸頭的部分。軸環(huán)：軸身上的環(huán)形部分。軸肩：用于零件軸向固定的臺階。軸類零件的典型結(jié)構(gòu)步驟二分析軸的結(jié)構(gòu)三、程序與方法軸上各段的名稱分別是：軸頭、軸頸、軸肩、軸環(huán)及不裝任何零件的軸身部分。做一做填寫軸的結(jié)構(gòu)名稱

三、程序與方法軸身軸系零件的裝配過程軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計就是使各部分都具有合理的形狀和尺寸，對其要求是：1.軸的結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，軸上零件要易于裝拆；2.軸和軸上零件要有準(zhǔn)確的工作位置（定位）；3.軸與軸上零件連接要牢固可靠；4.改善受力情況，減少應(yīng)力集中。（一）設(shè)計軸結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮的因素三、程序與方法1.制造安裝要求(1）螺紋退刀槽(2）砂輪越程槽(3）不同軸段鍵槽位置(4）軸端倒角(5）軸肩圓角r(6）階梯盡可能少（二）設(shè)計軸結(jié)構(gòu)的相關(guān)知識2.零件在軸上的固定(1)軸上零件的軸向定位與固定定位：是指零件在軸上安裝到位。（位置準(zhǔn)確）固定：是指工作時零件與軸之間相對位置保持不變。（位置不動）目的：使零件在軸上有準(zhǔn)確的定位和可靠的固定，并能承受軸向力而不產(chǎn)生軸向位移。（1）軸肩和軸環(huán)（2）圓螺母（3）套筒（4）軸端擋圈（5）彈性擋圈（6）緊定螺釘2.零件在軸上的固定

能承受較大的軸向力。常用于齒輪、鏈輪等軸向定位。（1）軸肩和軸環(huán)要求軸r<倒角C（1）軸肩和軸環(huán)正確錯誤定位軸肩：r軸<R孔或r軸<C孔軸肩或軸環(huán)的高度h必須大于R孔或C孔軸肩高度<滾動軸承內(nèi)圈高度h=（0.07d＋3）～（0.1d＋5）mm軸環(huán)寬度b≈l.4h非定位軸肩：h=1.5-2mm,r<=(D-d)/2錯誤

正確要求軸肩高度<滾動軸承內(nèi)圈高度裝拆方便，可承受較大的軸向力。雙圓螺母（2）圓螺母用于距離較短、轉(zhuǎn)速不高的場合。（3）套筒注意：L軸<L轂2～3mm)注意：L軸<L轂（2～3mm)（4）軸端擋圈用于固定軸端零件，可以承受振動和沖擊。（5）彈性擋圈承受很小的軸向力。注意：畫法（6）緊定螺釘承受很小的軸向力(2)軸上零件的周向固定目的：為了傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，防止軸上零件與軸相對轉(zhuǎn)動，軸和軸上零件必須可靠地沿周向固定（聯(lián)接）。鍵過盈配合銷

花鍵4.軸上零件的周向固定（1）改善軸的受力狀況，減少應(yīng)力集中1.使軸的形狀接近于等強度條件，以充分利用材料的承載能力——制成階梯軸（三）分析軸的受力情況2.改變軸上零件的布置，有時可以減小軸上的載荷。（三）分析軸的受力情況３.改進(jìn)軸上零件的結(jié)構(gòu)也可以減小軸上的載荷。（三）分析軸的受力情況1）減小應(yīng)力集中

2）提高軸的表面質(zhì)量4、減小應(yīng)力集中，改善軸的受力情況

1.中間粗兩端細(xì)

2.軸肩高度1-3mm（定位軸鍵大）

3.軸承定位軸肩高度<軸承內(nèi)圈高度5、軸上零件的裝拆和調(diào)整

做一做軸系結(jié)構(gòu)改錯四處錯誤正確答案三處錯誤正確答案兩處錯誤1.左側(cè)鍵太長，套筒無法裝入2.多個鍵應(yīng)位于同一母線上請完成如圖所示的軸系設(shè)計。請選擇齒輪的裝配方向問題1.減速器輸出軸上中安裝的零件有哪些？問題2.上述零件的固定方式是怎樣的？問題3.在齒輪減速器中，為什么低速軸的直徑要比高速軸的直徑大得多？（五）分組討論思考并回答軸的材料種類很多，選擇時應(yīng)主要考慮如下因素：

1.軸的強度、剛度及耐磨性要求；

2.軸的熱處理方法及機加工工藝性的要求；

3.軸的材料來源和經(jīng)濟性等。

步驟三分析軸類零件的選材件三、程序與方法

軸的常用材料是碳鋼和合金鋼。

碳鋼比合金鋼價格低廉，對應(yīng)力集中的敏感性低，可通過熱處理改善其綜合性能，加工工藝性好，故應(yīng)用最廣，一般用途的軸，多用含碳量為0.25～0.5%的中碳鋼。尤其是45號鋼，對于不重要或受力較小的軸也可用Q235A等普通碳素鋼。合金鋼具有比碳鋼更好的機械性能和淬火性能，但對應(yīng)力集中比較敏感，且價格較貴，多用于對強度和耐磨性有特殊要求的軸。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，經(jīng)滲碳處理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金鋼，有良好的高溫機械性能，常用于在高溫、高速和重載條件下工作的軸。軸的常用材料及其部分性能見教材表4-1-2步驟三分析軸類零件的選材件三、程序與方法

值得注意的是：由于常溫下合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，因此當(dāng)其他條件相同時，如想通過選用合金鋼來提高軸的剛度是難以實現(xiàn)的。

球墨鑄鐵和高強度鑄鐵因其具有良好的工藝性，不需要鍛壓設(shè)備，吸振性好，對應(yīng)力集中的敏感性低，近年來被廣泛應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的曲軸等。只是鑄件質(zhì)量難于控制。

軸的毛坯多用軋制的圓鋼或鍛鋼。鍛鋼內(nèi)部組織均勻，強度較好，因此，重要的大尺寸的軸，常用鍛造毛坯。

步驟三分析軸類零件的選材件三、程序與方法做一做請同學(xué)們對任務(wù)中減速器軸的材料進(jìn)行選擇，并分析其優(yōu)越性。步驟三分析軸類零件的選材三、程序與方法設(shè)計軸的一般步驟為：1）選材2）按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑3）設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，繪出軸的結(jié)構(gòu)草圖（確定軸上零件的位置和固定方法；確定各軸段直徑、長度。）4）按彎扭合成進(jìn)行軸的強度校核。一般選2—3個危險截面進(jìn)行校核。若危險截面強度不夠或強度裕度太大，則必須重新修改軸的結(jié)構(gòu)。步驟四設(shè)計軸類零件三、程序與方法1.軸的徑向尺寸的確定軸在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，軸承間的距離尚未確定，還不知道支承反力的作用點，不能確定彎矩的大小及分布情況，所以設(shè)計時，只能先按轉(zhuǎn)矩或用類比法、經(jīng)驗法來初步估算軸的直徑(這樣求出的直徑，只能作為僅受轉(zhuǎn)矩的那一段軸的最小直徑)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，定出軸的全部幾何尺寸，最后校核軸的強度。步驟四設(shè)計軸類零件三、程序與方法1）計算法確定最小直徑步驟四設(shè)計軸類零件

若計算的截面上有鍵槽時，直徑要適當(dāng)增大。一個鍵槽時軸徑增大4%～5%，若同一截面上有二個鍵槽時，軸徑增大7％～10％，然后按表圓整至標(biāo)準(zhǔn)直徑。

步驟四設(shè)計軸類零件2）各軸段直徑確定

②軸上螺紋及花鍵部分直徑應(yīng)符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)；①與標(biāo)準(zhǔn)零件相配合軸徑應(yīng)取標(biāo)準(zhǔn)植(如軸承)；③與一般零件配合部分直徑應(yīng)與配合零件孔一致，并取標(biāo)準(zhǔn)尺寸。按軸上零件安裝、定位要求確定各段軸徑，取經(jīng)驗值

步驟四設(shè)計軸類零件1.軸的徑向尺寸確定3）經(jīng)驗法對于與電機軸相聯(lián)接的軸可取軸徑d＝(0.8～1.0)，為電機伸出軸的軸端直徑。初定的最小直徑還一定要與相配零件(如帶輪、聯(lián)軸器)的孔徑相一致，相配零件的孔徑可從有關(guān)手冊中查出。步驟四設(shè)計軸類零件2.軸段長度的確定②轉(zhuǎn)動零件與靜止零件之間必須有一定的間隙；③軸頭長度比相應(yīng)零件輪轂寬度小1-2mm。①各軸段與其上相配合零件寬度相對應(yīng)；步驟四設(shè)計軸類零件通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸、軸上零件的位置以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷（彎矩和扭矩）已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進(jìn)行強度校核計算。對于鋼制的軸，按第三強度理論，強度條件見教材。步驟五軸的強度校核三、程序與方法MPa

mm步驟五軸的強度校核三、程序與方法式中——當(dāng)量彎曲應(yīng)力，MPa，

——當(dāng)量彎矩，N·mm。

M——合成彎矩，M=N·mm其中，

為水平面上的彎矩，

為垂直面上的彎矩。

W——危險截面抗彎截面模量，mm對于實心軸段，W＝0.1(d為該軸段的直徑，mm)，步驟五軸的強度校核三、程序與方法軸的剛度計算概念軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C器應(yīng)有的工作性能。軸的彎曲剛度是以撓度y或偏轉(zhuǎn)角θ以及扭轉(zhuǎn)角ф來度量，其校核公式為：y≤[y];θ≤[θ];ф≤[ф]。式中：[y]、[θ]、[ф]分別為軸的許用撓度、許用轉(zhuǎn)角和許用扭轉(zhuǎn)角步驟五軸的強度校核三、程序與方法校核軸的強度——Mcamax

處；Mca較大，軸徑d較小處。校核軸的剛度y≤[y];θ≤[θ];ф≤[ф]（需要剛度計算的軸類零件要進(jìn)行剛度計算）如果計算所得d大于軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計d結(jié)構(gòu)，則應(yīng)重新設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)。步驟五軸的強度校核三、程序與方法條件：已知支點、扭距，彎矩

步驟：

1、作軸的空間受力簡圖步驟五軸的強度校核三、程序與方法2、求水平面支反力RH1、RH2作水平面彎矩圖

3、求垂直平面內(nèi)支反力RV1、RV2，作垂直平面內(nèi)的彎矩圖

4、作合成彎矩圖

5、作扭矩圖

6、作當(dāng)量彎矩圖

7、校核

危險截面軸的強度步驟五軸的強度校核三、程序與方法通過案例，分析軸的設(shè)計過程：

圖示為一電動機通過一級直齒圓柱齒輪減速器帶動帶傳動的簡圖。已知電動機功率為30KW,轉(zhuǎn)速n=970r/min,減速器效率為0.92，傳動比i=4,單向傳動，從動齒輪分度圓直徑d2=410mm,輪轂長度105mm,采用深溝球軸承。試設(shè)計從動齒輪軸的結(jié)構(gòu)和尺寸步驟五軸的強度校核三、程序與方法解：（1）求輸出軸的轉(zhuǎn)速與輸出功率。

n2=n1/i=970/4=242.5r/min

P2=0.92*P1=0.92*