学习情境10 轴的材料选择及设计.doc

机械设计基础教案学习情境10 轴的材料选择及设计主讲教师吴明清指导教师授课日期授课班级12模具 学习情境任务12 轴的材料及设计计算学时4能力目标1能够根据具体要求合理确定轴的形状和尺寸；2能够正确完成轴上零件的拆卸与组装训练项目设计单级齿轮减速器中的输出轴知识点轴的分类，轴的基本组成，轴的设计步骤级基本要求，轴上零件的定位和固定，提高轴抗疲劳强度的措施，轴的结构工艺性教学重点与难点1、轴的结构设计、轴上零件的轴向和周向定位方法；2、轴的强度计算方法教学方法任务驱动教学与典型案例讲解相结合教学准备课件，黑板，多媒体设备等。检测与评价职业能力(占70%)、职业素质(30%)； 评价成绩采用百分制。教案设计工作过程工作内容课前组织（5min）1 清点学生人数；2 检查授课环境；3 链接多媒体课件。任务导入（5min）轴是一种重要的非标准零件，轴的类型、结构和尺寸取决于多种因素，其中包括轴上零件及轴承的类型、尺寸及配置情况，轴上载荷的性质、大小和分布情况，轴上零件的固定方式，轴的加工和装配工艺性等。本次任务主要学习轴的类型及其应用和轴的设计。轴的设计除综合考虑上述因素外，还应注意使轴的各部分具有合理的形状和尺寸，这也是我们本任务要解决的问题。 布置任务：设计减速器中的轴试设计图所示单级斜齿圆柱齿轮减速器的输出轴。已知轴的输出功率P=7kW，转速为n=200r/min，齿轮分度圆直径d=356mm，作用在齿轮上的圆周力Ft=2656N，径向力Fr=985N，轴向力Fa=522N，轴承采用圆锥滚子轴承，轮毂宽度B=70mm，轴承跨度l=141mm，工作时为单向转动。任务要求：1分析减速器中的高速轴和低速轴, 区分它们的 结构，学生归纳轴的功用、类型和特点； 2掌握轴的材料及选择依据； 3明确轴的结构设计要求； 4. 分析轴的受力情况 5计算轴的强度和刚度； 6绘制轴的零件图。资讯（90min）2.1轴的分类按轴线形状不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性轴。直轴的轴线为直线，如图11-1至图11-4所示；曲轴的轴线为折线，是内燃机等往复式机械中的专用零件，如图11-5所示；挠性轴可以把旋转运动传到空间任意位置，如图11-6所示。直轴根据所受的载荷不同，分为心轴、传动轴和转轴三种。（1）心轴 心轴工作时只承受弯矩，不承受扭矩，主要用于支承回转零件，如车辆轴和滑轮轴。心轴又可分为固定心轴（图11-1）和转动心轴（图11-2）。（2）传动轴 传动轴工作时只承受扭矩，不承受弯矩或承受很小的弯矩，主要用于传递转矩，如图11-3所示的汽车变速器与后桥之间的传动轴。（3）转轴 转轴工作时同时承受弯矩和扭矩，既支承零件又传递转矩。转轴在各类机械中最为常见，如图11-4所示减速器中的齿轮轴。 图11-1 固定心轴 按外形不同，直轴又分为光轴和阶梯轴。考虑到轴上零件的固定、装拆和不同轴段的加工要求不同等因素，直轴通常制造成截面直径不等的阶梯轴。阶梯轴一般按等强度原则设计，两端细，中间粗，在机械中应用最为广泛，如图11-7所示。光轴各处截面直径相等，最易于加工，应力集中源少，但不便于轴上零件的装拆、固定，主要用于心轴和传动轴。一般情况下，轴都是实心轴，有时为了减轻重量、提高强度或工作需要（如送料或者作为润滑油通道），可采用空心轴，如汽车的传动轴和一些机床的主轴。2.2轴的基本组成如图11-8所示，轴上截面不等的各部分统称为轴段，轴上被轴承支承的轴段称为轴颈，轴上安装轮毂的轴段称为轴头，连接轴颈和轴头的轴段称为轴身，用作轴上零件轴向定位的台阶部分称为轴肩。2.3轴的设计步骤及基本要求轴的设计一般应解决轴的结构和承载能力两方面的问题，其设计步骤一般为：（1）选择轴的材料；（2）初步估算轴的直径；（3）进行轴的结构设计，根据需要确定各轴段的长度和直径以及圆角、倒角、退刀槽等；（4）校核轴的强度、刚度等；（5）绘制零件图。轴结构设计的基本要求有：（1）轴和轴上零件有准确的定位和固定；（2）轴上零件便于调整和装拆；（3）良好的加工工艺性；（4）形状、尺寸应尽量减小应力集中。2.4轴上零件的定位和固定为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件除了有游动或空转的要求者外，都必须进行轴向和周向定位和固定，以保证其准确的工作位置。2.4.1轴上零件的轴向定位和固定常用的轴向定位和固定方法有轴肩、轴环、套筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、紧定螺钉、轴端挡圈和圆锥面等，其特点和应用见表11-1。采用套简、轴端挡圈、螺母等作轴向固定时，应把安装零件的轴段长度做得比零件轮廓宽度短23mm，以确保套简、螺母或轴端挡圈能紧靠零件端面。另外，对于承受冲击载荷和同心度要求较高的轴端零件，可采用圆锥面定位。2.4.2轴上零件的周向定位和固定周向固定的目的是限制轴毂零件相对轴的转动，以满足机器传递运动和扭矩的要求。常用的周向固定方法有键、花键、过盈配合、紧定螺钉和销钉以及成形联接等，其中以键和花键应用最广。2.5提高轴疲劳强度的措施轴的结构、制造工艺以及轴上零件的安装布置等对轴的强度有很大的影响，所以应在这些方面进行充分考虑，以提高轴的承载能力，减小轴的尺寸和机器质量，降低制造成本。1)改进轴的结构，减小应力集中的影响。轴的截面尺寸发生突变会产生应力集中，轴的疲劳破坏往往发生在此处。为了提高轴的疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中的程度。为此，轴肩处应采用较大的30dRd/4过渡圆角半径；尽量避免在轴上开横孔、凹槽和加工螺纹；在重要结构中可采用减载槽、过渡肩环、内凹圆角以及在轮毂上车制减载槽等措施，如图11-9所示。 （a）减载槽 （b）内凹圆角 （c）过渡肩环 （d）轮毂减载槽图11-9 减小应力集中的措施2）采用合理的制造工艺。提高轴的表面质量，降低表面粗糙度，对轴表面采用碾压、喷丸和表面热处理等强化方法，均可显著提高轴的疲劳强度。3）合理布置轴上零件，减小轴的载荷。为了减小轴所承受的弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂的支承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等。图11-10所示起重卷筒的两种安装方案中，图（a）的方案卷筒轴既受弯矩又受扭矩，而图（b）的方案卷筒轴只受弯矩而不受扭矩。2.6轴的结构工艺性2.6.1轴的结构工艺要求轴的结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修的要求，轴的形状应力求简单，尺寸数尽可能少。（1）为了使齿轮、轴承等有配合要求的零件装拆方便，并减少配合表面的擦伤，轴大都采用中间轴径大而两端轴径小的阶梯轴，在配合轴段前采用较小的直径。相邻轴段直径突变不宜过大，且要用圆角过渡，同一轴上过渡圆角尽可能一致。（2）轴上需加工螺纹的轴段应有退刀槽，需磨削的轴段应有砂轮越程槽，如同一轴有多处退刀槽和越程槽时，槽的宽度要尽量一致，如图11-12所示。（3)轴上所有的键槽，应沿轴的同一母线布置，且宽度尽可能相等，如图11-13所示。（4)为便于装配，轴及轴肩端部均应制出45倒角，过盈配合轴段的装入端加工出半锥角为30的导向锥面，或在同一轴段的两个部位上采用不同的尺寸公差。（5）为便于加工，轴上圆角半径、倒角、中心孔等尺寸尽可能一致。 图11-12 退刀槽和越程槽 图11-13 键槽布置在同一母线上2.6.2拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提，它决定着轴的基本形式。拟定装配方案，即预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。例如图11-8中的装配方案是：齿轮、套简、左端轴承、轴承端盖、皮带轮依次从轴的左端向右安装，右端只装轴承及其端盖。这样就对各轴段的粗细顺序作了初步安排。拟定装配方案时，一般应考虑几个方案，进行分析比较与选择。计划与决策（5min）1.进行自愿分组。2.学习相关知识。3.明确工作思路。4.讨论任务实施注意事项。5.完成任务。6.检查评价。实施（30min）1任务分析：轴的材料是决定轴承载能力的重要因素。轴工作时主要承受弯矩和扭矩，轴的失效形式主要是疲劳断裂和磨损。因此轴的材料应具有足够的强度、刚度、韧性、耐磨性及耐腐蚀性，同时还应具有较好的制造工艺性和经济性。在初步完成轴的结构设计之后，必须对轴进行校核计算，计算准则是满足轴的强度或刚度要求，必要时还应校核轴的振动稳定性。其中，强度是保证轴正常工作的一个最基本条件。装配方案不同的轴，轴上载荷的大小和分布情况也复杂多样。因此，在对轴进行校核计算时，必须进行简化，找出合理的力学模型，然后根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法。2任务实现：2.1轴的材料轴的材料有以下几类。（1）碳素钢碳素钢比合金钢价格便宜，具有较好的机械性能，对应力集中敏感性较低，中碳优质钢经过热处理后，能获得良好的综合力学性能，应用广泛。（2）合金钢合金钢比碳素钢具有更好的机械性能和热处理性能，但对应力集中比较敏感，价格也较贵，因此多用于高速、重载、高温、要求尺寸小、重量轻、耐磨性好等特殊条件的场合。（3）铸铁球墨铸铁和高强度铸铁铸造性能好，对应力集中不敏感，吸振性和耐磨性好，价格低廉，适用于形状复杂的轴或大型转轴，例如：活塞式压缩机中的曲轴；但是冲击韧性低，铸造质量不易控制。选择轴的材料时，应考虑载荷的大小和性质、轴的重要性、结构和加工工艺等因素。轴的常用材料及其主要力学性能见课本表2.2轴的强度计算常用的强度计算方法有两种。2.2.1按扭转强度条件计算这种方法适用于只传递转矩的传动轴。对于圆截面的传动轴，强度条件为： （11-1）由上式可得轴的直径设计公式： （11-2）式中，扭转切应力，MPa；T轴所受的扭矩，Nmm；Wp轴的抗扭截面系数，mm3；n轴的转速，r/min；P轴传递的功率，kW；d计算截面处轴的直径，mm；许用扭转切应力，MPa；C由轴的材料和受载情况所决定的系数2.2.2按弯扭合成强度计算在初步完成轴的结构设计之后，通常对转轴进行弯扭合成强度校核计算。对于钢制轴，可按第三强度理论计算，强度条件为 （11-3）式中,e轴的当量应力，MPa；Me轴危险截面上的当量弯矩，Nmm；M轴危险截面上的合成弯矩，Nmm；MH轴水平面上的弯矩，Nmm；MV轴垂直面上的弯矩，Nmm；T轴所受的扭矩，Nmm；W轴危险截面的抗弯截面系数mm3，对于圆截面轴，W=0.1d3；-1b对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表11-4选用；为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数。解：（1）选择轴的材料 减速器的功率不大，且无特殊要求，因此选择45钢并作正火处理。查表11-2得b=600MPa，查表11-4得0b=95MPa，-1b=55MPa。（2）按扭转强度估算轴的最小直径 由表11-3取C=116。因最小直径处要安装联轴器，故有键槽，应将轴的最小直径加大3%7%，取d=40mm。（3）轴的结构设计 根据估算所得直径、轮毂宽度及安装情况绘制轴系结构草图，同时根据轴上零件的定位和固定方式，逐步定出各个部分的尺寸。因为是单级齿轮减速器，故将齿轮布置在箱体中间，齿轮两侧对称安装一对36210轴承，宽度为20mm，轴的外伸端安装联轴器。齿轮靠轴环和套筒实现轴向定位和固定；两端轴承分别靠轴肩和套筒实现轴向定位和固定；联轴器靠轴肩实现轴向定位。轴外伸端直径为40mm，联轴器定位轴肩直径取48mm，安装齿轮的两侧轴颈直径为50mm，为便于齿轮装配，安装齿轮处轴头直径取52mm，轴环直径取62mm，根据轴承对安装尺寸的要求，左端定位轴肩直径取57mm。各轴段的长度，由各传动零件长度，参考设计手册中的经验数据确定，如图11-15a所示。（4）计算支座反力（图11-15c及图11-15e） （5）作垂直面内的弯矩图（图11-15d）截面b左侧的弯矩为：截面b右侧的弯矩为：（6）作水平面内的弯矩图（图11-15f）（7）作合成弯矩图（图11-15g）截面b左侧的合成弯矩为：截面b右侧的合成弯矩为：（8）作转矩图（图11-15h）齿轮所受转矩为：（8）作当量弯矩图（图11-15i）因为是单向转动，可认为转矩脉动循环变化，故折算系数=-1b/0b=55/95=0.58。截面b左侧的当量弯矩为：截面b右侧的当量弯矩为：（9）计算危险截面处的直径轴的危险截面有键槽，应将轴的直径加大4%7%。即d=34.71107%=37.14mm，因为轴危险截面的直径d=52mm37.14mm，所以轴强度足够。检查与评价（15min）巡回指导检查，及时解答学生疑问。评价有教师评价与学生自评与互评相结合。评定形式比例评定内容评定标准得分自我评定20%1.学习工作态度 5分2.完成任务情况 5分3.出勤情况 5分4.独立工作能力 5分积极【5】；一般【3】；不积极【0】全部【5】；一半【3】；没有【1】全勤【5】；缺两次【3】；30%【0】强【5】；一般【3】；不强【1】小组评定30%1.学习工作责任意识 5分2.收集材料、调研能力 5分3.汇报、交流、沟通能力 10分4.团队协作精神 10分强【5】；一般【3】；不强【0】强【5】；一般【3】；不强【1】强【10】；一般【6】；不强【2】强【10】；一般【6】；不强【2】教师评定50%1.集体学习工作过程状态 10分2.计划制定、执行情况 10分3.任务完成情况 15分4.项目学习、实训报告 15分积极【10】；一般【6】；较差【2】好【10】；一般【6】；较差【2】好【15】；一般【10】；较差【5】【0】-【15】任务拓展（40min）轴的刚度计算轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。例如，安装齿轮的轴，若弯曲刚度(或扭转刚度)不足而导致挠度(或扭转角)