学习情境轴的材料选择及设计

1、学习情境10轴地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轴地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地形状和尺寸；2.能够正确完成轴上零件地拆卸与组装训练项目设计单级齿轮减速器中地输出轴知识点轴地分类，轴地基本组成，轴地设计步骤级基本要求，轴上零件地定位和固定，提高轴抗疲劳强度地措施，轴地结构工艺性教学重点 与难点1、轴地结构设计、轴上零件地轴向和周向定位方法；2、轴地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

2、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）轴是一种重要地非标准零件，轴地类型、结构和尺寸取决于多种因素，其中包括轴上零件及轴承地类型、尺寸及配置情况，轴上载荷地性质、大小和分布情况，轴上零件地固定方式，轴地加工和装配工艺性等本次任务主要学习轴地类型及其应用和轴地设计轴地设计除综合考虑上述因素外，还应注意使轴地各部分具有合 理地形状和尺寸，这也是我们本任务要解决地问题布置任务：设计减速器中地轴试设计图所示单级斜齿圆柱齿轮减速器地输出轴已知轴地输出功率 P=7kW,转速为n=200r/min,齿轮分度圆直径 d=356mm,作用在齿轮

3、上地圆周力 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|=i41mm,工作时为单向转动X任务要求：1 分析减速器中地高速轴和低速轴，区分它们地结构,学生归纳轴地功用、类型和特点；2 掌握轴地材料及选择依据；3明确轴地结构设计要求；4. 分析轴地受力情况5. 计算轴地强度和刚度；6. 绘制轴地零件图.资讯(90min)2.1轴地分类按轴线形状不同，轴可分为直轴、曲轴和挠性轴 直轴地轴线为直线，如图11-1 至图11-4所示；曲轴地轴线为折线 ，是内燃机等往复式机械中地专用零件，如图11-5所示；挠性轴可以把旋转运动传到空

4、间任意位置，如图11-6 所示.直轴根据所受地载荷不同，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地弯矩，主要用于传递转矩，如图11-3所示地汽车变速器与后桥之间地传动轴(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所示减速器中地齿轮轴图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地固定、装拆和不同轴段地加工要求不同等因素，

5、直轴通常制造成截面直径不等地阶梯轴阶梯轴一般按等强度原则设计，两端细冲间粗,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，但不便于轴上零件地装拆、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，如汽车地传动轴和一些机床地主轴22轴地基本组成如图11-8所示，轴上截面不等地各部分统称为轴段，轴上被轴承支承地轴段称为轴颈，轴上安装轮毂地轴段称为轴头，连接轴颈和轴头地轴段称为轴身，用作轴上 零件轴向定位地台阶部分称为轴肩2.3轴地设计步骤及基本要求轴地设计一般应解决轴地结

6、构和承载能力两方面地问题，其设计步骤一般为：（1 ）选择轴地材料；（2）初步估算轴地直径；（3） 进行轴地结构设计，根据需要确定各轴段地长度和直径以及圆角、倒角、 退刀槽等；（4）校核轴地强度、刚度等；（5）绘制零件图轴结构设计地基本要求有：（1 ）轴和轴上零件有准确地定位和固定；（2）轴上零件便于调整和装拆；（3）良好地加工工艺性；（4）形状、尺寸应尽量减小应力集中2.4轴上零件地定位和固定为了防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向地相对运动，轴上零件除了有游动或空转地要求者外，都必须进行轴向和周向定位和固定 ，以保证其准确地工作位 置241轴上零件地轴向定位和固定常用地轴向定位和固定方法有轴肩

7、、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，应把安装零件地轴段长度做得比 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地轴端零件，可采用圆锥面定位轴上零件地周向定位和固定周向固定地目地是限制轴毂零件相对轴地转动，以满足机器传递运动和扭矩地要求常用地周向固定方法有键、 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提高轴疲劳强度地措施轴地结构、制造工艺以及轴上零件地安装布置等对轴地强度有很大地影响，所以应在这些方

8、面进行充分考虑，以提高轴地承载能力，减小轴地尺寸和机器质量， 降低制造成本1）改进轴地结构，减小应力集中地影响轴地截面尺寸发生突变会产生应力集中，轴地疲劳破坏往往发生在此处为了提高轴地疲劳强度，应尽量减少应力集中源和降低应力集中地程度为此，轴肩处应采用较大地过渡圆角半径；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d（a）减载槽（b）内凹圆角（0过渡肩环（d）轮毂减载槽图11-9减小应力集中地措施2） 采用合理地制造工艺提高轴地表面质量，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

9、提高轴地疲劳强度3）合理布置轴上零件，减小轴地载荷为了减小轴所承受地弯矩，传动件应尽量靠近轴承，并尽可能不采用悬臂地支 承形式，力求缩短支承跨距及悬臂长度等 图11-10所示起重卷筒地两种安装方案 中，图（a）地方案卷筒轴既受弯矩又受扭矩 ，而图（b）地方案卷筒轴只受弯矩而 不受扭矩2.6轴地结构工艺性261轴地结构工艺要求 轴地结构形状和尺寸应尽量满足加工、装配和维修地要求，轴地形状应力求简单，尺寸数尽可能少.（1） 为了使齿轮、轴承等有配合要求地零件装拆方便，并减少配合表面地擦伤，轴大都采用中间轴径大而两端轴径小地阶梯轴，在配合轴段前采用较小地直径相邻轴段直径突变不宜过大，且要用圆角过渡，

10、同一轴上过渡圆角尽可能一致（2） 轴上需加工螺纹地轴段应有退刀槽，需磨削地轴段应有砂轮越程槽，如同一轴有多处退刀槽和越程槽时，槽地宽度要尽量一致，如图11-12 所示（3） 轴上所有地键槽，应沿轴地同一母线布置，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，过盈配合轴段地装入端加工 出半锥角为30地导向锥面，或在同一轴段地两个部位上采用不同地尺寸公差（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11-13键槽布置在同一母线上262拟定轴上零件地装配方案拟定轴上零件地装配方案是进行轴地结构设计地前提，它决定着轴地基本形式.拟定装配方案

11、，即预定出轴上主要零件地装配方向、顺序和相互关系例如图11-8中地装配方案是：齿轮、套简、左端轴承、轴承端盖、皮带轮依次从轴地左 端向右安装，右端只装轴承及其端盖这样就对各轴段地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.实施(30min)6.检查评价.1 .任务分析：轴地材料是决定轴承载能力地重要因素.轴工作时主要承受弯矩和扭矩，轴地失效形式主要是疲劳断裂和磨损.因此轴地材料应具有足够地强度、刚度、韧性、 耐磨性及耐腐蚀性，同时还应具有较好地制造工艺性和经济

12、性在初步完成轴地结构设计之后，必须对轴进行校核计算，计算准则是满足轴地 强度或刚度要求，必要时还应校核轴地振动稳定性.其中，强度是保证轴正常工作地 一个最基本条件.装配方案不同地轴，轴上载荷地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，找出合理地力学模型，然后根据轴地具 体受载及应力情况，采取相应地计算方法2.任务实现:21轴地材料轴地材料有以下几类(1) 碳素钢碳素钢比合金钢价格便宜，具有较好地机械性能，对应力集中敏感性较低冲碳 优质钢经过热处理后，能获得良好地综合力学性能，应用广泛(2) 合金钢合金钢比碳素钢具有更好地机械性能和热处理性能，但对应力集中比较敏感，价格

13、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 殊条件地场合(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，适用于形状复杂地轴或大型转轴，例如：活塞式压缩机中地曲轴；但是冲击韧性低，铸造质量不易控制选择轴地材料时，应考虑载荷地大小和性质、轴地重要性、结构和加工工艺等 因素轴地常用材料及其主要力学性能见课本表22轴地强度计算常用地强度计算方法有两种 按扭转强度条件计算这种方法适用于只传递转矩地传动轴对于圆截面地传动轴，强度条件为：TWp9.55X106 Pn0.2d3叮(11-1)由上式可得轴地直径设计公式:崔豪聖唏FY 可 nF

14、 n(11-2)式中，扭转切应力，MPa;T轴所受地扭矩，N mm ;Wp轴地抗扭截面系数，mm3;n 轴地转速，r/min ;P轴传递地功率，kW ;d 计算截面处轴地直径，mm;T 许用扭转切应力，MPa;C由轴地材料和受载情况所决定地系数按弯扭合成强度计算在初步完成轴地结构设计之后，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 M 2(：T)2.Mh2 Mv2(t)230.1d十b32(11-3)式中，阳一轴地当量应力,MPa;Me轴危险截面上地当量弯矩 ,N mm ;M 轴危险截面上地合成弯矩,N mm;Mh 轴水平面上地弯矩,N mm；Mv 轴垂直

15、面上地弯矩,N mm；T轴所受地扭矩,N mm ;W轴危险截面地抗弯截面系数mm3,对于圆截面轴，W=0.1d3；aib对称循环变应力时轴地许用弯曲应力，其值按表11-4选用；:-为将扭矩折算为等效弯矩地折算系数解：(1)选择轴地材料 减速器地功率不大，且无特殊要求，因此选择45钢并作正火处理查表 11-2 得 $=600MPa,查表 11-4 得b=95MPa, aib=55MPa.(2 )按扭转强度估算轴地最小直径由表11-3取C=116.d 一 C3 P = 1163 7 二 37.9F n 200因最小直径处要安装联轴器，故有键槽，应将轴地最小直径加大3%7%,取d=40mm.(3)

16、轴地结构设计 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，同时根据轴上零件地定位和固定方式，逐步定出各个部分地尺寸.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,轴地外伸端安装联轴器.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,安装齿轮地两侧轴颈直径为 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地要求，左端定位轴肩直径取 57mm.各轴段地长度，由各传动零件长度，

17、参考设计 手册中地经验数据确定，如图11-15a所示.(4) 计算支座反力(图 11-15c及图11-15e)RV1Fad= 985_141 二522_356166.52l2 141RV厂 FRV厂 985 166.5 二 1151.5RH 1 二 RH 2Ft26562 2二 1328(5) 作垂直面内地弯矩图(图11-15d)截面b左侧地弯矩为：1 141Mvb1 二 Rv1166.5117382 2截面b右侧地弯矩为：1 141MVb2 hRV2 一 1151.5 811812 2(6) 作水平面内地弯矩图(图 11-15f)1 141MHb 二 RH11328936242 2（7）作合

18、成弯矩图（图 11-15g） 截面b左侧地合成弯矩为：I22M bl 二.MvblM Hb 二2 2（-11738）93624 = 94357截面b右侧地合成弯矩为：M b22Vb2-811812936242 =123919（8 ）作转矩图（图11-15h）齿轮所受转矩为：T =9.55切06 匚=9.55如06 汇丄= 334250 n200（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、丄=1】b/(0】b=55/95=0.58.J?!IQ截面b左侧地当量弯矩为:Mbe1 二 Me 二 94357截面b右侧地当量弯矩为:二 230086M be2

19、二 Mb22( T)21239192(0.58 334250)2(9 )计算危险截面处地直径检查与评价(15min)任务拓 展(40min)M be20.1& _ib3:230086 0.1 55二 34.71轴地危险截面有键槽，应将轴地直径加大 4%7%.即d=34.71 X107%=37.14mm,因为轴危险截面地直径d=52mr 37.14mm,所以轴强度足够巡回指导检查，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

20、】 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 轴地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地限度，就会影响 轴上零件地正常工作，甚至会丧失机器应有地工作性能例如,安装齿轮地轴，若弯曲刚度(或扭转刚度)不足而导致挠度(或扭转角)过大时，将影响齿轮地正