《机械基础》教案 第16课 轴和联轴器

课题连接与轴系零部件(三)一轴与联轴器

课时2课时(90min)

知识技能目标：

(1)掌握轴的类型、结构及工艺，了解轴的材料和毛坯

(2)掌握联轴器的作用和类型，了解常用联轴器的特点和应用

教学目标

思政育人目标：

(1)培养严谨细致、精益求精的工匠精神

(2)提升民族自豪感和自信心，激发科技报国的家国情怀

教学重点：轴的类型、结构及工艺；联轴器的作用、类型及应用

教学重难点

教学难点：轴系零部件的分析

教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法

教学用具电脑、投即仪、多媒体课件、教材

第1节课：课前任务一考勤(2min)一问题导入(5min)一传授新知(38min)

教学设计

第2节课：传授新知(25irin)~*任务实施(15min)—*课堂小结(3min)—＞作业布置(2min)

教学过程主要教学内容及步骤设计意图

第一节课

■【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，组织学生下我“任务工单5.3”,

并根据任务工单进行组内分工.同时，提醒同学通过APP竭他学习软件预习本节

课知识，了解轴的分类，轴的材料、结构及工艺，联轴器的作用和类型等，并思考

以下问题：通过课前任务，使

学生了解所学课程的

课前任务(1)轴的分类有哪些？请举例说明，并简述其特点及应用.

重要性,增加学生的

(2)轴的材料有哪些？请举例说明，并简述其力学性能及应用场合。

学习兴趣

(3)轴的结构工艺性有哪些?请举例说明.

(4)联轴器的分类有哪些？请举例说明，并简述其特点及应用.

■【学生】完成课前任务

培养学生的组织纪

考勤■【教师】使用APP迸行签到

律性，掌握学生的出

(2min)■【学生】按照老师要求签到

勤情况

■【教师】展示生活中常见的轴的图片(自行车前轮轴、汽车底盘传动轴、减速机轴),

让学生思考以下问题：

(1)三种轴有什么区别？通过问题导入的方

问题导入法，引导学生主动思

(2)为什么设计成这种结构？

(5min)考，激发学生的学习

(3)想一想生活中还有哪些轴与这些轴类似？

兴趣

■【学生】思考、讨论、回答

■【教师】根据学生的回答，引入新课知识

一、轴的分类

■【教师】新知讲解

【多媒体教学】

小【教师】要求学生通过APP扫描二维码”轴的分类与作用”，观看微课视频，

学习轴的分类与作用

★【学生】观看、思考

I.根据所受载荷的不同分类

根据所受载荷的不同，轴可分为转轴、传动轴和心轴。

转轴：工作时同时承受弯矩和转矩的轴。工程中，大多数轴都属于转轴，如减速器中的

齿轮轴(见图5-33)和电动机的输出轴(见图5-34)等。

通过教师讲解、课

图5-33减速器中的齿轮轴

堂互动、举例分析等

传动轴.工作时只承受转矩，不承受弯矩或承受很小弯矩的轴，如汽车中连接变速箱与教学方式，常助学生

炎动后桥的传动轴(见下图)等。掌握轴的分类，轴的

传授新知

材料和毛胚等相关知

(38min)

识

心轴：工作时只承受弯矩而不承受转矩的轴.根据自身是否转动，心轴又可分为转动心

轴和固定心轴，如图所示.

【课堂互动】

小【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答

(1)自行车前轮轴属于哪种轴？为什么？

(2)火车车轮轴属于哪和轴？为什么？

小【学生】思考、讨论、回答

＞【教师】总结学生回答

(1)自行车工作时前轮轮毂和滚珠一起相对于前叉和车轴转动，而车轴本身固定不动，

且仅承受横向力产生的弯矩，故自行车前轮轴为固定心轴。

(2)火车的传动轴用于将发动机的运动传递给汽车后桥，仅传递转矩，而不承受弯矩，

故为传动轴。

2.根据几何形状的不同分类

根据几何形状的不同，轴可分为直轴、曲轴和烧性轴。

直轴：轴线呈直线的轴.限据外形的不同，直轴又可分为光轴、阶梯轴和空心轴等，如

图所示。其中，光轴各处直径电同，容易加工，但轴上零件定位困难；阶梯轴由若干直径不

同的轴段组成而呈阶梯状，轴上零件容易安装和定位；空心轴可实现减重或满足特殊的结构

要求.

(a)光轴(b)阶梯轴(c)空心轴

曲轴：各轴段相互平行但轴线不在同一条直线上的轴，如图所示。曲轴多用于往复式发

动机和空气压缩机。

挠性轴:具有良好的挠性，可将回转运动和转矩灵活传递到空间任意位置的轴，如图5-39

所示.挠性轴通常由多层钢丝分层卷绕而成，故又称钢丝挠性轴，多用于手持工具和医疗器

械。

【课堂互动】

*＞【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答

根据上述所讲内容中轴的应用特点，判断轴的常用材料都有哪些？主要力学性能是什

么？

十【学生】思考、讨论、回答

»【教师】总结学生回答

二、轴的材料和毛胚

■【教师】新知讲解

I.轴的材料

选择材料时需要考虑：

①轴的强度、刚度及耐磨性的要求；

②轴的热处理方法及加工工艺性的要求；

③轴的材料来源和经济性等要求。

轴常用的材料有碳素钢、合金钢和球墨铸铁等，它们的主要力学性能及应用场合（详

见教材表5-H）.

I）碳素钢

碳素钢价格｛氐廉，应力集中敏感度小，同时具有良好的力学性能，广泛用于非重要或承

受载荷较小的轴。轴常用的碳素钢材料有35、45、50等优质碳素钢，这些材料可通过正火

或调质等热处理方法来改善和遑高力学性能.轴也可用普通碳素钢作材料，如Q23*Q2A

等，这些材料一般不需要进行热处理。

2）合金钢

合金钢的力学性能和热处理性能比碳素钢好，但价格较贵，对应力集中较敏感，因此常

用于高速、重载和有耐磨、耐高温等特殊要求的轴.轴常用的合金抠材料有20。、40CrNi.

38CrMoAI等。

3）球墨铸铁

球墨铸铁具有吸振性和耐磨性好、对应力集中敏感度小、价树氐廉等优点，常用于曲轴、

凸轮轴等尺寸大、外形复杂的轴。轴常用的球墨铸铁材料有QT450-10、QT600-3和QT8OO-3

等.

2.轴的毛胚

轴的毛坯一般采用轧制画纲或锻件，其中热轧圆钢常用于各轴段直径相差不大的轴，锻

件常用于各轴段直径相差较大或力学性能要求较高的轴.此外，对于形状复杂的轴，还可采

用球墨铸铁或高强度铸铁材料.

【学生】聆听、思考、理解

第二节课

【课堂互动】

小【教师】提出问题让学生思考、讨论，并随机抽取学生回答

当轴的刚度不足时，如何院高轴的刚度？

＞【学生】思考、讨论、回答通过教师讲解、课

【教师】总结回答堂互动、举例分析等

教学方式，帮助学生

因为钢材种类、热处理方式对其弹性模量E影响很小，所以用热处理或替换合金钢方式

传授新知掌握轴的结构和工

并不能提高轴的刚度.此时，就要通过轴的结构设计来提高轴的刚度。

（25min）艺，联轴器的作用和

三、轴的结构和工艺

类型，刚性联轴器和

■【教师】新知讲解挠性联轴器等相关知

识

轴的结构是指轴的形状和尺寸，它主要取决于：

①轴在机器中的安装位置及形式；

②轴上零件的类型、尺寸、数量，以及轴上零件与轴的连接方法；

③轴所受载荷的性质、大小、方向及分布情况；

④轴的加工工艺等.

轴的结构应满足以下要求：

①轴及轴上零彳牛要有准确的定位和可靠的固定；

②轴上零件能方便地进行装拆和调整；

③轴的受力合理，尽量避免应力集中的现象；

④轴具有良好的加工工艺性.

下面以阶梯轴为例，介绍油的结构及工艺性.

1.轴的铀部分

阶函由主要由轴颈、轴环.轴头和轴身等部分组成，如图所示。

2.轴上零件的定位及固定

I）轴向定位及固定

轴向定位及固定通常通过油肩（轴环）、套筒、弹性挡圈、圆螺母、轴端挡圈、紧定螺

钉（销）及圆锥形轴头等保证，其特点及应用（详见教材表5-12）.

2）周向定位及固定

周向定位及固定是为了保证轴上零件与轴之间不发生相对转动，常用的周向定位方式包

括平健连接、花犍连接、销连受、型面连接和过盈配合连接等，如匿所示。

（a）平键连接（b）花键连接（c）销连接（d）型面连接（e）过盈配合连接

3.轴的结构工艺性

轴具有良好的结构工艺性,不仅可以提高机器装配、维修等作业的生产效率，而且可以

大大降低生产成本。通常情况下，轴的结构应满足以下工艺要求。

1）便于轴上零件的装拆

如图所示为减速器指轮轴装配简图.为了便于轴上零件的装拆，该轴设计成阶悌形,使

齿轮、套筒、左端轴承、轴承盖、带轮等能够很方便地从轴的左端依次安装在轴上，右端轴

承从轴的右端装入。对于装有零件的轴端，装入端需要加工45。倒角，以方便轴上零件导入

并避免划伤配合表面.套筒或咄肩的高度应低于滚动轴承的内圈高度，以保证滚动轴承能够

有效定位。

I一轴端挡圈；2一带轮；3一轴承盖；4一套筒；5—齿轮；6-滚动轴承.

2)便于轴的加工

(1)轴的结构应尽量简单，在保证足够定位的情况下，应尽量控制阶梯的数员,以减

少轴的力DT时间和应力集中。

(2)轴上沿轴向有多个键槽时，应尽可能采用相同的规格尺寸，并布置在同一条直线

上，以避免加工时更换刀具和多次装夹。

(3)轴上直径发生变化的地方应设首圆弧过渡，以减少应力集中,如图所示.同一轴

上的过渡圆弧半径应尽量统一，以减少加工时所需刀具数量和换刀时间。

(4)轴上有螺纹时，应设置退刀槽，如图(b)所示；在需要进行磨削的轴段，应留有

越程槽，如图(c)所示。

■【学生】聆听、思考、理解

四、联轴器

【多媒体教学】

*【教师】要求学生通过APP扫描二维码"联轴器"，观看微课视频，学习联轴

器知识

★【学生】观看、思考

■【教师】新知讲解

在各种机械中，经常需要将不同机构的轴连接起来，其中最常用的机械装置是联轴器.

I.联轴器的作用和类型

联轴器主要用于连接两轴，并传递运动和动力，有时也可作为传动系统中的安全装置，

起过载保护作用.

根据有无相对位移的补偿能力，联轴器可分为刚性联轴器（无未M爱能力）和挠性联轴器

（有*M排将力）两大类。

2.冈！I性联轴器

刚性联轴器不能补偿两轴的相对位移，因而要求被连接两轴的轴线严格对中.常用的刚

性联轴器有凸缘联轴器和套筒联轴器等.

।）凸缘联轴器

凸缘联轴器是应用最广泛的一种刚性联轴器，如图所示，它采鹏栓连接两个带凸缘的

半联轴器，半联轴器与轴之间采用槌连接，从而实现两轴之间的刚性连接.

凸缘联轴器对两轴的对中精度要求较高，一般采用GY型和GYS型两种对中方式.

GY型：用配合螺栓对中，如图所示,两个凸缘半联轴器上的螺栓孔须较制，工作时依

靠螺栓的剪切和螺栓杆与孔壁间的挤压传递转矩。

GYS型：用凸肩和凹槽进行对中，如图所示，它采用普通螺栓连接，工作时依靠两个半

联轴器间的摩擦力传递转矩。这种对中方式的对中精度高，但装拆时轴须进行轴向移动。

凸缘联轴器结构简单、连接可靠、刚性好、安装和维护方便，工作时能传递较大的转矩，

但由于对两轴的对中性要求较高，因此多用于转速不高、载荷变化平稳及对中精度良好的场

合.

2）套筒联轴器

套筒联轴器与所连接的两油端之间通常用键或销连接，如图所示,其中，采用键连接时，

轴可传递较大的转矩，但需要用紧定螺钉进行轴向固定；仅采用销连接时，轴只能传递较小

的转矩。

(a)实物图(b)结构医

套筒联轴器的结构简单而紧凑,容易制造，但装拆不方便，两轴的对中精度要求较高，

适用于｛㈤1、轻载和安装精度较高的场合.

3.饶性联轴器

根据是否含有弹性元件，拼性联轴器可分为无弹性元件的挠性联轴器和有弹性元件的挠

性联轴器.

I)无弹性元件的挠性联粕器

无弹性元件的挠性联轴器通过两个半联轴器间的相对运动来补偿两轴的偏移，但因无弹

性元件而不能缓冲减振.

这种联轴器常用的类型有十字滑块联轴器、齿式联轴器和万向联轴器等.

(1)十字滑块联轴器。

特点：十字滑块联轴器具有结构简单、制造方便、可补偿两轴间综合偏移等优点，但十

字滑块会产生偏心转动.

应用：适用于］氐速、无aI烈冲击、轴线偏移较大的场合.

(2)齿式联轴器。

带内齿的外壳

特点：齿式联轴器工作可靠、安装精度要求不高、承载能力强，但结构复杂、制造成本

应用；适用于需频繁启动、经常正反转的重型机械.

(3)万向联轴器

(a)单十字万向联轴器(b)双十字万向联轴器

特点：万向联轴器结构紧凑、维护方便。

应用：广泛应用于汽车、多头钻床等机器。

2)有弹性元件的挠性联粕器

有弹性元件的挠性联轴器因装有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的偏移，而且具有缓冲

减振的能力.这种联轴器常用的类型有弹性套柱销联轴器和弹性柱鞋联轴器等.

(1)弹性套柱销联轴器.

弹性套柱侑

特点：弹性套柱销联轴器具有结构简单、装拆方便、制造容易等特点，能未M尝一定的轴

线偏移。

应用：多用于传递中小转电的轴，以及启动频繁或经常正反转的场合。

(2)弹性柱销联轴器.

特点：弹性柱销联轴器不仅结构简单、制造容易、柱销更换方便，而且能传递较大的转

O

应用：适用于启动频繁、需要正反转且转速较高的传动轴。

■【学生】聆听、思考、理解

■【教师】组织学生以4题为单位根据表格中的要求，分析该轴系零部件的应用，找出

其结构不合理之处，进行更正，并填写“任务工单5.2"

通过任务实施，加

深对所学知识的理

任务实施