《机械设计基础》：项目5 轴系结构的设计
机械设计基础课程优质教案讲义轴的设计优质教案
机械设计基础课程优质教案讲义轴的设计优质教案一、教学内容本讲义基于《机械设计基础》教材第五章“轴的设计”。
详细内容涵盖轴的力学分析、轴的材料选择、轴的结构设计、轴的强度计算及轴的稳定性分析。
二、教学目标1. 理解轴的基本概念，掌握轴的设计方法。
2. 学会进行轴的强度计算，确保设计的轴能满足实际工作需求。
3. 掌握轴的稳定性分析，提高轴的使用寿命。
三、教学难点与重点重点：轴的材料选择、结构设计、强度计算。
难点：轴的稳定性分析，轴的强度计算公式推导。
四、教具与学具准备1. 教具：PPT课件、黑板、粉笔。
2. 学具：计算器、笔、纸。
五、教学过程1. 导入：通过展示实际工程中轴的应用案例，引导学生了解轴的重要性。
2. 理论讲解：a. 介绍轴的基本概念、分类及用途。
b. 讲解轴的材料选择原则，引导学生正确选择轴的材料。
c. 分析轴的结构设计方法，提高学生轴的设计能力。
3. 例题讲解：a. 以实际轴的设计为例，演示轴的强度计算过程。
b. 解释轴的稳定性分析，展示稳定性计算方法。
4. 随堂练习：a. 让学生根据所学知识，自主完成轴的强度计算。
b. 引导学生进行轴的稳定性分析。
六、板书设计1. 轴的基本概念、分类及用途。
2. 轴的材料选择原则。
3. 轴的结构设计方法。
4. 轴的强度计算公式。
5. 轴的稳定性分析。
七、作业设计1. 作业题目：a. 计算给定参数的轴的强度。
b. 分析给定轴的稳定性。
2. 答案：a. 强度计算结果。
b. 稳定性分析结果。
八、课后反思及拓展延伸1. 反思：本节课的教学效果，学生对轴设计知识的掌握程度。
2. 拓展延伸：a. 研究轴的疲劳寿命分析。
b. 探讨轴的优化设计方法。
c. 了解轴在工程领域的最新应用动态。
通过本讲义的学习，学生能系统地掌握轴的设计方法，为后续课程的学习和实际工程应用打下坚实基础。
重点和难点解析1. 轴的材料选择原则。
2. 轴的结构设计方法。
3. 轴的强度计算过程。
4. 轴的稳定性分析。
机械设计基础轴的设计
传动轴
转轴
章头
直轴 (光轴，阶梯轴，空心轴) 3.按轴线的形状分类 曲轴
挠性轴
章头
§14-2 轴的材料
轴的常用材料及性能见表14-1
章头
§14-3轴的结构设计
一. 轴结构设计的内容
1.轴的结构组成
┌合理外型
2.轴结构设计的内容 └各段直径和长度
二. 轴结构设计的要求
1.轴与轴上零件要有准确的工作位置
②由内向外确 定各段长度
例
宽度定
宽度定
标准
Ø60 Ø68 Ø70 Ø72 Ø70
Ø80
Ø82
章头
§14-4 轴的强度计算
一、按扭转强度计算
T
T WT
T 0.2d 3
T
(14-1)
d 3
T
0.2
3
9.55106 P
0.2 n
C3
P n
(14-2)
说明:①轴上有单键,直径增大4 % ;有双键,直径增大7 % ②P－传递的功率(kw) ; n－轴的转速(r/min) ; d－轴的直径(mm) ； C－系数→表(14-2) [τ] －材料的许用扭剪应力 (Mpa)
错误
正确
章头
r轴<C孔
错误 c)要求轴肩高度<滚动轴承内圈高度
错
正
误
确
正确
章头
2）套筒 3）轴用圆螺母
章头
4）轴端挡圈
5）弹性挡圈
注意； 当用套筒、圆螺母、轴端挡圈进行零件的轴向定位 时，为保证轴向定位可靠，要求L轴<L毂（2-3）mm
6）紧定螺钉或销
章头
2、零件的周向定位 1）键
机械设计基础课程设计要点
i链
i带
= 2 ~ 6
= 2 ~ 4
(1)使各级传动的承载能力接近于相等； (2)使减速器的外廓尺寸和质量最小； (3)使传动具有最小的转动惯量； (4)使各级传动中大齿轮的浸油深度大致相等。
i 齿轮 = 3 ~ 6
各级传动间应做到尺寸协调、结构匀称； 各级传动间应做到尺寸协调、结构匀称； 各传动件彼此间不应发生干涉碰撞； 各传动件彼此间不应发生干涉碰撞； 所有的传动零件应便于安装. 所有的传动零件应便于安装 各轴运动和动力参数计算
带式运输机
1 电动机 4联轴器 2带传动 5 运输带 3 减速机 6滚筒
额定功率
Ped ≥ Pd
(3) 电动机转速的确定 三相异步电动机常用的同步转速 有3000、1500、1000、750 r/min。 常选同步转速1500、1000r/min两 种见表 见表20-1 （4）电动机标准型号确定 例： Y系列三相异步电动机
2、加粗线条作为正式装配图
六、减速箱零件图设计 齿轮、 轴、 端盖、箱体
P47
七、编写说明书
P52
八、准备答辩
机械设计基础课程设计任务 1 设计计算说明书一份， 1）目录，设计任务书，传动方案 2）电动机的选择 3）传动装的运动和动力参数 4）传动件的设计计算 5）轴的设计 计算 6）滚动轴承的选择与寿命校核 7）中间轴上大齿轮键的选择与校核 8）联轴器的选择 9）减速器附件的选择 10）润滑与密封 11）设计小结 12）参考资料 2 减速器装配图一张（1号图纸）； 3 输出轴（2轴）和大齿轮零件图各一张（3号图纸） 。
P1717-6
B
典型 轴系 结构
b
三.绘制减速器装配图草图
反映减速器中各零件相互位置关系、结构形状和尺寸的图纸。
机械设计中轴系的结构方案设计
机械设计中轴系的结构方案设计机械设计中轴系的结构方案设计在机械设备制造过程中，轴是关键的零部件之一，它不仅支撑着轴上零件、传递运动与动力的重要部件，也在非常大的程度上影响着机器设备的工作能力与工作质量。
如果轴失效，便有可能产生严重的后果，所以轴的设计至关重要。
以下是小编整理的机械设计中轴系的结构方案设计，欢迎阅读。
设计过程：轴系结构的设计没有固定的标准，它根据轴上载荷方向、大小与分布情况，轴上零部件的布置与固定方法，及轴的加工与装配方法等进行灵活决定的，以轴上零部件装拆方便、固定牢靠、定位准确等来衡量轴结构的设计好坏。
因此在设计轴的结构时，一般可以先拟定好几种不同方案通过相互比较后再加以取舍。
轴的结构设计应包括定出轴的合理外形与全部尺寸。
在满足刚度、强度与装配、加工等要求的条件下，轴的结构应该设计的越简单越好。
轴的结构取决于：轴在机器中安装的位置以及形式;轴上安装零部件的类型、数量、尺寸以及联接方法;载荷的性质、方向、大小及分布情况;轴加工的工艺等。
轴系是没有标准结构形式的，设计时一定要针对不同情况而进行具体的分析。
但是，无论何种具体的条件，轴的结构都应该满足：轴及装在轴上的零部件要有精准的工作位置;轴上的零部件应该便于装拆与调整;轴应该具有良好的制造工艺性能等。
（一）拟定轴上零部件的装配方案所谓的装配方案，就是指预定出轴上的主要零部件的装配方向、顺序以及相互关系。
进行轴的结构设计的前提条件便是拟定轴上零部件的装配方案，它确定了轴的基本形式。
在拟定装配方案时，原则上应设计几个方案，然后进行分析比较后再进行选择。
（二）轴上零件的定位一般为了防止轴上零部件受力时发生沿轴向或者周向的相对运动，轴上零部件除了要有空转或游动的要求外，都需要进行轴向以及周向定位，用以保证工作位置的准确性。
1.零件在轴上的轴向定位轴上零部件的轴向定位一般是以套筒、轴肩、圆螺母、轴端挡圈以及轴承端盖等来确保的。
零部件在轴上的轴向定位方法，主要是取决于它所到的受轴向力大小。
《机械设计基础》电子教案(2) 项目 5 轴系零件部件的分析与应用
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任务 ５.２ 轴承的分析与应用
• 轴承是轴上非常重要的零件， 用来支承轴和轴上零件， 保证轴和轴 上转动件的工作位置和精度， 减少摩擦和磨损， 并承受载荷。 按运 动元件间的摩擦性质， 轴承可分为滚动轴承（见图 ５ －１３） 和滑 动轴承 （见图 ５ －１４） 两大类； 按照承受载荷的方向， 轴承可 分为径向轴承和推力轴承两类。
项目 ５ 轴系零件部件的分析与应用
• 任务 ５.１ 轴的分析与应用 • 任务 ５.２ 轴承的分析与应用 • 任务 ５.３ 轴间连接的分析与应用
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任务 ５.１ 轴的分析与应用
• １． 轴的认识 • 轴是机器中重要的机械零件， 例如机床主轴、 减速器齿轮轴、 自行
车轮轴等。 轴的主要作用是支承机器的其他回转零件， 如齿轮、 带 轮等， 使其具有确定的工作位置， 并传递动力和运动。 • （１） 轴的类型 • 轴的分类方法有很多， 常见的分类方法如下： • １） 按照轴所受载荷的情况分类 • ① 心轴。 用来支承转动零件， 只承受弯矩而不传递转矩的轴。 按其 是否与轴上零件一起转动， 又可分为转动心轴 （见图 ５ －１） 和 固定心轴 （见图 ５ －２）。 • ② 传动轴。 主要用于传递转矩， 不承受弯矩， 或所承受的弯矩很小 的轴， 如图５ －３ 所示。
５ － ５ （ｂ））。 另外， 直轴又可分为实心轴 （见图 ５ －５ （ａ） 和图５ －５ （ｂ））、 空心轴 （见图５ －５ （ｃ））。 空心轴往住是大直径轴， 空心轴可以减小轴的质量， 且在相同质量 情况下空心轴比实心轴的刚度高， 空心轴的内孔还可以输送液体或 工件等。
机械设计基础 轴系PPT课件
[ 1b 第] 2[1页/1共b ]25页1
6）确定危险截面。
7）强度条件：
c
M W
M 2 ( T )2 [ ] MPa
0.1d 3
d 3 M
mm
0.1 [ ]
式中： W —— 轴的抗弯截面系数； [σ] —— 轴的许用弯曲应力，见表 14-1。
四、轴设计的主要问题 失效形式： 1、疲劳破坏 2、变形过大 3、振动折断 4、塑性变形
疲劳强度校核 刚度验算（如机床主轴） 高速轴，自振频率与轴转速接近 短期尖峰载荷 验算屈服强度
第8页/共25页
设计的主要问题： 1、合理的结构设计 —→ 保证轴上零件有可靠的工作位置，装配、拆卸方便，
周向、轴向固定可靠，便于轴上零件的调整； 2、工作能力计算 a、有足够的强度
轴圆角半径 r ＜ 轴上零件倒角尺寸 c ＜ 轴肩高度 h 或：轴圆角半径 r ＜ 轴上零件圆角半径 R ＜ 轴肩高度 h
第13页/共25页
轴肩 定位轴肩： h ＝ ( 0.07 ～ 0.1 ) d ； d ：轴颈尺寸 非定位轴肩： h ＝ ( 1 ～ 2 ) mm
（2）周向固定 键、花键、成形联接、弹性环联接、过盈、销等 —— 轴毂联接
强度条件：
T WT
9.55106 0.2 d 3
P n
MPa
d 3 9.55106 P mm
0.2[ ]n
式中：WT —— 抗扭截面系数，mm3 [τ ] —— 许用切应力，MPa
第17页/共25页
公式应用： a）传动轴精确计算； b）转轴的初估轴径 dmin —— 结构设计，逐步阶梯化 di
α —— 根据转矩性质不同而引入的应力校正系数。 σ —— 一般为对称循环变化（弯矩引起的弯曲应力） 1）单向旋转、载荷稳定：切应力接近不变 r ＝ +1；
机械设计实验指导书---轴系结构设计实验
轴系结构设计与分析实验指导书徐双满洪建平编王青温审机械工程实验教学中心2011年2月轴系结构设计与分析实验指导书一、工程应用与问题的提出轴系结构是机械系统的重要组成部分，也是机械设计课程教学的重点内容。
由于轴系结构设计涉及的加工工艺、装配工艺方面的问题较多，实践性较强。
为提高教学质量，强化轴系结构设计能力的训练，开展轴系结构设计实验是很有必要的。
任何回转机械大多都有轴系结构，轴系结构设计在机械设计中很重要，如何根据轴的回转要求、决定轴系组成及支撑解决方案;根据功能要求决定轴系的总体组成结构；轴上零件的轴向定位、周向定位设计，是机械设计的重要环节。
为了设计出合理的的轴系，有必要熟悉常见的轴系结构。
通过实验可以熟悉和掌握轴的结构和轴承组合结构设计的基本要求，不仅加深对课堂上所学知识的理解与记忆，还可以对同学进行技法训练，培养工程实践技能，为后面的综合课程设计训练打好基础，还可以培养同学的创新意识。
上图1所示为一典型的轴系组成结构示意图例。
二．实验目的1．深入了解及认识轴系部件的结构形式，熟悉零件的结构形状、工艺、作用；2．熟悉和掌握轴的结构设计和轴承组合设计的基本要求和设计方法；3．对所设计的组成方案，进行组装与测绘等操作的动手技能的训练。
三．实验设备与工具1．组合式轴系结构设计分析实验箱实验箱所提供的零件，能进行圆柱齿轮轴系，小圆锥齿轮轴系及蜗杆轴系结构设计，实验箱内有齿轮类、轴类、套筒类、端盖类、支座类、轴承类及连接件等8类100多个零件，见表1、表2。
300mm钢板尺、游标卡尺、内外卡钳、铅笔、三角板、活扳手、小橡胶锤等。
四．实验要求及方法1．了解轴系系统的组成熟悉轴向、周向定位的常见方法，对照实物研究零件的各部位名称与功能特点。
2．设计方案及操作每名同学从所给出的4项轴系功能题目中选择不少于2项，并完成零件的选择、组成方案的初步设计、修改与优化、组装、必要的测绘等操作。
根据所给硬件及设计方案，现场作出设计草案；提出轴系组成方案，组合出合理的轴系部件。
机械设计实验轴系结构组合设计
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机械设计实验—轴系结构组合设计
二、实验设备
1、组合式轴系结构设计实验箱 2、测量及绘图工具（绘图工具学生自备）
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机械设计实验—轴系结构组合设计
三、实验内容与要求
1、学生自定实验方案，或自 选实验题号。 2、根据各实验题号要求，进 行轴的结构设计与组装。 3、绘制轴系结构装配图。 4、编写实验报告一份。
机械设计实验—轴系结构组合设计
注意结构特点， 注意装配方法。
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机械设计实验—轴系结构组合设计
五、实验报告
每人编写实验报告一份，格式自定。 内容包括：
①班级、姓名、同组人姓名、日期； ②实验目的、实验题号、已知条件； ③附轴系结构装配图（3#图纸） ④设计说明（说明轴系各零件定位固定、安装 调整、润滑密封的方法及设计依据）。
实验
已知条件
题号 齿轮类型 载荷 转速
示意图
轻低 小直齿轮
中高
中低 大直齿轮
重中
轻中 小斜齿轮
中高
中中 大斜齿轮
重低
轻低 小锥齿轮
中高
轻低 蜗杆
重中
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机械设计实验—轴系结构组合设计
四、实验中应注意观察与思考的几个问题
1、观察不同类型轴承的外形和结构特点，轴承代号的标识； 注意轴承的固定、装拆、间隙调整等问题；
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机械设计实验—轴系结构组合设计
参考图
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机械设计实验—轴系结构组合设计
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机械设计实验—轴系结构组合设计
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机械设计实验—轴系结构组合设计
机械设计实验
车辆与动力工程学院 机械原理及机械设计实验室
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1
任务5.1 轴的结构设计
2
任务5.2 轴系通用件的选用
3
任务5.3 轴间联Leabharlann 件的认识4巩固训练
知识目标：
❖1.理解轴的分类，掌握轴的材料。 ❖2.掌握轴的结构设计，掌握轴的强度计算。 ❖3.了解滑动轴承，掌握滚动轴承的组成，掌握滚动 轴承的代号。
❖4.掌握轴承的设计准则和寿命计算。 ❖5.理解联轴器、离合器的工作原理。
轴是组成机器的重要零件之一，轴的主要功能是支承传动 件并通过轴承传递转矩和运动，如齿轮、带轮等。轴工作状况 的好坏直接影响到整台机器的性能和质量。
任务5.1 轴的结构设计
5.1.1轴的分类及材料 1.轴的分类
(1)按承受载荷分 转轴 ：既承受弯矩又承受扭矩 心轴 ：只承受弯矩不承受扭矩 传动 ：主要承受扭矩而不承受弯矩 （或弯矩很小） 轴
275～ 235 270 300 300 360 800 550 750 520 750 520 470 800 500 350 550 500
420
用于不重要的轴
用于一般轴
用于强度高、韧性中 等的较重要的轴 用于强度要求高、有 强烈磨损而无很大冲 击的重要轴 可代替40Cr，用于中、 小型轴
与35SiMn相同，但专 供表面淬火之用
轴的毛坯 d小——圆钢（棒料）：车制； d大——锻造毛坯； 结构复杂——铸造毛坯，如曲轴； 空心轴：无缝管，减轻质量，但加工相对困难。
任务5.1 轴的结构设计
材料牌号 Q275~Q235
35 45 40Cr 35SiMn 42SiMn 40MnB 35CrMo QT600-2
轴的常用材料及其主要力学性能
可代替40Cr，用于小 型轴
用于重载的轴
用于发动机的曲轴 和凸轮等
任务5.1 轴的结构设计
5.1.2轴的结构设计 轴的结构设计的任务，就是在满足强度、刚度和振动稳定性
的基础上，根据轴上零件的定位要求及轴的加工、装配工艺性要 求，合理地定出轴的结构形状和全部尺寸。为了便于装拆，一般 的转轴均为中间大、两端小的阶梯轴。
减速器轴—转轴
任务5.1 轴的结构设计
自行车前轴—固定心轴
火车轮轴—转动心轴
任务5.1 轴的结构设计
汽车下的传动轴
任务5.1 轴的结构设计
(2)根据轴线的形状不同
直轴
光轴 阶梯轴
曲轴 ：发动机专用零件
挠性（软）轴：轴线可任意弯曲，传动灵活。
任务5.1 轴的结构设计
2.失效形式与设计准则
轴的失效形式：主要有因疲劳强度不足而产生的疲劳簖裂、因静强 度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和 振动等。
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能力目标：
❖1.能选择合适的轴的材料。 ❖2.能设计典型轴结构。 ❖3.掌握轴承的选择和使用。 ❖4.根据实际情况选择轴间联接件。 ❖
项目导读
在生产生活实际中，无论机械结构复杂或者简单，其内部都有轴 类零件的存在，说明轴是组成机器的重要零件之一，各种作回转或 摆动的零件（如齿轮、带轮等），都必须安装在用轴承正确支撑的 轴上才能正常运动及传递动力，本章主要介绍轴、轴承、轴间联接 件的结构特点及设计计算。
1.轴的结构
轴头：安装轮毂
轴径：支承部分
轴身：联接部分
任务5.1 轴的结构设计
2.轴的设计 轴的结构和形状取决于下面几个因素： ①轴的毛坯种类。 ②轴上作用力的大小及其分布情况。 ③轴上零件的位置、配合性质以及联结固定的方法。 ④轴承的类型、尺寸和位置。 ⑤轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。
热处理 毛坯直径
类型
mm
硬度HBS
抗拉强度 /MPa
屈服点 /MPa
应用说明
正火 调质 正火 调质 调质
调质
调质
调质
调质
≤100 ≤100 ≤100 ≤200
25 ≤100
25 ≤100
25 ≤100 ＞100~200
25 ≤200
25 ≤100 ＞100~300
149~187 156~207 170~217 217~255
≤207 241~286
≤229 229~286
≤220 229~286 217~269
≤207 241~286
≤229
207~269
229~302
600～440
520 560 600 650 1000 750 900 800 900 800 750 1000 750 1000 750 700
600
任务5.1 轴的结构设计
3.轴的材料
（1）碳素钢：30、35、45、50(正火或调质)； 45应用最广，价廉，对应力集中不敏感，良好的加工性。
（2）中、低碳合金钢： 强度高、寿命长，对应力集中敏感，用于重载、小尺寸的轴。
（3）合金铸铁、QT： 铸造成形，吸振，可靠性低，品质难控制，常用于凸轮轴、曲轴。
轴的设计应满足如下准则： ①根据轴的工作条件、生产批量和经济性原则，选取适合的材料、 毛坯形式及热处理方法。 ②根据轴的受力情况、轴上零件的安装位置、配合尺寸及定位方 式、轴的加工方法等具体要求，确定轴的合理结构形状及尺寸，即进 行轴的结构设计。 ③轴的强度计算或校核。对受力大的细长轴（如蜗杆轴）和对刚 度要求高的轴，还要进行刚度计算。在对高速工作下的轴，因有共振 危险，故应进行振动稳定性计算。
轴的设计步骤 (1)根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。 (2)按扭转强度估算出轴的最小直径。
可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合的 考虑各种因素。设计时应拟定几种不同的装配方案，以便进行比较 与选择，以轴的结构简单，轴上零件少为佳。
任务5.1 轴的结构设计
一般在进行结构设计时的已知条件有：机器的装配简图、轴 的转速、传递的功率、轴上零件的主要参数和尺寸等。
初步设计时，还不知道轴上支反力的作用点，故不能按轴 的弯矩计算轴径。通常按扭转强度来初步估算轴的最小直径，求 得最小直径后可按拟订的装配方案，从最小直径起逐一确定各段 轴的直径和长度。设计时应考虑各轴径应与装配在该轴段上的传 动件、标准件的孔相匹配。
轴是机械设备中的重要零件之一，它的主要功能是直接支承 回转零件，如齿轮、车轮和带轮等，以实现回转运动并传递动力,轴 要由轴承支承以承受作用在轴上的载荷。这种起支持作用的零部件 称为支承零部件。而且有很多的轴上零件需要彼此联接，它们的性 能互相影响，所以将轴及轴上零部件统称为轴系零部件。
任务5.1 轴的结构设计