《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。

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。

本科毕业设计（论文）通过答辩摘要五轴联动加工中心有高效率、高精度的特点。

若配以五轴联动的高档数控系统，还可以对复杂的空间曲面进行高精度加工，更能够适应像汽车零部件、飞机结构件等现代模具的加工。

本文设计了一台五轴联动机床主轴模型，在XY工作台的基础上叠加两层托板，步进电动机带动轴使其做旋转运动，构成类似陀螺仪的结构。

分别实现工作台绕XY轴的转动和移动，再沿Z轴装配一根丝杠完成工作台沿Z轴的上下运动最终实现刀具向各个面进行加工。

主要完成了：模型整体结构设计，各个轴的结构设计及计算、滚珠丝杠、轴承和直线滚动导轨的选择及其强度分析；步进电机的选择及分析。

关键词五轴联动丝杠传动陀螺仪1本科毕业设计（论文）通过答辩AbstractFive-axis machining center with high efficiency and precision characteristics. If accompanied by high-end CNC five-axis system, can also carry out complex curved surface precision machining, more able to adapt as automotive components, aircraft structural parts and other modern mold processing.This paper designed a five-axis machine tool spindle model, based on the XY table overlay two pallets, stepper motor drive shaft rotation to do so constitutes a similar gyro structure. Were achieved around the XY axis rotating table and move along the Z axis and then complete the table assembly of a screw up and down movement along the Z axis to the ultimate realization of the various surface processing tool.Main completed: overall structural design model, each shaft structure design and calculation, ball screws, bearings and linear motion guide the choice and strength analysis; stepper motor selection and analysis.Keywords five-axis gyro screw drive2本科毕业设计（论文）通过答辩目录摘要 (1)Abstract (2)第一章绪论 (5)第二章总体方案的设计 (6)2.1设计任务 (6)2.2设计方案的论证 (6)2.2.1传动方式的确定 (6)2.2.2 陀螺仪机构的设计 (6)2.3 总体方案的设计及结构组成 (6)第三章 XY工作台及绕XY旋转工作台的设计 (8)3.1 XY工作台的设计 (8)3.1.1主要设计参数及依据 (8)3.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 (8)3.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重 (8)3.2绕XY旋转工作台的设计 (8)3.2.1主要设计参数及依据 (8)3.2.2绕XY旋转工作台受力分析 (9)3.2.3初步选定绕XY旋转工作台的尺寸及重量估计 (9)3.3 沿Z向移动工作部分设计 (9)第四章滚珠丝杠副的选型与计算 (10)4.1滚珠丝杠的选型 (10)4.2 滚珠丝杠副导程的确定 (13)4.3 滚珠丝杠副的传动效率 (14)第五章直线滚动导轨的选型 (15)5.1定位精度高 (15)5.2降低机床造价并大幅度节约电力 (15)5.3可提高机床的运动速度 (15)5.4可长期维持机床的高精度 (15)5.5直线滚动导轨副的计算与选型 (16)5.5.1滑块承受工作载荷F max的计算及导轨型号的选取 (16)5.5.2距离额定寿命L的计算 (16)第六章步进电机的参数与选型 (17)6.1步进电动机的特点 (17)6.2 步进电动机的分类 (17)6.2.1反应式步进电动机 (17)6.2.2永磁式步进电动机 (17)6.2.3混合式步进电动机 (17)6.3步进电动机的参数及其选择 (18)6.3.1步距角的选择 (18)6.4电动机的转速与功率 (19)6.5各参素的确定 (19)3本科毕业设计（论文）通过答辩6.6初选步进电动机型号 (20)6.6.1脉冲当量的选择 (20)6.6.2等效负载转矩的计算 (20)6.6.3等效转动惯量计算 (20)6.6.4步进电动机型号选择的计算 (21)第七章轴、轴承及联轴器的选用 (26)7.1轴的材料 (26)7.1.1轴的分类 (26)7.1.2轴的材料及选择 (26)7.2 轴的结构设计 (26)7.2.1轴头、轴颈和轴身 (26)7.2.2轴上零件的轴向固定和定位 (27)7.2.3轴的周向固定： (27)7.2.4减少应力集中的措施 (27)7.3轴承的选用 (28)7.4联轴器的选用 (28)第八章连接部分 (31)8.1 螺纹紧固件的联接画法 (31)致谢 (33)参考文献 (34)4本科毕业设计（论文）通过答辩第一章绪论五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术。

五 轴的设计计算1、高速轴的设计所用参数：轴的转速min /963r n =，传递功率kW p 84.3=，轴上齿轮参数：法面模数mm m 2=，分度圆螺旋角︒=16β，齿数27=z ，齿宽mm b 70=(1)选择轴的材料减速器功率不大，又无特殊要求，故选最常用的45钢并作正火处理。

由表10-1查得MPa B 600=σ。

（2）按转矩估算轴的最小直径由表10-3取A=107~118（因轴上受较大弯矩），于是得mm n P A d )71.18~98.16(159.0)118~107(96384.3)118~107(33=⨯=⨯=≥考虑键槽对轴强度的影响（轴径增大4%~7%）和联轴器标准，取d=20mm (3)轴的结构设计根据轴的结构设计要求，轴的结构草图设计如图（1）所示。

轴1、2之间应有定位轴肩；轴段2、3及3、4之间应设置台阶以利于装配；轴4、5及5、6之间应有定位轴肩。

各轴段得具体设计如下。

轴的结构设计图（1）轴段1：考虑轴的输出端有联轴器，取mm l mm d 86,2011==轴段2：取轴肩高2.5mm,坐定位作用，故mm d 252=，该尺寸还应满足密封件的直径系列要求。

该段长度可根据结构和安装要求最后确定。

轴段3：齿轮两端对称安装一轴承，选择6206（深沟球轴承），宽度为16mm,取mm d 303=。

左轴承用套筒定位，根据轴承对安装的要求，轴肩高度取2.5mm 。

该轴段的长度3l 的确定：齿轮两侧端面至箱体内壁的距离取10mm （箱体铸造精度的要求）。

根据润滑方式中和考虑取mm l 353=。

轴段2 的长度2l ：根据箱体箱盖的加工和安装要求，取箱体轴承孔的长度为35mm ，轴端盖和箱体之间应有调整垫片，取其厚度为2mm ，轴承端盖厚度10mm ，端盖和联轴器之间应有一定的间隙，取10mm 。

中和考虑，取mm l 302=。

轴段4、5：考虑设置装配轴肩，取mm d 354=，该长度应小于齿轮轮毂宽度，取mm l 684=。