毕业设计论文--智能窗户.docx

智能窗户的机械系统设计

摘要
窗户作为室内与外界交流的通道，与人们的健康生活息息相关。而智能窗户的出现，给人们的生活带来更大的方便和安全。它是智能家庭的重要组成部分。随着科技的发展，在未来几年智能窗户会在普通家庭中得到普及。本文着重介绍了一种智能窗户机械部分的结构，它和现有的智能窗户比较，在结构和功能上有一些改动和创新。本次设计对机构尺寸的选择，轴的设计计算，强度刚度的校核计算，都给出了详细的说明，还包括典型零件的加工与机构模型的制作，并通过专业三维软件绘出机构的3D图以及装配方式。

关键词:窗户；智能；结构设计。

Intelligent window of mechanical system design

Abstract
Windows as a channel of communication with the outside-world. It is closely related to people's healthy life. And the emergence of intelligent window, bring to people's life more convenient and safe. It is an important part of intelligent family. With the development of science and technology, smart Windows in the coming years will get popular in ordinary families. This paper introduces the structure of the mechanical part of a smart Windows, compare it with existing intelligent window, there are some changes on the structure and function and innovation. The design for the selection of body size, check the strength stiffness, the calculation in the design of shaft, all details are given, it also include the establishment of typical parts processing and production of the model. Through 3D software to drew the drawing and assembly methods.

Key Words: The window; Smart; The structure design.
81

目录
摘要 1
Abstract 2
1 绪论 1
1.1 前言 1
2 方案设计 6
2.1分析、拟定传动方案 6
2.1.1齿轮齿条传动介绍 6
2.2机构结构与尺寸 8
2. 3减速器电动机的选择 15
2.3.1选择电动机类型 15
2.3.2选择电动机功率 15
2.3.3选择电动机 16
2.3.4减速电动机的介绍 17
3齿轮齿条设计 19
3.1选择材料 19
3.2按齿面接触强度计算设计 19
3.3按齿面接触强度计算设计 21
4 轴的结构设计 25
4.1轴上零件的定位固定和装配 25
4.2轴的计算 27
5 轴的加工 36
5.1加工工艺 36
5.2轴的加工 37
6 整体结构设计 40
6.1整体结构 40
7 预期达到的功能 43
总结 45
致谢 46
参考文献： 47

1 绪论
1.1 前言
时间进入到21世纪以来，科技水平提高的速度十分迅猛。随着环保、节能日益受到重视，能源的合理利用、节能产品的研制和开发取得很大的进展。人们对生活所在的家居条件要求越来越高，在这种情况下智能窗户也就应运而生。智能家居系统在经历了早期混乱的概念纷争之后，目前已经逐渐进入理性时代。如今的智能家居市场已经不再是海尔、微软等专业家电控制和IT厂家的天下，越来越多的楼房对讲厂商开始涉及并深入到智能家居行业，猛烈的冲击着楼房对讲市场格局，从而使得市场竞争更加激烈。尽管这样，用户的需求仍是第一位的，所以各厂家的产品研发主要以市场需求为导向。
随着我国房地产行业的迅速发展，这就带动了我国门窗幕墙行业的迅速发展，消费者生活水平的提高，使智能化的产品如雨后春笋，正逐步发展和壮大。而智能窗户就是在这样的环境下应运而生的，因此具有广阔的市场空间和应用前景。
1.2 研究背景及意义
窗户是房屋不可缺少的构成部分。早在春秋时期人们就学会了筑屋开窗。《诗经·幽风·鸥鹃》写老鸟筑巢养雏就有这样的诗句:“彻彼桑土，绸缪牗户。“牗”就是窗的古称。不过那时的“牗”也只是些墙壁上的小洞罢了。到后来，权贵们用牛角薄片来遮住这样的洞孔，穷苦人家就用破瓮堵塞牗洞借以抵挡寒风冷雨。用木扉为窗扇则是秦代以后的事了，那时的窗扇是从下往上推开的。东汉纸张出现后，人们就用几根木条做成窗权，然后糊上纸，挂在窗孔上方处，依然是往上推开的，必须有根木棍撑住才行，很麻烦。到了明代窗户才改进成从中间开缝向两边推开，这就方便了许多。一直到了14世纪，第一面玻璃窗才由法国的技师克莱发明出来。玻璃窗传入中国也就更晚了。
现代的窗式样越来越多了，通常都安装了玻璃。有人为了好看，窗户的边缘镶上金边，还在玻璃上刻画漂亮的图案，配上色泽协调的窗帘就更加美观了。随着高新科技的发展，窗也越发现代化了。有人用上了自动窗。只要一德电钮，窗就会自动开启;再媳开关，它又会自动紧紧关闭，甚至连窗帘都是自动开阖的。有的窗是多功能的，窗面有一层灰色的涂料，可以挡住强烈的光辐射。有的窗户上可以放录像，只要把放映机镜头对准窗户，影像就活泼生动地显现在窗户上。有的窗户设置着消音层，可以挡住室外60分贝以下的噪音，保证室内人安静地生活。窗户的变化真是越来越大，越来越称人心愿。
而智能窗户的出现，给人们的生活带来更大的方便和安全。它是智能家庭的重要组成部分。例如在炎热的夏天，学生更多的是依靠自然通风来降温。良好的气流组织形式，不但有助于人体健康，提高学习效率，而且可以降低建筑物能耗。再例如住在机场附近或生活在运输繁忙的公路旁的居民，都有说不尽的烦恼。频繁起落的飞机和疾驰而过的载重行车会产生噪音。长期受噪音干扰,有害于身心健康。对付噪音,人们似乎只有紧闭窗户,把噪音尽量挡在外面。可是,一直关窗,总是一个消极的办法。如果有一种窗户能够自动感应噪音，当外界声音分贝达到噪音时能够自然关闭使人能够安心的休息，这样就使窗户的功能得到优化从而改善人们的生活。
还有许多类智能窗户，像可以检测有害气体自动关闭的窗户，检测温度湿度自动开窗调节的窗户，检测刮风下雨自动关闭的窗户等等。随着科技的发展，在未来几年智能窗户会在普通家庭中得到普及。
1.3 国内外研究现状及发展趋势
随着人们生活水平的提高，智能化、自动化的科技产品被越来越多的应用于人们的日常生活中，而智能门窗就是其中的代表之一。智门窗产品起源于上世纪70年代的美国，随后逐步被欧美等发达国家所广泛采用。自21世纪以来，智能门窗产品在新加坡、韩国、日本、及中国等地也开始逐步被用户所采用。
轻轻的一按开关，窗户就变得不透光了，遮阳具有了全新的含义。这就是所谓的第一代智能窗户，多年来一直处于开发之中，现在终于可以随时向用户提供了。市场上第一个可用开关控制明暗程度的窗户是美国明尼苏达州沃罗德的Marvin窗户制造公司制造的。随着环保、节能日益受到重视，能源的合理利用、节能产品的研制和开发取得很大的进展。在这种背景下，80年代前期C．M．Lampert、C．G．Granqvist等首先提出将电致变色材料应用于建筑物、汽车、飞机等节能采光系统中，形成能动态调节太阳辐射能透过率的“智能窗”(Smart window)。近年来，智能窗的研究及应用一直是研究的热点。
一种防雨窗户。不需要改变窗户的结构，不用插电流，一旦沾染水滴，窗户在几秒钟内就会自动关闭。日前在西安落幕的第五届全国大学生机械创新设计大赛决赛中，华中农业大学学生设计的“防雨自动窗”荣获一等奖。指导老师王树才介绍，在窗户上安装防雨自动关窗装置后，当人们打开窗户时弹性元件为关窗储存能量，下雨时，SAP吸水材料遇水膨胀，触发锁紧机构解除锁紧，弹性元件释放能量驱动窗户运动，实现窗子的自动关闭。“这件作品把现代高分子化学材料与巧妙的机械原理相结合，可以解决雨天不关窗的后顾之忧，再也不用担心无人在家或忘记关窗时遭遇大雨的袭击。” 目前已经有成品制作出来了，安徽电视台给这种智能窗做了一个专访。
详情请看 这个窗户的优点足够智能化，能够检测刮风、下雨、有害气体、防盗等诸多功能，我发现这个产品的一个缺点就是在窗户的智能控制和手动控制之间切换的时候，齿轮和齿条不能准确的啮合，这会造成产品使用寿命变短。这个课题我要做的改进地方是在智能和手动切换的时候不用抬起齿轮装置，使用离合器完成智能开启和手动开启的转换，从而减少不必要的磨损，将使用寿命加长。
1.4本课题来源及研究内容
本课题来源于我校与三菱数控系统公司合作建设三菱电机CNC技术培训中心。2007年6月24日，经北方工业大学和三菱电机双方共同努力正式签署建立“北方工业大学——三菱电机CNC技术培训中心” 合作协议。培训中心位于我校第一实验楼104实验室，占地约为90平方米，配计算机、投影仪等实现多媒体教学，可同时容纳30人。数控系统由三菱公司赠予我校，控制对象由07中央专项立项，经招标确定北京一川数控设备有限公司作为控制对象的生产厂家，实验室设备及建设于2008年5月下旬配套安装调试完成，并投入教学使用。并于2008年6月3日举行培训中心落成典礼。
我的这个课题可以改变三菱实验室的窗户打开方式，使它由老式的推拉窗户变成现代化的智能窗户，在刮风或者下雨的天气，如果不能及时的关闭窗户，可能会使实验室里的机床等设备有损坏，所以在使窗户智能化之后，会使机床等设备更加安全，希望这个设计可以为实验室的智能化做出一点点努力。这次智能窗户的课题共有三人分别完成控制、仿真、机械结构三部分，我这次的任务是完成机械结构部分，下面我对这次设计的机械结构部分做详细的介绍。

2 方案设计
2.1分析、拟定传动方案
自动开关床任务分析：智能窗户的传动任务是由动力源通过传动机构带动窗扇在滑移槽内来回滑动。齿轮齿条传动较为准确、可靠，并且机械效率高，因此，选定齿轮齿条传动能满足多功能窗传动任务的要求。传动形式见图1。

图2.1 齿轮齿条传动

2.1.1齿轮齿条传动介绍
齿轮齿条是能互相齿合的有齿的机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。现代齿轮技术已达到：齿轮模数0.004~100毫米；齿轮直径由1毫米~150米；传递功率可达十万千瓦；转速可达十万转/分；最高的圆周速度达300米/秒。
齿轮齿条简称齿，是齿轮上每一个用于啮合的凸起部分，这些凸起部分一般呈辐射状排列，配对齿轮上的轮齿互相接触，可使齿轮持续啮合运转；齿槽是齿轮上两相领轮齿之间的空间；端面是圆柱齿轮或圆柱蜗杆上，垂直于齿轮或蜗杆轴线的平面；法面指的是垂直于轮齿齿线的平面；齿顶圆是指齿顶端所在的圆；齿根圆是指槽底所在的圆；基圆是形成渐开线的发生线作纯滚动的圆；分度圆是在端面内计算齿轮几何尺寸的基准圆。齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法等分类。 齿轮的齿形包括齿廓曲线、压力角、齿高和变位，渐开线齿轮比较容易制造，因此现代使用的齿轮中，渐开线齿轮占绝对多数，而摆线齿轮和圆弧齿轮应用较少。在压力角方面，小压力角齿轮的承载能力较小；而大压力角齿轮，虽然承载能力较高，但在传递转矩相同的情况下轴承的负荷增大，因此仅用于特殊情况。而齿轮的齿高已标准化，一般均采用标准齿高。变位齿轮的优点较多，已遍及各类机械设备中。齿条也分直齿齿条和斜齿齿条，分别与直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮配对使用； 齿条的齿廓为直线而非渐开线（对齿面而言则为平面），相当于分度圆半径为无穷大圆柱齿轮 齿条的主要特点
(1) 由于齿条齿廓为直线，所以齿廓上各点具有相同的压力角且等于齿廓的倾斜角，此角称为齿形角，标准值为20°。
(2)与齿顶线平行的任一条直线上具有相同的齿距和模数。
(3)与齿顶线平行且齿厚等于齿槽宽的直线称为分度线（中线），它是计算齿条尺寸的基准线。

图2.2 运动原理图
2.2机构结构与尺寸
机构的外壳设计
第一次的机构与外壳设计如下图：

图2.3 第一次外壳设计
这种外壳的设计初衷是为了安装方便，在找到老师看这种设计的合理性时，老师及时指出了我的错误。这种设计的外壳在生产加工时很不方便，会浪费很大的加工时间和经费。这种设计是不可取的。为了解决这个问题，后来采用板材拼接而成的外壳，板上有定位槽，用来确定位置，侧板和底板用较小的定位槽确定位置然后用螺钉连接。板材示意图如下图：

图2.4 侧板

图2.5 底板

图2.6 顶板

图2.7前板

外壳就是用这几块板材拼接而成，这种方法拼接可以省去大量的加工时间。

机构的尺寸要做到小而且不能影响功能，所以在尺寸设计上要细心考虑到外观的合理性。
机构的设计原理前面已经说到了，这里要说的是机构外壳的设计。考虑到加工工艺性，机构的外壳不能整体铣削出来，所以机构外壳使用板材拼接而成。板材使用pvc板料经过切割铣削打孔出来，进行拼接。
pvc板材的优点很多，下面介绍其优点：
a.pvc板材稳定性、介电性好，耐用、抗老化，易熔接及粘合。
b.pvc板材质量轻、隔热、保温、防潮、阻燃、耐酸碱、抗腐蚀。
　　c.通过捏合、混炼、拉片、切粒、挤压或压铸等工艺pvc板材pvc板材极易加工成型，可满足各种型材规格的需要。
　 d.pvc板材表面光滑、色泽鲜艳、极富装饰性，装饰应用面较广。
　　e.施工工艺简单，安装较为方便。
　　f.pvc板材抗弯强度及冲击韧性强，破裂时延伸度较高。pvc板材被广泛用于化工、环保、电渡、电子、食品、装修、医药等行业，比如化工塑料容器制作安装，设备防腐加工制造，水处理工程等。
pvc板材具有轻质、隔热、保温、防潮、阻燃、施工简便等特点。规格、色彩、图案繁多，极富装饰性，可应用于居室内墙和吊顶的装饰，是塑料类板材中应用最为广泛的装饰材料之一。

机构外形尺寸：

图2.8机构尺寸a

图2.9机构尺寸b
运动流程：

图2.10 运动流程图
2. 3减速器电动机的选择
2.3.1选择电动机类型
为了能够控制智能窗户的开关，所以选择电动机为执行元件。对于窗户，就一般而言，每扇窗户的质量m估算在8Kg左右，加上装置后
G=mg=10X10=100N （式2.1）
由于电动机带动窗户的运动过程往复滑动为滑动摩擦，所以摩擦系数f=0.3在
电动机上施加的力约为：
F=f G=0.3X100N （式2.2）
力矩约为
T=F∙ r（r为齿轮半径） （式2.3）
=30X0.01=0.3N m
估取最大工作速度V=0.06m／S （式2.4）
由于装置的体积不能太大，电动机在选择时应尽量选择小尺寸型号的电动机。
2.3.2选择电动机功率
由电动机输出轴至齿轮的总效率为:
ηa=η1 η23 η3 （式2.5）
式中η1η2η3分别为联轴器、轴承和齿轮的传动效率。
取η1=0.97 η2=0.98 η3=0.96
则η=0.97×0.983×0.96=0.876
电动机所需输入功率：
Pd=Fv1000ηw =30×0.061000×0.87 （式2.6）
=2.06W
2.3.3选择电动机
由于考虑电动机尺寸的大小和输出扭矩选取60KTYZ减速机马达。
60KTYZ的主要参数如下表：

表2.1减速电动机参数
电压
额定转速
输出扭矩
外形尺寸
重量
AC220V
60r／min
3.5Kg cm
Φ60×60
0.55Kg

图2.10 减速电动机
2.3.4减速电动机的介绍
减速马达是指减速机和马达(电机)的集成体。这种集成体通常也可称为齿轮马达或齿轮电机。通常由专业的减速机生产厂进行集成组装好后成套供货。减速马达广泛应用于钢铁行业、机械行业等。使减速电机的优点是简化设计、节省空间。减速机一般是通过把电动机.内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的。
减速马达的特点
1、减速马达结合国际技术要求制造,具有很高的科技含量。
2、节省空间,可靠耐用,承受过载能力高,功率可达95KW以上。
3、能耗低,性能优越,减速机效率高达95%以上。
4、振动小,噪音低,节能高,选用优质段钢材料,钢性铸铁箱体,齿轮表面经过高频热处理。
5、经过精密加工,确保定位精度,这一切构成了齿轮传动总成的齿轮减速电机配置了各类电机,形成了机电一体化,完全保证了产品使用质量特征。
6、使用了系列化、模块化的设计思想,有广泛的适应性,本系列产品有极其多的电机组合、安装位置和结构方案,可按实际需要选择任意转速和各种结构形式。

3齿轮齿条设计
3.1选择材料
这里将齿条选择用40Cr（调质）,它的材料硬度是280HBS，齿轮的材料选择为45钢（调质），硬度为240HBS，它们的精度等级选6级精度，选择齿轮齿数Z=20。
3.2按齿面接触强度计算设计
即d1t≧2.323KT∅du±1u（ZEδH）2 （式3.1）

（1） 确定各计算值
1） 试选K=1.3 ，齿宽系数∅d=0.8
2） 由表差得此材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa12
3） 查图10-21d：齿轮的接触疲劳强度极限δHlim1=550MPa

齿条的接触疲劳强度极限δHlim2=600MPa
4） 计算应力循环次数
设每天窗户打开次数为10次
N=60njLn=60×60×1×10×365×10 （式3.2）
=1.314×108
5） 由图10-19取接触疲劳寿命系数KHN1=0.95
6） 计算接触疲劳许用应力
取失效率为1%，安全系数S=1，由式10-12得： δH1=KnN1 δlim1S=0.95×550 （式3.3）
=522.5MPa

δH2=KnN2 δlim2S （式3.4）
=0.95×600=570MPa
7）计算齿轮传递的分度圆直径d1t，带入δH中较小的值
d1t≥2.32×32KT∅d∈αu±1uZH ZEδH2=20.47 （式3.5）
8) 计算圆周速度V
V=nπd1t 60×1000=3.14×20.47×5260000=5.57cms （式3.6）

V=nπd1t60×1000=3.14×20.47×6060000=6.42cms （式3.7）
9） 计算齿宽b
b=∅d d1t=0.8×20.47=16.376 （式3.8）
10) 计算齿宽与齿高之比bh
模数mt=d1tZ=20.4720=1.02mm （式3.9）
齿高h=2.25mt=2.25×1.02=2.29mm
bh=1.632.29=7.15 （式3.10）
11) 计算载荷系数
根据V=0.06ms 6级精度，由图查得动载系数Kv=1.09
直齿轮KHα=KFα=1
由表查得使用系数KA=1
由表用插值法查得KHβ=1.423
由bh=7.15 ， KHβ=1.423 查图得KFβ=1.35
故载荷系数 K=KAKvKHαKHβ （式3.11）
=1×1.09×1×1.423=1.55
12）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径
所以 d1=d1t3KKt=20.47×31.551.3=21.67 （式3.12）
13）计算模数m
m=d1Z=21.6720=1.08mm （式3.13）

3.3按齿面接触强度计算设计

(1)按齿根弯曲强度设计
弯曲强度设计公式为：
m≥32KT ∅dZ2YFαYSαδF （式3.14）
确定公式内的各计算值
1)由图查得：齿条的弯曲疲劳强度的极限是：
δFE1=500MPa
齿轮的弯曲疲劳强度的极限是：
δFE2=380MPa
2)由图取弯曲疲劳寿命系数
KFN1=0.95 KFN2=0.98
3）计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳完全系数S=1.4得：

δF1=KFN1δFE1S=0.95×5001.4MPa=339.3MPa （式3.15）
δF2=KFN2δFE2S=0.98×3801.4MPa=266MPa （式3.16）
4）计算载荷系数K
K=KAKVKFαKFβ （式3.17）
=1×1.09×1×1.35=1.47
5）查取齿形系数
查得YFα1=2.06
YFα2=2.97
6）查取应力校正系数
查得YSα1=1.97
YSα2=1.52
7）计算齿轮齿条的YFαYSαδF并加以比较
YFα1YSα1δF1=2.06×1.97339.3=0.012 (式3.18)

YFα2YSα2δF2=2.97×1.52266=0.017 （式3.19）
比较得出齿轮的数值大

设计计算 m≥32KnZ2YFα2YSα2δF2=1.17mm （式3.20）
对比结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载力，仅与齿轮直径有关，可取弯曲强度计算所得的模数1.17 。并就近圆整为标准值m=1mm，按接触强度算得的分度圆直径d1=21.67mm,算出齿轮齿数Z=d1m=21.671≈20。
（3）几何尺寸计算
1）计算分度圆直径 d=Z m=20×1=20mm （式3.21）

2)计算齿轮宽度 b=∅d∙d=0.8×20=16mm （式3.22）

齿轮传动特点：
1）瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比能按需要的变化规律来设计。
2）传动比范围大，可用于减速或增速。
3）速度（指节圆圆周速度）和传递功率的范围大，可用于高速（v>40ms）、中速和低速（v<25ms）的传动；功率可从小于1W到105KW。
4）传动效率高。一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。
5）结构紧凑，适用于近距离传动。
6）制造成本较高。某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用的或高精度的机床、刀具和测量仪等，故制造工艺复杂，成本高。
7）精度不高的齿轮，传动时噪声、震动和冲击大，污染环境。
8）无过载保护作用。
齿轮传动类型选择的原则:
1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求等。对以上要求应作全面的深入分析，满足主要的要求，兼顾其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮的传动效率；对短期间歇运移的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的齿轮传动，则要求可靠性高。
2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。
3）考虑合理性、先进性和经济性等。

4 轴的结构设计
4.1轴上零件的定位固定和装配
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和空转的要求外，还必须进行轴向和周向定位，以保证准确的工作位置
（1）主动轴
主动轴与电动机连接，通过刚性联轴器使电动机动力传给主动轴。主动轴靠一对深沟球轴承支撑。

图 4.1 主动轴
Ⅰ段:轴的最小直径为安装联轴器处的直径d1，故同时选用联轴器的转矩
计算TCa=KAT1 （式4.1）
查教材可知，考虑到转矩变化很小
取Ka=1.3
则TCa=1.3×0.3=0.39N∙m
因此选取Ⅰ段：d1=7mm ，长度L1=15mm

Ⅱ段：因为 h=（0.07~0.1）d （式4.2）
为了便于配合轴承，此处dⅡ=10mm 度LⅡ=12mm 查机械手册初选用61900型号深沟球轴承
d×D×B=10×22×6
Ⅲ段：h=（0.07~0.1）d 取h=2 dⅢ=12m LⅢ=20mm
Ⅳ段：此处需连接传递动力的卡子，所以在长度选择上要考虑卡子的厚度B=10mm
此处dⅣ=10mm LⅣ=25mm

（2）从动轴

图4.2 从动轴

从动轴需要在轴套中滑动，所以从动轴与轴套必须是间隙配合。

1段：d1选择的尺寸需和卡子装配，所以d1与主动轴dⅣ应相同，此处d1=10mm。
2段：此处轴肩根据公式h=（0.07~0.1）d 取h=2mm ，所以d2=12mm L2=5mm。
3 段：轴的这一端与齿轮连接，因为之前选定齿轮为1模20齿的台阶齿轮，所以此处d3=10mm，L3的长度定为92mm。
两轴均不存在键槽，因为考虑到扭力不是很大，所以选取的联轴器卡子和齿轮由紧定螺丝、抱紧的方式固定。

4.2轴的计算
已知前面选择电动机功率2.06W，转速n1=60rmin
(1)计算主动轴
1）计算主动轴上的功率P1 转速n1和转矩T1
P1=P∙η=2.06×0.97=1.99W （式4.2）

又知n1=60rmin （式4.3）
T1=9550000P1n1=9550000×1.9960≈318046N∙mm （式4.4）
2）初步确定轴的最小直径
先按教材上式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调制处理根据表15-3选取A0=103，于是：
dmin=A03P3n3=6.21mm （式4.5）
主动轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径，为了使所选的轴直径与联轴器孔径相适应，选取联轴器孔径为7mm。
联轴器的计算转矩TCa=KAT1 （式4.6）
查表14-1，考虑到转矩变化很小，所以取KA=1.3
则TCa=KA∙T1=1.3×318046 =413459.8 N∙mm

选用ZQ钢性联轴器，联轴器的孔径为7mm，故选取主动轴为7mm，刚性联轴器的长度L=20mm。
联轴器图片如下：

图4.3 刚性联轴器

联轴器介绍：
联轴器属于机械通用零部件范畴，用来连接不同机构中的两根轴（主动轴和从动轴）使之共同旋转以传递扭矩的机械零件。在高速重载的动力传动中，有些联轴器还有缓冲、减振和提高轴系动态性能的作用。联轴器由两半部分组成，分别与主动轴和从动轴联接。一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接，是机械产品轴系传动最常用的连接部件。20世纪后期国内外联轴器产品发展很快，在产品设计时如何从品种甚多、性能各异的各种联轴器中选用能满足机器要求的联轴器，对多数设计人员来讲，始终是一个困扰的问题。常用联轴器有膜片联轴器，齿式联轴器，梅花联轴器，滑块联轴器，鼓形齿式联轴器，万向联轴器，安全联轴器，弹性联轴器及蛇形弹簧联轴器。
a.凸缘式联轴器
特点：构造简单，成本低，可传递较大转矩。不允许两轴有相对位移，无缓冲。
用途：在转速低，无冲击，轴的刚性大，对中性较好的场合应用较广。

b.滑块联轴器
半联轴器上的凹槽与中间滑块的凸榫移动副可补偿两轴偏移
特点、应用：无缓冲，移动副应加润滑,用于低速传动
c.弹性联轴器
特点：缓冲吸振，可补偿较大的轴向位移，微量的径向位移和角位移。
应用：正反向变化多，启动频繁的高速轴。
d.安全联轴器
在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。 起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。
e.刚性联轴器
刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。
f.挠性联轴器
具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。
无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。
非金属弹性元件的挠性联轴器 在转速不平稳时有很好的缓冲减震性能；但由于非金属（橡胶、尼龙等）弹性元件强度低、寿命短、承载能力小、不耐高温和低温，故适用于高速、轻载和常温的场合 。
金属弹性元件的挠性联轴器：除了具有较好的缓冲减震性能外，承载能力较大，适用于速度和载荷变化较大及高温或低温场合。
具体分类可分为：万向联轴器、齿式联轴器、轮胎式联轴器、星形弹性联轴器、梅花形弹性联轴器、弹性套柱销联轴器。
3）轴的设计如前面所述
a.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
为了满足联轴器的连接需求, Ⅰ-Ⅱ段的直径dⅠ-Ⅱ=7mm，现取Ⅰ-Ⅱ段的长度LⅠ-Ⅱ=15mm。
Ⅱ-Ⅲ段和轴承配合（过渡配合）
因为轴承只受径向力的作用，故选用深沟球轴承，参照工作要求并根据dⅡ-Ⅲ=10mm，选择标准精度级的深沟球轴承61900，右端采用轴肩进行定位，轴肩高度h>0.07d，取h=2，则取dⅢ-Ⅳ=12mm，LⅢ-Ⅳ=20mm
Ⅲ-Ⅳ段取dⅢ-Ⅳ=10mm，此处安装和Ⅱ-Ⅲ段一样的深沟球轴承61900，轴承d×D×B=10×22×6 。所以LⅢ-Ⅳ=25mm。至此，已经初步确定了轴的各段直径和长度。
b.轴上零件的周向定位
联轴器卡子与轴的连接方式分别采用紧定螺钉和抱紧的方式。联轴器与轴的配合公差为H7K6，深沟球轴承与轴的轴向定位是由过渡配合来保证的。

c.确定轴上倒角尺寸
参考教材表15-2，取轴端倒角为0.5×45° 。
（2）计算从动轴
1)计算从动轴上的功率P2转速n2和转矩T2
P2=P1∙η=1.99×0.97=1.93W （式4.7）
n2=60rmin
T2=9550000P2n2=9550000×1.9360≈307191N∙mm （式4.8）

2）初步确定轴的最小直径
先按教材上式（15-2）初步估算轴的最小直径选取轴的材料为45钢，调制处理根据表15-3选取A0=103，于是
dmin=A03P2n2=9.61mm （式4.9）

从动轴的最小直径是安装卡子处和齿轮处的直径，为了使所选的轴直径与卡子孔径为10mm
卡子的计算转矩TCa2=KAT2 （式4.10）
查表14-1，考虑到转矩变化很小，所以取KA=1.3
则TCa2=KA∙T2=1.3×307191=399348.3 N∙mm

3）轴的设计如前面所述
a.根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。为了满足卡子的安装需求，现取
1段长度为35mm，直径为d1=10mm
2段处为轴肩，在3段上需要加装轴承，轴承型号和主动轴上所用的轴承相同，同是深沟球轴承型号为61900 尺寸
d×D×B=10×22×6
轴肩高度h>0.07d 取h=2 2段长度不用很长，只需要用来定位和固定
轴承的一个轴向定位，现取2段轴肩处的长度为5mm，
d2=12mm

3段需安装齿轮、轴承和轴承卡簧，轴承卡簧用来固定轴和轴承，使轴承不能在轴上轴向滑动，这个设计是使整套机构具有离合的功能，考虑到轴承的厚度和安装齿轮的需要，选择3段长度为92mm。
b.轴上零件的周向定位
卡子与轴的连接方式为抱紧方式，齿轮和轴的连接方式为抱紧，齿轮和轴的连接方式由紧定螺钉固定，齿轮和卡子与轴的配合公差为H7K6，深沟球轴承与轴的轴向定位是由过度配合固定，轴承卡簧卡住轴承使轴承在轴向不能滑动。

c.确定轴上倒角尺寸
参考教材表15-2，取轴端倒角为0.5×45°

d.从图上看可以看出从动轴比主动轴更容易受到损害，所以在校核的时候，这里的校核轴只校核从动轴，首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。