高速轴轴系部件设计
哈工大_机械设计大作业_轴系部件设计_5.3.5
Harbin Institute of Technology机械设计大作业题目：轴系部件设计院系：机电工程学院班级：指导老师：姓名：学号：©哈尔滨工业大学目录一、材料选择 (3)二、初算轴径 (4)三、轴系结构设计 (4)3.1轴承部件的结构型式及主要尺寸 (4)3.2及轴向固定方式 (4)3.3选择滚动轴承类型 (4)3.4 轴的结构设计 (5)3.5 键连接设计 (5)四、轴的受力分析 (6)4.1 画出轴的结构和受力简图 (6)4.2 计算支承反力 (6)4.3 画出弯矩图 (7)4.4 画出扭矩图 (7)五、校核轴的强度 (8)六、校核键连接强度 (9)七、校核轴承寿命 (9)7.1 当量动载荷 (9)7.2 校核轴承寿命 (9)八、轴上的其他零件 (10)8.1 毡圈 (10)8.2 两侧挡油板 (10)8.3 轴承端盖螺钉连接 (10)九、轴承端盖设计 (10)9.1 透盖 (10)9.2 轴承封闭端盖 (10)十、轴承座 (10)十一、参考文献 (11)轴系部件设计任务书题目: 设计绞车（带棘轮制动器）中的齿轮传动高速轴轴系部件结构简图见下图:。
原始数据如下：室内工作、工作平稳、机器成批生产一、材料选择通过已知条件和查阅相关的设计手册得知，该传动机所传递的功率属于中小型功率。
因此轴所承受的扭矩不大。
故选45号钢，并进行调质处理。
二、初算轴径对于转轴，按扭转强度初算直径：min d C ≥其中2P ——轴传递的功率，=2 3.0P KW m n ——轴的转速，r/min ，296.5/min m n r =C ——由许用扭转剪应力确定的系数。
查表10.2得C=106～118，考虑轴端弯矩比转矩小，取C=106。
≥=⨯=min d 10622.93Cmm由于考虑到轴的最小直径处要安装大带轮，会有键槽存在，故将其扩大5%，得min d 1.0524.07k d mm ≥⨯=，按标准GB2822-81的10R 圆整后取125=d mm 。
轴系零件
9.2.1 轴的分类和应用特点
1.轴的类型 （1）根据轴的功用和承载情况分类 ①心轴 承受弯矩，不传递转矩的轴。如自行车前轮轴(图1)。心轴有固定心轴和转动心 轴。 ②传动轴 以传递转矩为主，不承受弯矩或承受很小的弯矩的轴。如汽车变速箱与后桥 之间的传动轴(图2)。 ③转轴 既传递转矩，又承受弯矩的轴。如齿轮减速器的输出轴（图3）。
普通平键联接
9.1.1 键联接的类型及其特点
②导向平键和滑键 当轴上零件在工作过程中需作轴向移动时，则需采用由导向平键或滑 键组成的动联接。导向平键（图1a）用螺钉固定在轴上的键槽中，工作时键对轴上滑动零件起导 向作用，其端部有圆头（A型）和平头（B型）两种。当零件滑移距离较大时，宜采用滑键（图 1b），滑键是将键固定在轮毂上，并与轮毂一起在轴上的键槽中滑动。
9.1.1 键联接的类型及其特点
2.紧键联接 紧键可分为楔键联接和切向键联接。 ①楔键联接 能在轴上作轴向固定零件，可承受不大的单向轴向力，键的上下面 为工作面，上表面制成1：100的斜度。楔键分为普通楔键及钩头楔键，如图1所示。 普通楔键又有圆头（A型）及方头（B型）两种形式。楔键联接多用于承受单向轴向力， 对精度要求不高的低速机械上。
9.1.3 销联接的形式和应用
2．销联接的功用及示例 销联接的主要功用是：定位、传递运动和动力，以及作为安全装置中的过载剪断零件。 (1)作定位零件 固定零件间的相互位置。起这种作用的圆柱销或圆锥销，通常称为定位销。 图1所示为应用圆锥销实现定位的示例，因为圆锥销具有l：50的锥度，具有可靠的自锁性， 可以在同一销孔中经多次装拆而不影响被联接零件的相互位置精度。定位销一般不承受载荷或只 承受很小的载荷，直径可按结构要求来确定。使用的数目不得少于两个。销在每一联接件内的长 度约为销直径的1～2倍。 定位销也可用圆柱销，圆柱销是靠过盈配合而固定在孔中的(常用m6、h8、hll和u8四种， 以满足不同的要求)，所以如经过多次装拆，就会降低联接可靠性和定位精度。对于盲孔的联接或 者为了装拆方便，则可以使用内螺纹圆锥销(或内螺纹圆柱销)，如图1b所示。
轴系零部件
第五章 轴系零部件
五、轴的结构设计
轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。 主要有以下要求：
如汽车的主传动轴、转向轴等（图5-3）。
3. 转轴
工作时既承受弯矩（支撑转动零件），又承受转矩（传递
动力）的轴称为转轴，如减速器中的轴（图5-4）。这是机器
中最常见的轴。
第五章 轴系零部件
按轴线情况的不同，轴还可分为直轴和曲轴（图4-5c）。 直轴又分为光轴（图4-5a）和阶梯轴（图4-5b）两种。
第五章 轴系零部件
图5-8 双圆螺母
图5-9轴端挡圈
采用套筒、轴端挡圈、螺母作轴向固定时，应将装零件的
轴段长度做得比零件轮毂短2~3mm。以保证套筒、螺母或轴 端挡圈能靠紧零件端面。
为了保证轴上零件紧
靠定位面（轴肩），轴
肩的圆角半径r必须小于 相配零件的倒角C1或圆 角半径R，轴肩高必须 大于C1或R（图5-10）
第五章 轴系零部件
第二节 轴 承
一、轴承的功用与分类 1．轴承的功用 轴工作时大多数要作旋转运动，因此轴承是用来支撑轴及 轴上回转零件，使轴能实现旋转运动的部件。 2．轴承的分类 按轴承能承受载荷的方向，可分为可承受径向载荷的向心 轴承、可承受轴向载荷的推力轴承和既可承受径向载荷又能 承受轴向载荷的向心推力轴承。 按轴承工作时的摩擦性质，可分为滑动摩擦轴承（简称滑 动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。 与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、 效率高、润滑简便和易于互换等优点，其缺点是抗冲击能力 差，高速时出现噪声，工作寿命也不及滑动轴承。虽然滚动 轴承具有一系列优点，获得广泛应用，但是在高速、高精度、 重载、结构上要求剖分等场合，滑动轴承就显示出它的优异 性能。因而，在汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机
机械设计课程设计说明书(完整版)
机械设计课程设计原始资料一、设计题目热处理车间零件输送设备的传动装备二、运动简图图11—电动机2—V带3—齿轮减速器4—联轴器5—滚筒6—输送带三、工作条件该装置单向传送,载荷平稳,空载起动,两班制工作，使用期限5年(每年按300天计算），输送带的速度容许误差为±5％.四、原始数据滚筒直径D（mm):320运输带速度V（m/s）:0。
75滚筒轴转矩T（N·m）:900五、设计工作量1减速器总装配图一张2齿轮、轴零件图各一张3设计说明书一份六、设计说明书内容1。
运动简图和原始数据2。
电动机选择3. 主要参数计算4. V带传动的设计计算5。
减速器斜齿圆柱齿轮传动的设计计算6. 机座结构尺寸计算7。
轴的设计计算8. 键、联轴器等的选择和校核9。
滚动轴承及密封的选择和校核10。
润滑材料及齿轮、轴承的润滑方法11。
齿轮、轴承配合的选择12。
参考文献七、设计要求1. 各设计阶段完成后，需经指导老师审阅同意后方能进行下阶段的设计;2. 在指定的教室内进行设计.一. 电动机的选择一、电动机输入功率二、电动机输出功率其中总效率为查表可得Y132S—4符合要求,故选用它。
Y132S—4(同步转速，4极）的相关参数表1二。
主要参数的计算一、确定总传动比和分配各级传动比传动装置的总传动比查表可得V带传动单级传动比常用值2~4,圆柱齿轮传动单级传动比常用值为3~5，展开式二级圆柱齿轮减速器。
初分传动比为,，。
二、计算传动装置的运动和动力参数本装置从电动机到工作机有三轴，依次为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ轴，则1、各轴转速2、各轴功率3、各轴转矩表2三 V带传动的设计计算一、确定计算功率查表可得工作情况系数故二、选择V带的带型根据，由图可得选用A型带。
三、确定带轮的基准直径并验算带速1、初选小带轮的基准直径。
查表8—6和8—8可得选取小带轮的基准直径2、验算带速按计算式验算带的速度因为，故此带速合适。
3、计算大带轮的基准直径。
概述轴系的结构方案设计
概述轴系的结构方案设计轴系的结构方案设计和机器的整体质量息息相关，一旦发生轴失效，将导致严重后果。
轴系的结构方案设计和一般零部件的设计存在很大的差异，不仅包括强度设计，还包括结构设计。
1 基于功能元的结构方案设计分析机械产品概念设计内容主要包括下列三个部分：功能抽象化、功能分解、功能结构图设计。
机器可被视作一个大系统，在这个系统中，各种零件按照某种关系组合在一起，以满足客户的特定需求，其基本功能要素如下：（1）轴承集——支撑功能的功能元；（2）齿轮副集——传递运动的功能元；（3）螺栓集——紧固功能元。
在每一类功能元中，又可根据功能特性的差异而做进一步的细分。
以图1所示的单级减速器为例，扭矩通过轴、键、齿轮、轴承、轴承座进行传递，力的传递过程可以用图2表示。
2 轴系主要功能元的特征属性分析2.1 轴的属性轴发挥着支撑以及传递转矩的功能，其决定性能的因素主要有两个：一是刚度，二是强度。
在轴的设计过程中，不仅要以工作能力准则为基础，而且要兼顾如下要求：（1）轴向定位方法的运用；（2）周向固定轴上的各类零件，使其符合转矩传递的要求；（3）轴和其他部分存在相对滑动的表面要具有良好的耐磨性；（4）符合实际工艺生产要求。
2.2 传动类结构功能元两轴间的运动通常依靠齿轮传动来完成。
齿轮传动不仅效率高，而且持续稳定，因而具有很强的适应性。
齿轮副有以下分类：（1）平面齿轮——直齿/斜齿圆柱齿轮传动；（2）空间齿轮——传递相交轴/交错轴运动。
结合齿轮的特点及使用条件，采用功能元划分的方法将齿轮副的十大特征总结如下：（1）传动比；（2）传动平稳性；（3）传动效率；（4）耐磨性；（5）结构紧凑性；（6）轴向力；（7）承载能力；（8）转速要求；（9）两轴线方向；（10）制造成本。
2.3 支撑类结构功能元在机器中，轴承装置是一种应用广泛且相当关键的部件，其设计质量关系着机器是否能够正常运转。
轴承装置的设计涉及多种知识与技术，表现出了一定的复杂性和灵活性。
机械课程设计轴的计算
五 轴的设计计算一、高速轴的设计1、求作用在齿轮上的力高速级齿轮的分度圆直径为d 151.761d mm =112287542339851.761te T F N d ⨯=== tan tan 2033981275cos cos1421'41"n re te F F N αβ=⋅=⨯=tan 3398tan13.7846ae te F F N β==⨯=。
2、选取材料可选轴的材料为45钢，调质处理。
3、计算轴的最小直径，查表可取0112A =331min 015.2811223.44576P d A mm n ==⨯=应该设计成齿轮轴，轴的最小直径显然是安装连接大带轮处，为使与带轮d Ⅰ-Ⅱ 相配合，且对于直径100d mm ≤的轴有一个键槽时，应增大5%-7%，然后将轴径圆整。
故取25d mm =Ⅰ-Ⅱ 。
4、拟定轴上零件的装配草图方案(见下图)5、根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度（1）根据前面设计知大带轮的毂长为93mm,故取90L mm I-II =，为满足大带轮的定位要求，则其右侧有一轴肩，故取32d mm II-III =，根据装配关系，定35L mm II-III =（2）初选流动轴承7307A C ，则其尺寸为358021d D B mm mm mm ⨯⨯=⨯⨯，故35d mm d III-∨I ∨III-IX ==，III -I∨段挡油环取其长为19.5mm,则40.5L mm III-I∨=。
（3）III -I∨段右边有一定位轴肩，故取42d mm III-II =，根据装配关系可定100L mmIII-II =，为了使齿轮轴上的齿面便于加工，取5,44L L mm d mm II-∨I ∨II-∨III II-∨III ===。
（4）齿面和箱体内壁取a=16mm,轴承距箱体内壁的距离取s =8mm,故右侧挡油环的长度为19mm,则42L mm ∨III-IX =（5）计算可得123104.5,151,50.5L mm L mm L mm ===、（6）大带轮与轴的周向定位采用普通平键C 型连接，其尺寸为10880b h L mm mm mm ⨯⨯=⨯⨯,大带轮与轴的配合为76H r ，流动轴承与轴的周向定位是过渡配合保证的，此外选轴的直径尺寸公差为m6. 求两轴承所受的径向载荷1r F 和2r F带传动有压轴力P F (过轴线，水平方向)，1614P F N =。
轴系部件的选择与设计
目录轴系部件的选择与设计 (1)1. 轴系设计的基本要求 (1)（1）旋转精度、刚度、抗振性、热变形 (1)（2）机床主轴传动齿轮空间布置比较 (1)2. 轴系(主轴)用轴承的类型与选择 (2)（1）标准滚动轴承； (2)（2）深沟球轴承； (2)（3）双列向心短圆柱滚子轴承； (2)（4）圆锥滚子轴承； (2)（5）推力轴承。
(2)3. 提高轴系性能的措施 (5)（1）提高轴系的旋转精度 (5)（2）提高轴系组件的抗振性 (5)轴系部件的选择与设计1.轴系设计的基本要求轴系由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成，有主轴轴系和中间传动轴轴系。
轴系的主要作用是传递转矩及精确的回转运动，它直接承受外力(力矩)。
对于中间传动轴系一般要求不高。
而对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗振性等的要求较高。
（1）旋转精度、刚度、抗振性、热变形旋转精度是指在装配之后，在无负载、低速旋转的条件下轴前端的径向跳动和轴向窜动量。
轴系的刚度反映了轴系组件抵抗静、动载荷变形的能力。
轴系的振动表现为受迫振动和自激振动两种形式。
其振动原因有轴系组件质量不匀引起的动不平衡、轴的刚度及单向受力等；它们直接影响旋转精度和轴承寿命。
轴系的受热会使轴伸长或使轴系零件间隙发生变化，影响整个传动系统的传动精度、旋转精度及位置精度。
又由于温度的上升会使润滑油的粘度发生变化，使滑动或滚动轴承的承载能力降低。
（2）机床主轴传动齿轮空间布置比较机床主轴传动齿轮空间布置比较2.轴系(主轴)用轴承的类型与选择（1）标准滚动轴承；（2）深沟球轴承；（3）双列向心短圆柱滚子轴承；（4）圆锥滚子轴承；（5）推力轴承。
双列向心短圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、双列推力球轴承图1）配套应用例上图为其配套应用实例，双列向心短圆柱滚子轴承的径向间隙调整，是先将螺母6松开、转动螺母1,拉主轴7向左推动轴承内圈，利用内圈胀大以消除间隙或预紧。
这种轴承只能承受径向载荷。
机械设计基础-轴及轴承设计
轴及轴承设计
按照轴的轴线形状,可将轴分为直轴、曲轴和挠性轴。 直轴各轴段轴线为同一直线。 曲轴各轴段轴线不在同一直 线上,主要用于有往复式运动的机械中,如内燃机中的曲轴 (见图10-5)。挠性轴轴线可任意弯曲,可改变运动的传递方向, 常用于远距离控制机构、 仪表传动及手持电动工具中(见图 10-6)。另外还有空心轴、光轴和阶梯轴(见图10-7)。
轴及轴承设计
图10-11 减小轴圆角处应力集中的结构
轴及轴承设计
(2)制造工艺方面。提高轴的表面质量,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 著提高轴的疲劳强度。
(3)轴上零件的合理布局。在轴结构设计时,可采取改变 受力情况和零件在轴上的位 置等措施,达到减轻轴载荷,减小 轴尺寸,提高轴强度的目的。
轴及轴承设计
图10-8 轴的结构
轴及轴承设计
在图10-8中,轴各部分的含义: 轴颈:轴与轴承配合处的轴段。 轴头:安装轮毂键槽处的轴段。 轴身:轴头与轴颈间的轴段。 轴肩或轴环:阶梯轴上截面尺寸变化的部位,其中一个尺 寸直径最大称为轴环。
轴及轴承设计
1.轴上零件的定位和固定 轴上零件的定位是为了保证传动件在轴上有准确的安装 位置;固定则是为了保证轴上 零件在运转中保持原位不变。 (1)轴上零件的轴向定位和固定。为了防止零件的轴向 移动,通常采用下列结构形式 实现轴向固定:轴肩、轴环、套 筒、圆螺母和止退垫圈、弹性挡圈、轴端挡圈等。 (2)轴上零件的周向固定。周向固定的目的是为了限制 轴上零件相对于轴的转动,以 满足机器传递扭矩和运动的要 求。常用的周向固定方法有键、花键、销、过盈配合、成型 连 接等,其中以键和花键连接应用最广。
齿轮润滑采用油浴润滑,轴承采用脂润滑。
滚动轴承轴系结构设计
9—3 滚动轴承轴系结构设计滚动轴承轴系的结构设计，主要是解决轴承在机器中的固定、调整、预紧、配合、装拆、润滑与密封等问题。
一、支承部分的刚度和同轴度轴承在载荷的作用下应具有一定的旋转精度和寿命，这就要求轴承以及与轴承相配的轴、轴承座或箱体都应具有足够的刚度。
一般外壳及轴承座孔壁均应有足够的厚度，壁板上的轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用加强筋来增强支承部位的刚度 ( 图 9 － 12) 。
如果外壳是用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套杯 ( 图 9 － 13) 。
对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。
最好的办法是采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗出。
如在一根轴上装有不同尺寸的轴承时，外壳上的轴承孔仍应一次镗出，这时可利用衬筒来安装尺寸较小的轴承。
当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组合在一起进行镗孔。
图 9—12 用加强筋增强轴承座孔刚度图 9—13 利用套杯安装轴承二、滚动轴承的轴向固定滚动轴承的轴向固定，包括轴承外圈与机座的固定和轴承内圈与轴的固定。
对这两种固定的要求取决于轴系 ( 轴、轴上零件、轴承与机座的组合 ) 的使用和布置情况。
一方面，轴和轴承相对于机座应有确定的位置，以保证轴上零件能正常地传递力和运动；另一方面，由于工作中轴和机座的温度不相等 ( 通常轴的温度高于机座的温度 ) ，而温差可能产生较大的温度应力。
为保证轴系中不致产生过大的温度应力，应在适当的部位设置足够大的间隙，使轴可以自由伸缩。
常见的滚动轴承的轴向固定形式有如下几种。
1 . 两端固定支承如图 9 － 14 所示，轴两端的轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，合起来就限制轴的双向移动。
为补偿轴的受热伸长，轴承盖与外圈端面之间应留有 0.25 ～0.4mm 的补偿间隙 c （图 9 — 14b ）。
间隙值可用改变轴承盖和箱体之间的垫片厚度进行调整。
轴的分类、材料和设计方法
轴的分类、材料和设计方法轴是组成机械的重要零件之一，各类做回转运动的传动零件都是通过轴来传递运动和动力。
通常轴与轴承和机架一同支承着回转零件，再通过联轴器或离合器实现运动和动力的传递。
在轴的设计中，必须将轴与构成轴系部件的轴承、联轴器、机架以及传动零件等的设计要求一并考虑。
1.轴的分类可以从轴所受载荷的不同、轴的形状以及轴的应用场合等方面对轴进行分类。
1)按轴所受载荷的不同，可将轴分为心轴、传动轴和转轴。
只承受弯矩，不传递转矩的轴称为心轴。
心轴又可分为工作时轴不转动的固定心轴和工作时轴转动的转动心轴两种。
心轴主要用于支承各类机械零件。
只传递转矩，不承受弯矩的轴称为传动轴。
传动轴主要通过承受转矩作用来传递动力。
既传递转矩又承受弯矩的轴称为转轴。
各类传动零件主要是通过转轴进行动力传递。
2)按结构形状的不同，可将轴分为光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。
由于空心轴的制造工艺较复杂，所以通常主要在轴的直径较大并有减重要求的场合，设计空心轴。
3)按几何轴线形状的不同，可将轴分为直轴和曲轴等。
此外，还有一类结构刚度较低的轴——软轴。
软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上时的传动。
2.轴的常用材料轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用。
由于轴在工作时通常受到交变应力的作用，轴最常见的失效形式是因交变应力的作用而产生断裂，因此轴的材料应具有一定的韧性和较好的抗疲劳性能，这是对轴的材料的基本要求。
轴的常用材料是含碳量适中的优质碳素结构钢。
对于受载较小或不太重要的轴，也可用普通碳素结构钢。
对于受力较大，轴的尺寸和重童受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用中碳合金钢。
合金钢对应力集中的敏感性高，所以采用合金钢的轴的结构形状应尽量减少应力集中源，并要求表面粗糙度值低。
由于铸铁的韧性较差，所以应尽量少用铸铁作为轴的材料。
但对于结构复杂且不太重要的轴，也可选用球墨铸铁或高强度铸铁作为轴的材料。
轴系零部件【优质PPT】
2021/10/10
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• 研究对象：主要是机器内部传动的各种零部件： 轴、轴承、联轴器、离合器及各种联接件；
• 研究内容： 1.轴的类型、结构和强度计算
2.滚动轴承的类型选择、尺寸选择和组合设计
3.联轴器和离合器制动器的类型及选择.各种联接件 的种类、结构特点及应用；
• 重点：轴、轴承
• 根据轴上零件的轴向尺寸、各零件的相互位置关 系以及零件装配所需的装配和调整空间，确定轴 的各段长度。
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需要注意的问题：
• 1）轴上与标准零件相配合的直径应取为标准值， 非配合轴段允许为非标准值，但最好取为整数；
• 2）与滚动轴承相配合的直径，必须符合滚动轴 承的内径标准；
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轴的材料及选择
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三、轴的结构设计
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轴的结构设计
➢轴的结构组成； ➢轴结构决定因素； ➢结构设计的几个方面。
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结构要求： ①轴和轴上零件要有准确、牢固的
工作位置 ②轴上零件装拆、调整方便 ③轴应具有良好的制造工艺性等 ④尽量避免应力集中
➢ 为了便于切削加工，一根轴上的圆角应尽可能取 相同的半径；
➢ 退刀槽取相同的宽度； ➢ 倒角尺寸相同； ➢ 若需开键槽的轴段直径相差不大时，应尽可能采
用相同宽度的键槽，一根轴上各键槽应开在同一 母线上，以减少换刀次数。
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①
②
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③
④
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3.轴的结构工艺性
支点情况，无法确定轴的受力情况，只有待轴的 结构设计基本完成后，才能对轴进行受力分析及 强度计算；
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机械设计作业设计计算说明书题目：设计齿轮传动高速轴的轴系部件系别：班号：姓名：日期：2014.11.29机械设计作业任务书题目：设计带式运输机中的齿轮传动设计原始数据：带式运输机传动方案如图1所示。
原始数据见表1表1 带式运输机设计中的已知数据电动机工作功率Pd （kW）电动机满载转速(/min)mn r工作机的转速(/min)wn r第一级传动比1i轴承中心高H（mm）最短工作年工作环境3 960 90 1.8 1501班室外、有尘图1 带式运输机运动方案及各轴名称目录1 轴材料的选择 (3)2 初算轴径 (3)3 结构设计 (3)3.1 确定轴的轴向固定方式 (4)3.2 确定轴承类型及其润滑和密封方式 (4)3.3 确定各段轴的径向尺寸 (4)3.4 确定轴承端盖的尺寸 (5)3.5 确定各段轴的轴向尺寸 (5)3.6 确定各段轴的跨距 (6)3.7 确定箱体的尺寸 (6)3.8 确定键的尺寸 (7)4 轴的受力分析 (7)4.1 画出轴的受力简图 (7)4.2 计算轴承的支承反力 (7)4.3 画出轴的弯矩图 (7)4.4 画出轴的转矩图 (9)5 校核轴的强度 (9)5.1 按弯扭合成强度计算 (9)5.2 轴的安全系数校核计算 (9)6 校核键连接的强度 (11)7 轴承寿命计算 (11)8 绘制高速轴装配图 (12)9参考文献 (12)1 轴材料的选择因传递功率不大，且对质量及结构尺寸无特殊要求，故需选用常用材料45钢，并调质处理。
2 初算轴径由V 带传动的设计计算和齿轮传动的设计计算可得各轴的运动参数和动力参数见表2。
表2 各轴的运动及动力参数高速轴作为转轴，这里按照扭转强度初算轴径 3nP C d •≥ 式中：P ——高速轴（即I 轴）传递的功率，kW ，由表2可知，kW P 88.2=； n ——高速轴的转速，min /r ，由表2可知，min /533r n =； C ——由许用扭转剪应力确定的系数，查参考文献[1]表10.2得106~118=C ，取112=C 。
由上述数据计算轴径得mm d 7.1953388.21123=⨯≥ 由于轴上有一个键槽，因此，轴径需要增大5%，即mm d 7.207.1905.1min =⨯=根据GB/T 2822—200520a R 系列圆整得mm d 22min =。
3 结构设计轴名功率P/ kW 转矩T/ (N ·m) 转速n/ (r/min) 传动比i 效率η 电机轴3 29.8 960 1.8 0.96 Ⅰ轴2.88 51.49 533 5.9 0.96 Ⅱ轴2.77 291.73 90 1 0.98 卷筒轴 2.71 285.92 90图2 各轴段示意图 ⑦⑥ ⑤ ④ ③ ② ①图3 轴的结构草图 3.1 确定轴的轴向固定方式因为高速轴的跨距不太大，而且齿轮减速器效率较高、发热小，温度变化不大，故轴的轴向固定可采用两端固定方式。
3.2 确定轴承类型及其润滑和密封方式因为轴承所受轴向力很小，故选用深沟球轴承。
因为轴承转速不高，并且轴承内径也较小，其速度速度因数()m in /102~5.15r mm dn •⨯≤，故轴承的润滑方式选择脂润滑。
因为带式运输机的工作环境是有尘的，故轴承的密封方式选择唇形圈密封。
3.3 确定各段轴的径向尺寸由设计任务可知，高速轴上需要安装的零件有大带轮、轴承端盖、轴承、小齿轮，而根据带式运输机的传动情况可知，高速轴的两个支点在同一轴承座内且支点之间无传动件，因此高速轴需要设计成有7个轴段的阶梯轴，各轴段示意图如图2所示。
确定轴的各段径向尺寸（直径），需要以1d 轴径为基础，考虑轴上零件的受力情况，轴上零件的装拆与定位固定、与标准件孔径的配合、轴的表面结构及加工精度等要求，逐一确定其余各段的直径。
结构草图如图3所示。
⑴ 确定轴段①和轴段⑦的直径。
根据要求，轴段①和轴段⑦分别安装大带轮和小齿轮，这两段直径相等，由计算最小直径确定，即mm d d d 22min 71===⑵ 确定轴段②和轴段⑥的直径。
确定轴段②和轴段⑥的直径时需要考虑到小齿轮和大带轮的轴向固定，以及密封圈的直径。
查参考文献[1]图10.9得轴肩高度()()mm d h 2.2~32.1221.0~06.0)1.0~06.0(1=⨯=≈ 所以有()()mm h d d d 4.26~64.242.2~32.12222162=⨯+=+== 选择密封方式为唇形圈密封，根据GB/T 1387.1—1992，取mm d d 2562==。
⑶ 确定轴段③和轴段⑤的直径。
轴段③和轴段⑤用以安装轴承，其直径需要由轴承内孔直径确定。
根据轴承类型以及2d 和6d ，按GB/T 267—1994初选深沟球轴承代号为6308，内径mm d 40=，外径mm D 90=，宽度mm B 23=，安装尺寸mm d a 48min =。
根据轴和轴承的配合要求得mm d d 4053==⑷ 确定轴段④的直径。
轴段④位于两支点之间，且轴上没有安装零件，其直径根据轴承的安装尺寸确定，即mm d d a 48min 4==3.4 确定轴承端盖的尺寸选用凸缘式轴承端盖，两个轴承端盖均为透盖。
根据GB/T 5782 选择紧固轴承端盖的螺栓为M8，则凸缘厚度为mm d e 6.982.12.1=⨯==取mm e 10=。
凸缘直径为()()()mm d D D 134~13085.5~5905.5~52=⨯+=+= 取mm D 1322=。
紧固螺栓用孔所在直径为()()mm D D D 111901325.05.020=+⨯=+=与箱体上轴承座孔配合的宽度取mm m 12=。
两个透盖均为铸件，拔模斜度取1：10。
3.5 确定各段轴的轴向尺寸⑴ 确定轴段①和轴段⑦的轴向尺寸。
轴段①和轴段⑦分别安装大带轮和小齿轮，大带轮基准直径较大，选择腹板式，轮毂孔长度()()()mm d L 44~33222~5.12~5.11=⨯==取mm l 401=。
小齿轮宽度为mm b 551=，故mm b l 5517==。
⑵ 确定轴段②和轴段⑥的轴向尺寸。
轴段②和轴段⑥的长度和轴承盖的选用及大带轮和小齿轮的定位轴肩的位置有关系。
选用凸缘式轴承端盖，轴承盖凸缘厚度mm e 10=，mm m 12=，箱体外部传动零件的定位轴肩距轴承端盖的距离mm K 15=，则mm K m e l l 3715121062=++=++==考虑到大带轮的轴向固定，由于其轮槽宽度mm B 65=，尺寸较大，故对2l 进行修正 mm L B l l 5.492406537262=-+=-+= 取mm l 502=。
⑶ 确定轴段③和轴段⑤的轴向尺寸。
轴段③和轴段⑤需要安装滚动轴承，故其长度与滚动轴承宽度相同，即mm B l l 2353===⑷ 确定轴段④的轴向尺寸。
对二支点在同一轴承座内且支点之间没有传动件的情况，首先确定两轴承之间的跨距L ,根据经验公式()()()mm d L 120~80403~23~232=⨯==取mm L 982=，故mm B L l 75239824=-=-=3.6 确定各段轴的跨距⑴ 大带轮与右端轴承之间的跨距为 mm l l l L 5.8122350240223211=++=++= ⑵ 两轴承之间的跨距为mm L 982=⑶ 小齿轮与左端轴承之间的跨距为 mm l l l L 7622337255225673=++=++= 3.7 确定箱体的尺寸箱体壁厚为mm 10=δ箱体内壁直径为mm d 100=内壁箱体长度为mm m l l l L 1451222375232543=⨯+++=+++=箱体 轴承座宽度mm B 40=轴承座箱体总高度mm h 206=箱体轴承座孔中心高度mm h 140=3.8 确定键的尺寸大带轮与小齿轮与轴的的连接均采用A 型普通平键连接，均为键306⨯ 20031096/-T GB 。
4 轴的受力分析4.1 画出轴的受力简图将阶梯轴简化为一简支梁，受力分析及其简图如图4(a)所示。
4.2 计算轴承的支承反力传递到轴系部件上的转矩为abcde图4 弯矩、转矩图 51490mmN T •=I 51490齿轮圆周力 N d T F t 21685.47514902211=⨯== 齿轮径向力N F F t r 1.78920tan 2168tan =︒⨯==α齿轮轴向力0a F N =带轮压轴力N Q 981=带初次装在带轮上时，所需初拉力比正常工作时大得多，故在设计计算轴和轴承时，将压轴力扩大50%，即N Q 5.14719815.1=⨯=在水平面上()()N L L F L L Q F r H 3.208398761.789985.815.147123211=⨯-+⨯=-+= N F F Q F H r H 3.1773.20831.7895.147112=-+=-+=在垂直平面上N L L F F t V 3.168198762168231=⨯== N F F F t V V 3.384921683.168112=+=+=轴承1的总支承反力 N F F F V H 1.26773.16813.20832221211=+=+= 轴承2的总支承反力 N F F F V H 4.38533.38493.1772222222=+=+=4.3 画出轴的弯矩图弯矩图如图4(b)、(c)、(d)所示。
⑴ 在水平方向上，Ⅰ-Ⅰ截面的弯矩为mm N L F M r H •=⨯==I 6.59971761.7893Ⅱ-Ⅱ截面的弯矩为mm N QL M H •=⨯==I I 25.1199275.815.14711 ⑵ 在竖直方向上，Ⅰ-Ⅰ截面的弯矩为mm N L F M t V •=⨯==I 1647687621683 ⑶ 轴在Ⅰ-Ⅰ截面处的合弯矩为 mm N M M M H V •=+=+=I I I 8.1753426.599711647682222⑷ 轴在Ⅱ-Ⅱ截面处的合弯矩为mm N M M H •==I I I I 25.1199274.4 画出轴的转矩图转矩图如图4(e)所示。
轴上的转矩就是高速轴传递的转矩，即 mm N T •=I 514905 校核轴的强度5.1 按弯扭合成强度计算由弯矩图和转矩图可知，轴的危险截面在Ⅰ-Ⅰ截面处，按照第三强度理论有 []b T e W T W M 1224-I I ≤⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛=σασ 式中：e σ——危险截面的当量应力，MPa ；I M ——危险截面的弯矩，由前述计算可知mm N M •=I 8.175342；W ——抗弯剖面模量，33356400401.01.0mm d W =⨯==； I T ——高速轴传递的转矩，mm N T •=I 51490；T W ——抗扭剖面模量，333512800402.02.0mm d W T =⨯==； α——根据转矩性质而定的折合系数，对于不变的转矩，3≈α； []b 1-σ——对称循环应力状态下的许用弯曲应力，由参考文献[1]表10.4可得，[]MPa b 651=-σ。