轴系结构的分析

8.1 设计概要

轴系结构设计要求定出轴的合理外形和全部结构尺寸。轴系结构主要取决于：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量，以及和轴联结的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺等。由于影响轴的结构因素较多，且结构又是随具体条件的不同而不同，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同的具体情况加以分析。

进行轴系结构设计时，一般应已知：装置简图，轴上主要零件的相互位置关系，轴所传递的功率和轴的转速，传动零件的主要参数和尺寸等。轴系结构设计通常按以下方式进行：

1) 拟定轴上零件的装配方案

不同的装配方案可得出不同的轴的结构形式，应拟定几种不同的装配方案，以进行分析、比较选择。

2）确定轴的基本直径和各段长度

初定轴的直径时，其支反力作用点未知，不能决定弯矩的大小和分布情况，因而不能按弯矩来确定轴的直径，只能按扭矩初步估算轴径的大小，作为轴上仅受扭矩段的最小直径d min，也可凭经验或参考同类机器取定。

d min确定后，按拟定的装配方案，从d min处逐一确定各段长度及直径。各段长度取决于零件与轴配合部分的轴向尺寸，并考虑安装零件的位移和留有适当的调整间隙等。

3）轴上各零件的轴向定位

轴上各零件以轴肩、轴套、轴承端盖和轴端挡圈等进行轴向定位。

轴肩定位是最方便可靠的方法。但采用轴肩使轴径加大，且因剖面突变引起应力集中，轴肩过多也不利于加工。故定位轴肩多用在轴向力较大，且不致过多增加轴的阶梯数的情况下采用。

轴套定位既能避免因用轴肩使轴径增大，又可减少应力集中源。但轴套过长，又将增加材料及重量。轴套与轴的配合较松，不宜用于高速旋转。轴承端盖用螺钉或榫槽与箱体联结而使滚动轴承的外圈得到轴向固定。整个轴的轴向定位也可用轴承端盖实现。

常用的轴向定位还有：圆螺母、紧定螺钉、弹性挡圈以及整体式或剖分式螺钉锁紧挡圈等

4）轴上各零件的周向定位

可靠的周向定位保证了的扭矩传递。常用的周向定位方法有键、花键、紧配合和紧定螺钉等。紧定螺钉仅用传力于不大的场合。

5）轴的结构工艺性

增大过渡圆角半径可改善轴的结构疲劳强度和减小应力集中，但为保证零件的可靠定位，过渡圆角半径必须小于与之相配的零件圆角半径或倒角尺寸。当零件必须采用很小的圆角半径而又要减小轴肩处的应力集中时，可采用内凹圆角或加装隔离环的结构形式。

轴端应有45°的倒角以便于装配零件。轴段必须磨削加工或有螺纹时，应留有砂轮越程槽或退刀槽。轴上有两个以上的键槽时，槽宽应尽可能统一，并置于同一直线上，以利加工。

8.2 实验目的

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。

8.3 实验设备

1．模块化轴段（可组装成不同结构形状的阶梯轴）；

2．轴上零件：齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴承座、端盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性挡圈、孔用弹性挡圈、螺钉、螺母等。

3．工具：活搬手、游标卡尺、胀钳

8.4 实验要求

1．从轴系结构设计实验方案表中选择设计实验方案号；

2．根据实验方案规定的设计条件确定需要哪些轴上零件；

3．绘出轴系结构设计装配草图；

轴系结构设计应满足以下要求：

1）轴和轴上的零件要有确定的轴向工作位置和可靠的轴向、周向固定；2）轴应便于加工，轴上的零件易于拆装；

3）轴的受力合理，并尽量减少应力集中；

4）轴承固定方式应符合给定的设计条件，轴承间隙调整方便；

5）锥齿轮轴系的位置应能作轴向调整。

轴承组合设计方法：

1）两端单向固定；2）一端双向固定；一端游动；3）两端游动；

8.5 实验步骤

1．利用模块化轴段组装阶梯轴，该轴应与装配草图中轴的结构尺寸一致或尽可能相近；

2．根据轴系结构设计装配草图，选择相应的零件实物，按装配工艺要求顺序装到轴上，完成轴系结构设计；

3．检查轴系结构设计是否合理，并对不合理的结构进行修改；

4．测绘各零件的实际结构尺寸（底板不测绘，轴承座只测量轴向宽度）；

5．将实验零件放回箱内，排列整齐，工具放回原处；

6．在实验报告上按1：1比例完成轴系结构设计装配图（只标出各段轴的直径和长度即可，公差配合及其余尺寸不注，零件序号、标题栏可省略）；

8.6 思考题

1. 轴的结构设计要考虑那些问题？

2. 为什么大多数转轴要做成阶梯轴？

3. 轴上零件的周向固定有那些方法？

4. 轴上零件的轴向固定有那些方法？

5. 从轴的结构上分析，有那些减小应力集中的措施？

6. 轴的大小是否仅仅决定与它的设计准则？轴上零件（如：轴承、联轴器等）对轴径的影响怎样考虑？

7. 齿轮减速器中，为什么低速轴直径要比高速轴的直径大的多？

8. 对于最常见的两支点轴系，轴承的组合设计有那几种型式？各有何特点？各适用于何种情况？