轴的结构设计范例
solidworks有限元分析16例
注意:本文件内容只是一个简短的分析报告样板，其内相关的分析条件、设置和结果不一定是正确的，您还是要按本书正文所教的自行来做。
一、范例名： (Gas Valve气压阀)1 设计要求：（1）输入转速1500rpm。
（2）额定输出压力5Mpa，最大压力10Mpa。
2 分析零件该气压泵装置中，推杆活塞、凸轮轴和箱体三个零件是主要的受力零件，因此对这三个零件进行结构分析。
3 分析目的（1）验证零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
（2）分析凸轮轴零件和推杆活塞零件的模态，在工作过程中避开共振频率。
（3）计算凸轮轴零件的工作寿命。
4 分析结果1.。
推杆活塞零件材料：普通碳钢。
在模型上直接测量得活塞推杆的受力面积S为：162mm2，由F=PS计算得该零件端面的力F为：1620N。
所得结果包括：1 静力计算：（1）应力。
如图1-1所示，由应力云图可知，最大应力为21Mpa，静强度设计符合要求。
（2）位移。
如图1-2所示，零件变形导致的最大静位移为2.2e-6m。
（3）应变。
如图1-3所示，应变云图与应力云图的对应的，二者之间存在一转换关系。
图1-1 应力云图图1-2 位移云图图1-3 应变云图图1-4 模态分析2 模态分析：图1-4的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下，其前三阶的模态的频率远远大于输入转速的频率，因此在启动及工作过程中，该零件不会发生共振情况。
模态验证符合设计要求。
2。
凸轮轴零件材料：45钢，屈服强度355MPa。
根据活塞推杆的受力情况，换算至该零件上的扭矩约为10.5N·m。
1 静力分析：如图1-5所示为“凸轮轴”零件的应力云图，零件上的最大应力为212Mpa，平均应力约为120MPa，零件的安全系数约为1.7，符合设计要求。
图1-5 应力云图图1-6 模态分析2 模态分析图1-6的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下的模态参数，“模式1”的结果为其自由度内的模态，不作为校核参考。
结构计算书-范例
EI 1 3 bh ， i c 。 12 l
各跨框架梁和各层框架柱的线刚度计算分别见表 1 和表 2 。 由于该榀框架结构对称，因此只需计算半边结构。
表1 构件 边框架梁 AB 中框架梁 BC EC (N/mm2) 3.0×104 3.0×104 b h (mm×mm) 250×500 250×400 表2 层 1 2~5 EC (N/mm2) 3.0×104 3.0×104 bh (mm×mm) 500×500 550×500 梁线刚度 ib 的计算 I0 (mm4) 2.6042×109 1.3333×109 L (mm) 6000 2700 1.5ECI0/L (N×mm) 1.9532×1010 2.2222×1010 2ECI0/L (N×mm) 2.6042×1010 2.9630×1010
25×0.25×0.4=2.5 kN/m
4.1.4 柱自重
b h=450 mm 450 mm
柱自重 抹灰层：粉刷石膏砂浆 合计
25×0.5×0.5=6.25 kN/m 0.15×0.5×4=0.3 kN/m 6.55 kN/m
4.1.5 外纵墙自重
（1）标准层
4
纵墙在计算单元内相当于高度为 金窗在计算单元内相当于高度为 纵墙 铝合金窗 水刷石外墙面 粉刷石膏砂浆内墙面 合计 （2）底层
3.43411010 0.79 4.3403 1010
1.0 0.6
1.0 0.68
1.0 0.6
1.0
框架结构的相对线刚度如图 2 所示。
0.79
0.79
0.79
0.79
4 荷载计算
4.1 恒荷载标准值计算
4.1.1 屋面
高聚物改性沥青卷材防水屋面
结构力学三铰拱图文
第二节 竖向荷载作用下三铰拱的受力分析
当两支座在同一水平线上时，称为等高拱或平拱，否 则称为斜拱。分析竖向荷载作用下三铰拱的内力和反 力时，与同跨度、同荷载的简支梁相对比，以便于计 算和对比分析拱的受力性质。
FP1
C FP2
f
A
B
l
FP1
FP2
1 竖向荷载作用下拱反力计算 mB 0
y
A FAx
第一节 三铰拱的组成和类型
2. 三铰拱的构成
矢高：起拱线至拱顶的 竖直距离。
拱趾
拱顶
矢高f 起拱线
跨度L
拱轴 拱趾
第一节 三铰拱的组成和类型
2. 三铰拱的构成
带拉杆的拱：在 屋架中，为消除 水平推力对墙或 柱的影响，在两 支座间增加一拉 杆，由拉杆来承 担水平推力，桥 梁中应用也非常 广泛。
第一节 三铰拱的组成和类型
yk
A
B
k
C
Fy' 0
F0 Ay
F0 Sk
F0 Ay
P1
F0 By
FS k FAy cosk P1 cosk FH sin k
M 0 F0 x Px a
k
Ay k
1k
1
FA0y P1 cosk
FS
0 k
c os k
FH
FH sin k
sin k
FN k
Fx' 0
FAy sink P1 sink FH cosk
在工程实践中，由于载荷的多样性，不可能有真正的无弯矩 拱，但是可以想象，接近合理拱轴的设计，应当是可行的方 案。赵州桥是我国隋代工匠李春建造的一个著名的范例。
第一节 三铰拱的组成和类型
1、工程上使用的拱结构实例
第5章 典型轴测图的绘制
AutoCAD机械设计与范例应用
轴测图的画法
在绘制物体的轴测图时，应先选择画哪一种轴测图，从而确定各轴向伸缩系数和 轴间角。轴测轴可根据已确定的轴间角，按表达清晰和作图方便来安排，而 Z轴 常画成铅垂位置。在轴测图中，应用粗实线画出物体的可见轮廓。为了使画出的 轴测图具有更强的空间立体感，通常不画出物体的不可见轮廓线，但在必要时， 可用虚线画出。
AutoCAD机械设计与范例应用
机械轴测图绘制基础
标注轴测图的尺寸
在机械制图中，关于轴测图上的尺寸标注也需要满足如下的一些规范： ● 轴测图上的线性尺寸一般应沿轴测轴方向标注，尺寸数字为机件的基本尺寸。 ● 尺寸线必须和所标注的线段平行：尺寸界线一般应平行于某一轴测轴；尺寸数字应按相 应的轴测图形标注在尺寸线的上方。当在图形中出现数字字头向下时，应用引出线引出标 注，并将数字按水平位置注写。 ● 标注角度的尺寸时，尺寸线应画成到该坐标平面的椭圆弧，角度数字一般写在尺寸线的 中断处，字头朝上。 ● 标注圆的直径时，尺寸线和尺寸界线应分别平行于圆所在平面内的轴测轴。标注圆弧半 径或较小圆的直径时，尺寸线可从（或通过）圆心引出标注，但注写尺寸数字的横线必须 平行于轴测轴。 针对轴测图而言，标注的文本可分为两类，一类文本的倾斜角为30 º ，另一类文本的倾斜 角为-30º 。用户可根据需要设置符合轴测图标注的这两种文字样式以及相应的标注样式。
AutoCAD斜二等轴测图的画法
如果使 XOZ坐标面平行于轴测投影面，采用斜投影法，也能得到具有立体感的轴测图。当 所选择的斜投射方向使O1Y1轴与O1X1轴的夹角为135°，并使O1Y1轴的轴向伸缩系数为 0.5时，这种轴测图称为斜二等轴测图，简称斜二测。 O1Y1轴与O1X1轴的夹角为135°，O1Y1轴与O1Z1轴的夹角为135°，O1Z1轴与O1X1轴 的夹角为90°；p=1, r=1 q=0.5. 斜二等轴测图由于XOZ坐标面平行于轴测投影面，这个坐标面的轴测投影反映实形，因此斜 二等轴测图的轴间角是：O1X1与O1Z1成90°，这两根轴的轴向伸缩系数都是1；O1Y1与 水平线成45°，其轴向伸缩系数一般取为0.5。 由此可知：平行于XOZ坐标面的圆的斜二等轴测投影反映实形。而平行于XOY，YOZ两个坐 标面的圆的斜二等轴测投影则为椭圆，这些椭圆的短轴不与相应轴测轴平行，且作图较繁。 因此，斜二等轴测图一般用来表达只在互相平行的平面内有圆或圆弧的立体，这时总是把这 些平面选为平行于XOZ坐标面。
solidworks有限元分析范例
注意:本文件内容只是一个简短的分析报告样板，其内相关的分析条件、设置和结果不一定是正确的，您还是要按本书正文所教的自行来做。
一、范例名： (Gas Valve气压阀)1 设计要求：（1）输入转速1500rpm。
（2）额定输出压力5Mpa，最大压力10Mpa。
2 分析零件该气压泵装置中，推杆活塞、凸轮轴和箱体三个零件是主要的受力零件，因此对这三个零件进行结构分析。
3 分析目的（1）验证零件在给定的载荷下静强度是否满足要求。
（2）分析凸轮轴零件和推杆活塞零件的模态，在工作过程中避开共振频率。
（3）计算凸轮轴零件的工作寿命。
4 分析结果1.。
推杆活塞零件材料：普通碳钢。
在模型上直接测量得活塞推杆的受力面积S为：162mm2，由F=PS计算得该零件端面的力F为：1620N。
所得结果包括：1 静力计算：（1）应力。
如图1-1所示，由应力云图可知，最大应力为21Mpa，静强度设计符合要求。
（2）位移。
如图1-2所示，零件变形导致的最大静位移为2.2e-6m。
（3）应变。
如图1-3所示，应变云图与应力云图的对应的，二者之间存在一转换关系。
图1-1 应力云图图1-2 位移云图图1-3 应变云图图1-4 模态分析2 模态分析：图1-4的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下，其前三阶的模态的频率远远大于输入转速的频率，因此在启动及工作过程中，该零件不会发生共振情况。
模态验证符合设计要求。
2。
凸轮轴零件材料：45钢，屈服强度355MPa。
根据活塞推杆的受力情况，换算至该零件上的扭矩约为10.5N·m。
1 静力分析：如图1-5所示为“凸轮轴”零件的应力云图，零件上的最大应力为212Mpa，平均应力约为120MPa，零件的安全系数约为1.7，符合设计要求。
图1-5 应力云图图1-6 模态分析2 模态分析图1-6的“列举模式”对话框中列出了“推杆活塞”零件在工作载荷下的模态参数，“模式1”的结果为其自由度内的模态，不作为校核参考。
机械制图及公差配合范例
1.轴套类零件这类零件一般有轴、衬套等零件，在视图表达时，只要画出一个基本视图再加上适当的断面图和尺寸标注，就可以把它的主要形状特征以及局部结构表达出来了。
为了便于加工时看图，轴线一般按水平放置进行投影，最好选择轴线为侧垂线的位置。
在标注轴套类零件的尺寸时，常以它的轴线作为径向尺寸基准。
由此注出图中所示的Ф14 、Ф11（见A-A断面）等。
这样就把设计上的要求和加工时的工艺基准（轴类零件在车床上加工时，两端用顶针顶住轴的中心孔）统一起来了。
而长度方向的基准常选用重要的端面、接触面（轴肩）或加工面等。
如图中所示的表面粗糙度为Ra6.3的右轴肩，被选为长度方向的主要尺寸基准，由此注出13、28、1.5和26.5等尺寸；再以右轴端为长度方向的辅助基，从而标注出轴的总长96。
2.盘盖类零件这类零件的基本形状是扁平的盘状，一般有端盖、阀盖、齿轮等零件，它们的主要结构大体上有回转体，通常还带有各种形状的凸缘、均布的圆孔和肋等局部结构。
在视图选择时，一般选择过对称面或回转轴线的剖视图作主视图，同时还需增加适当的其它视图（如左视图、右视图或俯视图）把零件的外形和均布结构表达出来。
如图中所示就增加了一个左视图，以表达带圆角的方形凸缘和四个均布的通孔。
在标注盘盖类零件的尺寸时，通常选用通过轴孔的轴线作为径向尺寸基准，长度方向的主要尺寸基准常选用重要的端面。
3.叉架类零件这类零件一般有拨叉、连杆、支座等零件。
由于它们的加工位置多变，在选择主视图时，主要考虑工作位置和形状特征。
对其它视图的选择，常常需要两个或两个以上的基本视图，并且还要用适当的局部视图、断面图等表达方法来表达零件的局部结构。
踏脚座零件图中所示视图选择表达方案精练、清晰对于表达轴承和肋的宽度来说，右视图是没有必要的，而对于T字形肋，采用剖面比较合适。
在标注叉架类零件的尺寸时，通常选用安装基面或零件的对称面作为尺寸基准。
尺寸标注方法参见图。
4.箱体类零件一般来说，这类零件的形状、结构比前面三类零件复杂，而且加工位置的变化更多。
圆柱滚子轴承保持架优化设计_公平
图8 表3
改进方案 2 兜孔过梁应力分析云图 不同结构下保持架过梁处最大接触应力
结构 改进前 改进方案 1 改进方案 2 最大应力 / MPa 653 351 379
保持架兜孔结构的改进设计。 参考文献：
［ 1］ 兴长喜， 孙民． 航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂 J］ ． 航空发动机， 2002 （ 2 ） ： 32 － 34． 机理［ ［ 2］ 杨咸启， 刘文秀， 李晓玲， 等． 高速滚子轴承保持架动 J］ ． 轴承， 2002 （ 7 ） ： 1 － 5． 力学分析［ ［ 3］ 刘文秀， 杨咸启， 陈贵． 高速滚子轴承保持架碰撞模 J］ ． 轴承， 2003 （ 9 ） ： 1 － 5． 型与运动分析［ （ 编辑： 钞仲凯）
钻头钻削， 兜孔工作表面采用铣刀加工。 经测试表明， 方案 2 加工质量稳定性高于方 案 1， 且可以明显提高保持架兜孔加工精度和表面 质量， 其具体测试数值见表 4 ， 又由于方案 2 结构 更便于储油和润滑， 故确定其为最终改进结构。
表4
指标 位置度 / mm 等分度 / mm 兜孔相互差 / mm 倾斜度 / mm 表面粗糙度 Ｒa / μm
保持架加工精度对比
拉削加工 0． 3 0． 3 0． 2 ～ 0． 3 0． 070 0． 864 铣削加工 0． 1 0． 05 0． 2 ～ 0． 4 0． 004 0． 341
图6
改进前兜孔过梁应力分析云图
4
结束语
1 ） 保持架薄弱环节主要在兜孔过梁处， 其设 ， 计是不可忽略的环节 因此在保持架结构设计时， 既要保证兜孔过梁转角不与滚子发生干涉， 又要
公平， 等： 圆柱滚子轴承保持架优化设计
· 9·
将至关重要。
1
变速器dfmea范例
异响，和损坏
其它组件。使 不能回位到空 用寿命满足整 档
不能换档
8
车要求
换档器总成弹簧力 偏小
根据换档力，类 比设计合适的弹 簧力
3
道路试验
2 48
跳、脱档
变速器功能部 分失效
7
锁止弹簧力偏小
根据换档力，类 比设计合适的弹 3 道路试验 簧力
2 42
系统：
子系统：
√ 项目
部件：变速器总成 1700100
功能
要求
潜在失效模式
失效模式的 潜在后果
潜在失效模式及后果分析
严重度
分 类
潜在失效起因/机理
现有设计 控制预防 发生率 控制探测
共 9 页，
第6页
措施结果
探测 RPN
建议措施
职责/目标完 成日期
采取的措施完
率
成日期
严 重 度
发 生 率
探 测 度
RPN
选档重,选换档 不到位
用户不接受
7
选换档支架
支承换档拉索总 成
系统：
子系统：
√
型号年/项 目： 项目
部件：变速器总成 1700100
功能
要求
潜在失效模式
失效模式的 潜在后果
潜在失效模式及后果分析
设计责任： 307项 目组
严重度
分 类
潜在失效起因/机理
现有设计 控制预防 发生率 控制探测
共 9 页，
第4页
编制：
措施结果
探测 RPN
建议措施
职责/目标完 成日期
采取的措施完
共 9 页，
第5页
编制：
措施结果
探测 RPN
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四、低速轴系的结构设计
1、根据轴的工作条件，选择材料及热处理方法，确定许用应力，由（二）（三）已算得从动齿轮转速n 2=71.7r/min 。
齿轮分度圆直径d 2=360mm 。
选用45号钢调质。
查①表11－1得抗拉强度MPa 650b =σ，查①表11－9得许用弯曲应力[]MPa 60b 1=-σ。
2、按扭转强度估算最小直径
由（二）知，P 2=3.87kw ，T 2＝516.1N.m
查①表11－5取A=110，按①式（11－3）计算得：
mm 57.417
.7187.3110n P A d 33
2==≥ 考虑轴和联轴器用一个键联接，故将轴放大5％并取标准值，即取d=45mm 。
3、轴的结构设计
（1）将轴设计成阶梯轴，按T=516.1N.m ，从②查用TL8型弹性联轴器，孔径为45mm ，长L=112mm ，与轴头配合长度为84mm 。
取轴头直径为45mm ，故靠近轴头的轴身直径为52mm ，轴颈直径取55mm 。
轴两端选用6011型轴承，轴承宽度B=18mm ，外径D=90mm 。
轴承由套筒和轴肩实现轴向定位，圆角r=1mm 。
取齿轮轴头直径为60mm ，定位环高度h=5mm ，其余圆角r=1.5mm ，挡油盘外径取D=89mm 。
（2）在（三）已经求得轮毂长为90mm ，因此轴头长度为88mm ，轴颈长度与轴承宽度相等为18mm ，齿轮两端与箱体内壁间距离各取15mm ，由于转速较低，故轴承用润滑脂，所以轴承端面与箱体内壁距离取10mm 。
这样可定出跨距为158mm 。
伸出箱体的轴段长度取44mm 。
为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上，应将头长度取短一些，故取轴头长度为75mm 。
3、由于是单级齿轮减速器，因此齿轮布置在中央，轴承对称布置，齿轮与轴环、套筒实现轴向定位，以平键联接及选用过渡配合H7/n6实现周向固定。
齿轮轴头有装配锥度，两端轴承分别以轴肩和套筒实现轴向定位，采用过盈配合k6实现周向固定。
整个轴系以两端轴承盖实现轴向定位，联轴器以轴肩、平键和选用过渡配合H7/k6实现轴向定位和周向固定。
4、草图如下：
计算项目
计算内容计算结果
3、径向力
4、H面支座反力
5、V面支座反力
6、H面弯矩
7、V面弯矩
8、合成弯矩
9、当量弯矩
10、强度校核
N
tg
tg
Ft
Fr58
.
1043
20
22
.
28670=
⨯
=
⋅
=α
R HA=R HB=F t/2=2867.22/2=1433.61N
R VA=R VB=F r/2=1043.58/2=521.79N
M HC=R HA×L/2=1433.61×0.58/2=113.26N﹒m
M VC=R VB×L/2=521.79×0.58/2=41.22N﹒m
在AB处为0，C处最大
m
N
M
M
M VC
HC
C
⋅
=
+
=
+
=5.
120
22
.
41
26
.
1132
2
2
2
取α＝0.59
m
N
T
M
M C
eqc
⋅
=
⨯
+
=
+
=
47
.
327
)1.
516
59
.0(
5.
120
)
(2
2
2
2α
由式11.43把齿轮轴头d=60代入得：
[]
b
MPa
Pa
d
T
M
1
3
2
2
3
2
2
16
.
15
15160648
06
.0
1.0
)1.
516
59
.0(
5.
120
1.0
)
(
－
σ
α
〈
=
=
⨯
⨯
+
=
+
所以，轴径取60mm，强度足够
N
Fr58
.
1043
=
R HA= R HB 1433.61N
R VA=R VB＝521.79N
M HC=113.26N.m
M VC= 41.22N.m
m
N
M C⋅
=5.
120
m
N
M eqc⋅
=47
.
327
强度足够
五、高速轴的设计
由前面已求得：n 1=286.57r/min d 1=90mm ，轮毂长95mm ，P 1=4.03KW 1、 选 用45钢，调质。
按扭转强度估算最小直径，查①表11-5取A=110 按①式（11-3）计算得：
mm n P A d 55.2657
.28603.411033
11==≥ 因轴头直径最小且有键、与带轮联接，故将轴放大0.5d ，即d=27.88mm ，按①11-3取整
d=28mm 。