轴系结构设计实例
机械基础-案例13 轴的结构设计
轴的结构设计轴是非标准零件，它没有固定的、一层不变的结构形式。
轴的结构设计就是根据具体的工作条件，确定出轴的合理结构和结构尺寸。
一、安装蜗轮的轴设计计算1、初步确定轴的最小直径选取轴的材料为45刚，调质处理。
根据《机械设计》式15-3，取A 。
=110，于是得mm n P A d92.454091.21103322min '=⨯== 。
由于轴上要有键槽，故取min 'd =50mm,查《课程设计》表6.8，选联轴器型号为HL4的弹性联轴器，孔直径D=50，轴孔长l=84mm 。
2、求作用在蜗轮上的力已知蜗轮的分度圆直径为2d =226.8mm ，所以得2t F =222d T =N 62538.2267090902=⨯， N d T F Fa t 93.46821112===， N F F F t r r 42.2276tan 212===α。
3、蜗轮轴的设计蜗轮轴草图①确定各段直径和长度为满足半联轴器的轴向定位要求，Ⅶ-Ⅷ安装联轴器，其左端要制成一轴肩，Ⅵ-Ⅶ段安装轴承端盖，采用毡油封，故Ⅶ-Ⅷ段直径为d 1=50mm ，l 1应比轴孔长l=84mm 略短一些，故取l 1=82mm ，Ⅵ-Ⅶ段直径为d 2=58mm 。
初选滚子轴承，因轴承同时承受径向和轴向的力作用，故选圆锥滚子轴承，从《课程设计》表5.12中选轴承30312，其基本尺寸d ×D ×T=60mm ×130mm ×33.5mm ，故d 3=d 7=60mm ，而l 7=33.5mm 。
左端滚子轴承采用轴肩进行轴向定位，查表 5.12得h=72-60=12mm ，因此d 6=72mm 。
轴承端盖总宽度为16mm ，根据轴承端盖的装拆及便于对轴承添加润滑脂的要求，取端盖与半联轴器左端面的距离为L=30mm ，故l 2=16+30=46mm 。
取安装蜗轮处的轴段IV-V 的直径d 4=65mm ，蜗轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位，，为使套筒端面可靠的压紧蜗轮，则此段长度应略短于蜗轮宽度，故取l 4=81mm ，蜗轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度h=(0.07~0.1) d 4，则取d 5=75mm ，宽度b ≥1.4h ，则l 5=10mm 。
轴系
主机布置原则： 主机布置原则：
对称布置：考虑到设备重量的平衡以及布 置和操作的便利。
1、单轴系的轴线一般布置在船舶的纵中剖面上； 2、双轴系的轴线一般对称布置于船舶纵中剖面两 侧，即对称布置在船舶两舷； 3、三根轴系的船舶，一根布置在船舶的纵中剖面 上，其余两根对称布置在左右两舷。多轴系的间 距由船舶总体设计确定。
轴承数目、间距的大小和位置安 排，对轴的弯曲变形、应力和轴 承的工作状态均有很大的影响。 若处理不当，会使轴承负荷不均 匀，造成发热和加速磨损，从而 影响轴系运转的可靠性。
轴承的数量
螺旋桨轴一般设两道轴承。如果螺旋桨轴过长（如双 轴系船），也可以设三道轴承。对于一些轴线非常短 的单机单桨尾机型船舶，其螺旋桨轴前轴承甚至可以 取消，即只设一道轴承。 每根中间轴一般只设一道中间轴承，因为减少轴承数 量会降低轴系变形牵制和轴承附加负荷，使船体变形 对轴系的影响减弱，对轴系工作有利。一些很短的中 间轴甚至不设中间轴承。如果中间轴过长，也可以设 两道中间轴承。
最优设置
主机应尽量靠近机舱后舱壁布置，以缩短轴线 长度。 应考虑主机左、右、前、底与上部空间是否满 足船舶规范，另外还需要考虑拆装与维修要求 以及吊缸的高度是否足够等因素。比如高度方 向，一般应使主机的油底壳不碰到船的双层底 或肋骨，并使它们之间留有向隙，还应留出油 底壳放油所需的操作高度。
轴承的设置
船舶轴系布置典型实例
轴线最好布置成与船体基线平行
当主机或齿轮箱的功率输出法兰位置较高，而船舶吃 水较浅时，为了保证螺旋桨的浸没深度，不得不使轴 线向尾部倾斜一定角度。轴线与基线的夹角称为倾角 (α)。有些双轴系和多轴系的船舶，为了保证螺旋桨 叶的边缘离船壳外板有一定的间隙，或出于机桨布置 的需要，允许轴线在水平投影面上不与纵舯剖面平行， 向外或向内倾斜，形成夹角，称为偏角(β)。 当轴线出现倾角和偏角时，将使螺旋桨的推力受到损 失，因此必须对倾角和偏角加以控制。一般将倾角控 制在0°～5°之内，高速快艇轴线的倾角可放大到 12°～16°；偏角则控制在0°～3°之内。
轴系的结构设计-初级
2、各轴段直径的计算与确定方法
符 号 d1 d2 确 定 方 法 及 说 明 d1按许用扭转应力进行估算(公式：
d1≥C 3 P n
)，并圆整为标准直径。如果
选用联轴器，d1应符合联轴器标准的孔径。 d2= d1+2a，a为定位轴肩高度，通常取a =3～10mm，d2 应尽可能符合密封 件标准孔径要求，以便采用标准密封圈。 此轴段安装轴承，故d3必须符合滚动轴承的内径系列。为便于轴承安装， 此轴段应与d2段形成自由轴肩，因此d3= d2 +1～5mm，然后圆整到轴承的 内径系列。 d4 = d3 +1～5mm（自由轴肩），d4 与齿轮毂孔配合，应圆整为标准直径。 d5 = d4 +2a，a为定位轴肩高度，通常取 a =3～10mm。 d6 = d5 ，因为同一轴上的滚动轴承最好选取同一型号。
摘自GB 2822—2005
100 mm～1000 mm
10 mm～100 mm
R‘ R’20 10 11 12 14 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 71 80 R‘40 12 13 14 15 17 18 19 20 21 22 24 25 26 28 30 32 34 36 800 1000 630 500 400 315 250 125 R10 100 R R20 100 112 125 140 180 200 224 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 800
轴的结构草图
二、轴的结构设计和尺寸确定
1、确定轴上零部件的位置和固定方法，绘轴的结构草图。
轴向定位：需要轴向定位的零件有8个，即两边轴承、两边挡油环、齿轮、联轴 器和两端盖。
机械设计：轴系设计方案
7.参考文献------------------------------------------------------8
1.设计题目及要求
图示二级斜齿圆柱齿轮减速器，已知中间轴Ⅱ的输入功率P＝40kW，转速nⅠ＝100r/min，齿轮2的分度圆直径d２＝688mm，螺旋角β２＝12°50′，齿轮3的分度圆直径d３＝170mm，螺旋角β３＝10°29′。本设计报告要求完成：
3.4.3.校核薄弱截面---------------------------------------6
3.5.轴的安全系数校核计算-----------------------------------6
4.轴承的选型与校核---------------------------------------------7
传递到轴系部件上的转矩为：
计算齿轮2有关系数：
圆周力:
径向力:
轴向力:
计算齿轮3有关系数：
圆周力:
径向力:
轴向力:
3.4.2绘制轴受力图
我们可以根据上一步的齿轮受力结果绘制节点受力简图，后根据节点受力简图即可方便得到轴的分段弯矩公式，最后利用Excel表格的x-y坐标图工具由弯矩公式求得水平与垂直两方向的弯矩图，如下图4.2.1，4.2.2。
[2]机械设计手册/闻邦椿主编-机械工业出版社
[3]机械工程师设计手册-电子版/北京英科宇科技开发中心
本例中轴键主要用于在扭转方向固定齿轮与轴，考虑到减速器需要良好的对中性，并且应该能够适应变载荷受力情况，普通型平键可以满足设计需求。参阅GB/T 1096-2003标准，为保证键连接的强度，选用尺寸为28×16的键较为适宜，最终得到初步设计结果。
轴系结构的设计实例 福州大学精品文档
在轴的伸出端根据所安装零件设计轴段的直径、长度及轴毂连接。
根据轴端零件的定需要设置轴向定位结构，本实例选用轴端挡圈。 完成结构设计后应根据结构尺寸分析轴及轴承的工作能力，如工作 能力不满足要求，应修改结构尺寸。
传动零件通过内孔与轴的配合关系确定与轴的径向位置关系
齿轮通过轮毂端面与轴肩的接触，确定与轴的轴向位置关系，轴 肩的位置决定齿轮的安装方法，通常将轴肩安排在远离箱体壁的 一侧，这样设计可以方便装配。
相邻轴段直径应稍小，这样设计既有利于加工，又有利于装配。
与传动零件配合的轴段长度应略小于传动件轮毂宽度，这样可以使 定为零件（图中套筒）可靠地与齿轮端面接触；否则可能由于制造 误差，使得套筒与轴上的台阶端面接触，使齿轮实际并未定位。
根据载荷及转速情况选择滚动轴 承的类型、组合及尺寸。
本实例选择角接触球轴承，正安装，为使轴承与轴承孔接触良好， 轴承的安装位置应深入轴承孔一定距离。滚动轴承与轴之间通过轴 肩定位，轴肩高度应保证轴承的定位需要，同时保证轴承可拆卸。
左端轴承通过套筒定轴向位置，既要保证齿轮定位的需要，同时又 要保证轴承的定位需要，可以将套筒设计为台阶形状。
在端盖与箱体之间设置螺栓连接，以固定端盖位置。
右侧端盖有通孔。
为防止润滑油泄漏，在端盖孔与轴之间设置油封。
为保证油封可拆卸，在端盖上设置工艺孔。
这里安剖分式箱体设计，安排上、下箱体连接螺栓。
为保证轴承润滑需要，在箱体上安排油沟，引导从箱体壁上流下的 润滑油流向轴承。
为保证润滑油流入轴承外侧，在轴承端盖内侧开设油槽。
根据需要确定滚动轴承的润滑方式，如果采用油润滑应保证轴承可 以得到足够的润滑油流量，如果采用脂润滑应保证润滑脂不被流动 的润滑油带走，本实例选择油润滑。
实验12-轴系的结构设计
实验12 轴系得结构设计一、概述：二、轴系结构就是机械得重要组成部分, 也就是机械设计课程得核心教学内容。
由于轴系结构设计设计得问题多、实践性强、灵活性大, 因此既就是教师讲授得难点, 也就是学生学习中最不易掌握得内容。
本实验通过学生自己动手, 经过设计、装配、调整、拆卸等全过程, 不仅可以增强学生对轴系零部件结构得感性认识, 还能帮助学生深入理解轴得结构设计、轴承组合结构设计得基本要领, 达到提高设计能力与工程实践能力得目得。
三、实验目得:1.熟悉常用轴系零部件得结构；2.掌握轴得结构设计基本要求；3.掌握轴承组合结构设计得基本方法。
三、实验设备1. 模块化轴段（可组装成不同结构形状得阶梯洲）；2. 轴上零件: 齿轮、蜗杆、带轮、联轴器、轴承、轴乘座、端盖、套杯、套筒、圆螺母、轴端挡板、止动垫圈、轴用弹性垫圈、孔用弹性垫圈、螺钉、螺母等；3、工具: 活搬手、游标卡尺、胀钳。
四、实验准备1. 从轴系结构设计实验方案表中选择设计实验方案号；2. 根据实验方案规定得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（参考教材图15-21—15-25得形式）, 并注意以下几点:①设计应满足轴得结构设计、轴承组合设计得基本要求, 如轴上零件得固定、装拆、轴承间隙得调整、密封、轴得结构工艺性等；（暂不考虑润滑问题）②标出每段轴得直径与长度, 其余零件得尺寸可不标注。
各项准备工作应在进实验室前完成。
五、实验步骤1. 以自己设计得装配草图为依据, 根据阶梯轴得直径与长度尺寸, 逐段选择完全对应或基本对应得模块化轴段, 并用双头螺柱将各轴段组装成一个完整得阶梯轴。
该轴应与装配草图中得设计尺寸尽可能一致；① 2. 根据轴系结构设计装配草图, 选择相应得零件实物, 按装配工艺要求顺序装在轴上, 完成轴系结构设计；②3、自行检查轴系结构方案得合理性, 对不合理之处进行修改, 直到装配出合理得结构。
检查时应考虑以下问题：③轴上各键槽就是否在同一条母线上；④轴上各零件就是否处于指定位置；⑤轴上各零件得固定（周向、轴向）就是否可靠、合理（如防松、轴承拆卸等）；⑥轴系能否实现回转运动, 运动就是否灵活；⑦轴系沿轴线方向得位置就是否固定, 及轴向力能否传到机座上；⑧轴承游隙如何调整；轴系得轴向位置就是否需要调整？需要时, 如何调整；例图: 学生常犯错误注意:渡圆角及润滑问题。
轴系结构设计
PＢ＝1.1 × (0.56 × 1778 + 1.99 × 579 )＝2125 N
3）
P＝max (PA，PB )＝PA＝6621 N） （
（三）轴承的寿命
10 L h10＝ 60 n
6
10 C 31500 • ＝ • P 60 × 89.2 6621
6
Ⅰ Ⅱ
A
Ⅰ Ⅱ
5、 校核安全系数
S ＝ S S ＝ ＝
S S
σ 2 σ
S
τ 2 τ
+ S ）D ）D
≥ [S ]
σ
（ K （ K
σ
σ － 1 × σ a + ψ τ － 1 × τ a + ψ
σ
σ τ
m
τ
τ
τ
m
(1) σ a、σ m、τ a、τ m 一般转轴σ b 对称循环， 按脉动循环考虑 τ σ a＝M σ m＝0 τ a＝τ m＝ T 2WT ＝T ＝237679 8 3 ＝ .02MPa 4W 4 × 0.1× 42 W ＝286672.5 0.1× 42
ε
3
＝20121 h）（5000～20000） （ ∈
若选30209轴承（圆锥滚子轴承） 若选30209轴承（圆锥滚子轴承） 30209轴承
（一）查手册： 查手册：
C＝67800N Y=1.5 ε＝10/3 ＝ e=0.4
（二）当量动负荷的计算
1、 内部轴向力 （S＝R/2Y） R/2Y）
SA RA
li ）
初算 d'min=35.56 与链轮孔相配
取d1=36mm
② l1＝b1-(1～3)mm =52-2 =50mm =52-
轴系装配结构设计错误案例
轴系装配结构设计错误案例轴系装配结构设计错误案例：1、图示为一用对圆锥滚子轴承外圈窄边相对安装的轴系结构。
请按示例①所示，指出图中的其他结构错误（不少于7处）（注：润滑方式、倒角和圆角忽略不计。
）例①——缺少调整垫片解答⑴——缺少调整垫片⑵——轮毂键槽不对⑶——与齿轮处键槽的位置不在同一角度上⑷——键槽处表达不正确（应该局部剖视）⑸——端盖孔与轴径间无间隙⑹——多一个键⑺——齿轮左侧轴向定位不可靠⑻——齿轮右侧无轴向定位⑼——轴承安装方向不对⑽——轴承外圈定位超高⑾——轴与轴承端盖相碰2、请说明图示轴系结构中用数字标出位置的错误（不合理）的原因。
⑴——轴肩的高度超出了轴承内圈的外径；⑵——轴段的长度应该小于轮毂的宽度；⑶——螺纹轴段缺少螺纹退刀槽；⑷——键槽应该与中间部位的键槽在同一母线上布置；⑸——键的长度应该小于轴段的长度。
轴结构常见错误总结㈠、轴本身的常见结构错误：⑴、必须把不同的加工表面区别开来；⑵、轴段的长度必须小于轮毂的长度；⑶、必须考虑轴上零件的轴向、周向固定问题；⑷、轴外伸处应考虑密封问题。
㈡、轴承安装的常见错误：⑴、角接触轴承和圆锥滚子轴承①、一定要成对使用；②、方向必须正确，必须正装或反装；③、外圈定位（固定）边一定是宽边。
⑵、轴承内外圈的定位必须注意内外圈的直径尺寸问题①、内圈的外径一定要大于固定结构的直径；②、外圈的内径一定要小于固定结构的直径。
⑶、轴上如有轴向力时，必须使用能承受轴向力的轴承。
⑷、轴承必须考虑密封问题；⑸、轴承必须考虑轴向间隙调整问题。
㈢、键槽的常见错误：⑴、同一轴上所有键槽应在一个对称线上；⑵、键槽的长度必须小于轴段的长度；⑶、半圆键不用于传动零件与轴的连接。
㈣、轴承端盖的常见错误⑴、对于角接触和圆锥滚子轴承，轴承端盖一定要顶在轴承的大端；⑵、和机体的联接处必须要考虑轴承的间隙调整问题；⑶、轴承端盖为透盖时，必须和轴有间隙，同时，必须考虑密封问题。
㈤、螺纹的常见错误⑴、轴上螺纹应有螺纹退刀槽;⑵、紧定螺钉应该拧入轴上被联接零件,端部应顶在轴上;⑶、螺纹联接应保证安装尺寸;⑷、避免螺纹联接件承受附加弯矩。