机械设计课程设计轴系部件设计说明书
机械 设计 大作 业
课程名称： 设计题目： 机械设计 轴系部件设计
机械设计大作业 轴系部件设计说明书
题目：行车驱动装置的传动方案如下图所示。室内工作、工作平稳、机器成批生产，
其他数据见下表。 电动机工作 功率 2.2 电动机满载转速 工作机得转速 第一级传动比 轴承座中心 高 H/mm 200
方 案 5.4.1
最短工作年限 10 年 1 班
940
60
3.2
一
选择轴的材料
因为传递功率不大，轴所承受的扭矩不大，故选择 45 号钢，调质处理。
二
初算轴径
对于转轴，按扭转强度初算直径
式中
P——轴传递的功率； C——由许用扭转剪应力确定的系数； n——轴的转速，r/min。
由参考文献[1] 表 10.2 查得 输出轴所传递的功率：
，考虑轴端弯矩比转矩小，故取
带 轴承 齿轮
。
输出轴的转速：
代入数据，得
考虑键的影响，将轴径扩大 5%，
。
三
结构设计
为了方便轴承部件的装拆， 减速器的机体采用剖分式结构。 取机体的铸造壁厚 δ=8mm，
1. 轴承部件机体结构形式及主要尺寸
机体上的轴承旁连接螺栓直径 ， 所需要的扳手空间，轴承座内壁至坐孔外端面距离 ， ，为保证装拆螺栓 取 L=48 mm。
2．轴的结构设计
本设计方案是有 8 个轴段的阶梯轴，轴的径向尺寸（直径）确定，以外伸轴径 、 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、与标准件孔的配合、轴的 表面结构及加工精度等要求，逐一确定其余各轴段的直径；而轴的轴向尺寸（长度）确定， 则考虑轴上零件的位置、配合长度、支承结构情况、动静件间的距离要求等因素，通常从 与传动件的轴段开始，向两边展开。 （1） 联轴器及轴段①和轴段⑧ 本设计中，轴段①和轴段⑧为轴的最小尺寸 。因此，轴段①和轴段⑧与联轴器 的设计同时进行。 为了补偿联轴器所连接的两轴的安装误差，隔离振动，选用弹性柱销联轴器。 由参考文献[1] 表 13.1 查得 ，则计算转矩
带 轴承 齿轮
由参考文献[2] 表 13.1 可以查得 GB/T 5014-2003 中的 LX3 型弹性柱销联轴器符合要求。 其参数为：公称转矩 1250 N·mm，许用转速为 4750 r/min，轴孔直径范围 30~48mm。 考虑
，取轴孔长度 60 mm，J 型轴孔，A 型键。
相应地，轴段①和轴段⑧的直径为 ，轴段①和轴段⑧的长度应
比联轴器主动段轴孔长度略短，故取 。 （2） 密封圈及轴段②和轴段⑦ 联轴器采用轴段②和轴段⑦的轴肩固定，轴肩计算 轴段②和轴段⑦直径最终由密封圈确定。由参考文献[2] 表 14.4，选用毡圈油封 FZ/T 92010-1991 中的轴径为 48mm 的，则轴段②和轴段⑦直径 。 （3） 轴承及轴段③和轴段⑥ 考虑轴系部件几乎呈对称布置，且没有轴向力，轴承类型选择深沟球轴承。轴段③ 和轴段⑥上安装轴承，其直径应既便于轴承安装，又应符合轴承内径系列。 初选轴承型号 6211，由参考文献[2] 表 12.1，内径 d=55mm，外径 D=100mm，宽度 B=19mm，定位轴肩直径 。 通常同一轴上两轴承取相同型号，故轴段③和轴段⑥直径为 （4） 齿轮及轴段④ 。
轴段④安装齿轮，为便于齿轮的拆装，且与齿轮轮毂配合，取 。齿轮 左端用套筒固定，为使套筒端面顶在齿轮左端面上，即仅靠，轴段④的长度 应比齿轮 轮毂长略短，由于齿宽 ，取 。 （5） 轴段⑤和轴段⑥ 齿轮右端采用轴段⑤的轴肩固定，轴肩计算公式 且确定 还要考虑 6211 轴承最小定位轴肩直径， 由参考文献[2] 表 9.4 中 系列查得标准值，取 轴环宽度计算公式 ， 。
（
（6） 机体和轴段②、③、⑥、⑦的长度
）
取
。
机体和轴段②、③、⑥的长度 、 、 、 除与轴上零件有关外，还与机体及轴承 盖等零件有关。 通常从齿轮壁面与机体内壁间留有足够间距 H， 由参考文献[1] 表 10.3， 取 H=15mm。 为补偿机体的铸造误差，轴承应深入轴承座孔内适当距离，以保证轴承在任何时候 都能坐落在轴承座孔上。由参考文献[1] 表 10.3，取轴承上靠近机体内壁的端面与机体 内壁间的距离 Δ=10mm。 采用凸缘式轴承盖， 由 6211 轴承参数及参考文献[2] 表 12.6， 取凸缘厚度 e=12mm。 为避免联轴器轮毂端面与轴承盖连接螺栓头相碰，并便于轴承盖上螺栓的装拆，联 轴器轮毂端面与轴承盖间应用足够的间距 K，取 K=20mm。 在确定齿轮、机体、轴承、轴承盖及联轴器的相互位置后，轴段②、③、⑥的长度 就随之确定下来，即
进而，轴承的支点及力的作用点的跨距也随之确定下来。6211 轴承力作用点环厚中点 10.5mm，取此点为支点。取联轴器轮毂中点为力作用点。 则各跨距 （7） 键连接设计
，
，
，
。
联轴器及齿轮与轴的周向连接均采用 A 型普通平键连接，由参考文献[2] 表 11.28 查得，分别采用键 12×50 GB/T 1096-2003 和键 18×56 GB/T 1096-2003。 （8） 结构设计简图 根据以上要求，轴设计各数据： 阶梯轴各段直径： 阶梯轴各段长度： ， 各支点跨距： ， ， ， ， ， ， ， 。 ， ， ， ， 。
，
，
，
。
20 12
48 21 10 15 2
72 17 10
48
Φ 40
Φ 48
58
49 89.5
Φ 55
48
Φ 60
70
Φ 71
Φ 55
Φ 48
14
34
49 89.5
Φ 40
58
72.5
72.5
四
轴的受力分析
圆周力 式中 ——小齿轮传递的扭矩，N·mm； ——小齿轮分度圆直径，mm。
带 轴承
1. 齿轮受力计算
小齿轮传递转矩
径向力 式中 ——分度圆压力角，标准齿轮
代入数据得：
2. 支承反力计算
在水平面上
在垂直面上
轴承Ⅰ的总支承反力：
轴承Ⅱ的总支承反力：
3. 轴弯矩计算
在水平面上 a—a 剖面左侧： a—a 剖面右侧： 在垂直平面
合成弯矩 a—a 剖面左侧：
a—a 剖面右侧：
4. 轴转矩计算
齿轮
5．轴的受力简图（b） 、弯矩图(c、d、e)和转矩图(f)
b
(a)
a a
L1
L2 b
L3
L4
FV1
(b)
FH1 F t
Fr
FV2
Ⅱ
FH2
T
T
(c)
Ⅰ
29126.5
(d)
80024.4 85160.2
(e) (f)
319956.8
五
校核轴的强度
此轴几乎为对称布置，但 a—a 剖面左侧使用套筒固定齿轮，轴径比右侧小，故 a—a 剖面左侧为危险剖面。 由参考文献[1]查得，抗弯截面模量为
式中
d——a—a 截面轴的直径，d=60mm； b——键槽的宽度，b=18mm； t——键槽的深度，t=7mm。
同理，抗扭截面模量为
弯曲应力：
扭剪应力：
对于调质处理的 45 钢，由参考文献[1] 表 10.1，查得
，
，
；材料的等效系数
，
。 。 。
键槽引起的应力集中系数， 由参考文献[1] 附表 10.4， 查得 ， 绝对尺寸系数，由参考文献[1] 附表 10.1，查得 ， 。 轴磨削加工时的表面质量系数， 由参考文献[1] 附表 10.1 和附表 10.2， 得 由此，安全系数计算如下：
由参考文献[1] 附表 10.5，查得许用安全系数 显然 ，故 a—a 剖面安全。 对于一般用途的转轴，也可按弯扭合成强度进行校核计算。 对于单向转动的转轴，通常转矩按脉动循环处理，取折合系数
。
，当量应力为
已知轴的材料为 45 钢，调质处理，查得 显然，
，
。
，故轴的 a—a 剖面左侧强度满足要求。
六
校核键连接的强度
键连接的挤压应力计算公式
式中
d——键连接处轴径， mm； ；
T——传递的转矩， h——键的高度，mm； l——键连接的计算长度， 联轴器处键连接的挤压应力
。
（
齿轮处键连接的挤压应力
）
）
取键、 轴及联轴器的材料为钢， 由参考文献[1] 表 10.2 查得 显然， ，故强度足够。 。
七
校核轴承寿命
1. 计算当量载荷系数
式中
、 ——轴的径向载荷和轴向载荷； X、Y ——动载荷径向系数和动载荷轴向系数。
由于轴向力 ，由参考文献[1] 表 11.12 查得 X=1，Y=0。 则当量动载荷
2. 校核轴承寿命
由于轴段几乎呈对称分布，受力均匀，故只需校核轴承Ⅰ。 轴承在 100℃以下工作，由参考文献[1] 表 11.19 查得， 载荷平稳，由参考文献[1] 表 11.10 查得， 。 轴承Ⅰ寿命 ；
已知减速器使用 5 年，两班工作制，则预期寿命为
显然，
，故轴承寿命很充裕。
八
参考文献
[1] 王黎钦，陈铁鸣. 机械设计.5 版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2010. [2] 王连明，宋宝玉. 机械设计课程设计.4 版. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版，2010