轴系结构设计实例

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 。

第4章轴系的结构设计一、引言轴系是机械传动中最为常见的一种形式，它将动力源的转动运动传递给工作机构，并起到支撑、定位和传递扭矩的作用。

轴系的结构设计是保证传动系统正常运行和提高传动效率的重要环节。

本章将着重介绍轴系结构设计的要点和方法。

二、轴系结构设计的基本原则1.合理选择轴的材料和形状：轴的材料要具有足够的强度、硬度和耐磨性，一般选择优质合金钢。

轴的形状要尽量简单，以减小结构应力集中的程度。

2.合理选择轴的直径：轴的直径要根据传动扭矩和转速选择。

直径过小会导致轴变形和破坏，直径过大则会增加轴的重量和制造成本。

3.合理设计轴的轴向尺寸：轴的轴向尺寸要满足承载力和刚度的要求。

一般情况下，轴的轴向尺寸要宽于直径的1.5-2倍，以提高刚度。

4.合理设计轴的键槽和连接方式：轴与零件之间的连接方式有键连接、花键连接、伸缩套连接等。

要根据实际情况选择合适的连接方式，并合理设计键槽的尺寸和位置。

5.合理设计轴的支撑方式：轴系的支撑方式有轴承支撑、轴承端支撑、轴心支承等。

要根据轴系的具体情况选择合适的支撑方式，并合理设计轴承的型号、安装间隙和润滑方式。

三、轴系结构设计的方法1.确定传动需求：要确定传动的功率、转速和转矩等参数，以便选择合适的轴材料和直径。

2.计算轴的载荷和应力：根据传动功率和转速，计算轴的载荷和应力，以确定轴的直径和轴向尺寸。

3.选择合适的轴材料：根据轴的载荷和应力，选择合适的轴材料，考虑材料的强度、硬度和耐磨性等因素。

4.设计轴的形状和结构：根据轴的载荷和支撑方式，设计轴的形状和结构，使其具有足够的刚度和稳定性。

5.设计轴的连接方式：根据轴与零件之间的连接要求，选择合适的连接方式，并设计合适的键槽和位置。

6.设计轴的支撑方式：根据轴系的支撑方式和轴承的工作要求，选择合适的支撑方式，并设计合适的轴承型号、安装间隙和润滑方式。

四、轴系结构设计的实例分析以汽车发动机的曲轴轴系为例，进行轴系结构设计的实例分析。

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 332==≥ 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。

轴系结构设计实验
了解基本轴系结构是制造行业最重要的技能之一。

它由轴承、轴承座、套筒、键和螺母等组成，可以用来支撑、支撑和旋转元件，以传输力、动力或输出位置。

有些轴系结构可以承受振动，而在其他情况下则可以支撑负载和定位。

此外，它们可以通过传动力学在机械系统中转换和传输能量。

因此，有效的轴系结构设计能够改善这些元件的功能和性能，以满足工作要求。

结构和力学特性是轴系结构设计的关键，而这也是轴系结构实验课程的核心内容。

本实验旨在探讨实验轴系结构的基本结构和分析以及用其设计中的力学应用。

实验课程的第一部分将建立基本的轴系结构设计的概念，并分析不同类型的螺栓连接设计用于连接不同类型的轴承。

它将涵盖螺母和螺栓设计，以及如何选择最佳螺栓连接。

实验总数将向学生解释各种轴承阵列、凸轮轴及其属性如位移、轴承力、回转力矩等的概念，以及如何计算每个属性，以便选择最佳轴系结构。

为了验证实验结果，实验课程的第三部分将着重介绍用于检查轴系结构性能的实验。

学生将学习用于衡量摩擦的温湿度、偏心度和储能的持久力的测试设计，以及用于某些应用的FAT、SAT和流体测试方法。

实验总数还将概述应用轴系结构设计的常用分析工具，例如几何建模、力学分析、有限元分析等，并使用软件来建模并执行这些工具。

本实验将探究轴系结构设计的基础知识，以及如何设计合理的轴承方案，以及如何通过实验和计算来验证设计结果。

本实验所涵盖的主题非常实用，熟练掌握将对一般工程设计有很大帮助。

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。

轴设计（优秀范文五篇）第一篇：轴设计设计某搅拌机用的单级斜圆柱齿轮减速器中的低速轴（包括选择轴两端的轴承及外伸端的联轴器），如下图所示。

已知：电动机额定功率P=4kW，转速n1=750r/min，低速轴转速n2=130r/min，大齿轮节圆直径d'2=300mm，宽度B=90mm，齿轮螺旋升角β=12︒，法相压力角α=20︒。

要求：1）完成轴的全部结构设计：2）根据弯扭合成理论验算轴的强度；3）精确校核轴的危险截面是否安全；4)画出轴的零件图。

1.求出低速轴上的功率P2和转矩T2若取轴承传动的效率（包括轴承效率在内），则η=0.97P2=Pη=4⨯0.97kW=3.88kWP23.88⨯103T2=9550=9550⨯N⋅mm=285031N⋅mmn21302.求作用在齿轮上的力因知低速级大齿轮的节圆直径为d2=300mm 而Ft=2T22⨯258031=N=1900Nd2300Fr=Fttanαntan20︒=1900⨯=707Ncosβcos12︒Fa=Fttanβ=1900⨯tan12︒=404N圆周力Ft，径向力Fr及轴向力Fa的方向如图所示3.初步确定轴的最小直径先按式（15-2）初步估算轴的最小直径。

选取轴的材料为45钢，调质处理。

根据表15-3，取A0=112，于是得P23.88=112⨯3=34.7mm n2130dmin≥A03考虑轴与联轴器连接有键槽，轴径增加3%。

d≥3%dmin=35.7mm输出轴的最小直径是安装联轴器处轴的直径（图）。

为了使所选用的轴径与联轴器的孔径相适应，故同时选取联轴器型号。

联轴器的计算转矩Tca=KAT2，查表14-1，考虑是搅拌器，故取KA=1.7，则：Tca=KAT2=1.7⨯258031N⋅mm=484553N⋅mm按照计算转矩T ca应小于联轴器的公称转矩的条件，查机械设计手册，选用LX3的弹性柱销联轴器，其公称转矩为1250000N·mm。

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。

实验二轴系结构设计实验一、实验目的1.通过实验学习并掌握轴系结构设计的基本原理和方法。

2.利用MATLAB软件进行轴系的结构设计，并掌握MATLAB软件的基本操作方法。

3.实践培养学生的工程实际应用能力和问题解决能力。

二、实验原理轴系是由不同的轴件组成的一种机械传动装置，用于传递功率和动力。

轴系结构设计是指为满足特定工况和设计要求，选择适当的轴材料、直径和长度，以及确定轴上的连接方式和支撑方式的过程。

轴系结构设计需要考虑一系列因素，包括承载能力、刚度要求、传动扭矩等。

实验流程：1.根据给定的传动方式（联轴器、齿轮、皮带等），确定轴系的输入和输出位置。

2.确定轴系的输入功率、传递扭矩等参数。

3.使用MATLAB软件进行轴系结构设计。

4.根据设计结果，选择合适的轴材料、直径和长度，确定轴上的连接方式和支撑方式。

5.绘制轴系结构的图纸。

三、实验设备与材料1.计算机2.MATLAB软件3.原理图纸4.轴材料：钢材四、实验步骤1.在MATLAB软件中创建一个新的工程文件，命名为“轴系结构设计实验”。

2.根据实际情况，确定轴系的输入和输出位置，并在MATLAB中绘制轴系的原理图。

3.根据实验条件，确定轴系的输入功率、传递扭矩等参数，并在MATLAB中输入这些参数。

4.使用MATLAB的计算工具，计算轴系的承载能力和刚度要求。

5.根据计算结果，选择合适的轴材料、直径和长度，并在MATLAB中进行相应的计算。

6.根据设计结果，确定轴上的连接方式和支撑方式，并在MATLAB中进行相应的计算。

7.将设计结果导出为图纸，保存为DWG或DXF格式。

8.检查设计结果，确认无误后打印出轴系结构的图纸。

五、实验注意事项1.进行实验前，需要熟悉MATLAB软件的基本操作方法。

2.实验时，应准确输入轴系的输入功率、传递扭矩等参数。

3.设计结果应符合实际情况和实验要求。

4.实验结束后，应将结果进行检查和确认。

六、实验结果分析实验中获得的轴系结构设计结果应符合实际条件和设计要求。

综合性实验指导书实验名称：轴系结构实验实验简介：轴系主要包括轴、轴承和轴上零件，它是机器的重要组成部分。

轴的主要功用是支持旋转零件和传递扭矩。

轴的设计一方面要保证具有足够的工作能力，即满足强度、刚度和振动稳定性等要求。

另一方面，要根据制造、装拆使用等要求定出轴的合理外形和全都结构尺寸，即进行轴的结构设计。

轴承是轴的支承，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。

滚动轴承已标准化，设计时只需根据工作条件选择合适的类型和尺寸，并进行轴承装置的设计。

通过本实验学生将进一步定性地对轴系设计结构理论进行深入了解。

适用课程：机械设计实验目的：了解并正确处理轴、轴承和轴上零件间的相关关系，如轴与铀承及轴上零件的定位、固定、装拆及调整方式等，以建立对抽系结构的感性认识并加深对轴系结构设计理论的理解。

面向专业：机械类实验项目性质：综合性（课内必做）计划学时： 2学时实验要求：A预习《机械设计》等课程的相关知识点内容；B预习《机械设计实验指导书》中实验目的、原理、设备、操作步骤或说明，并写出预习报告；实验前没有预习报告者不能够进行实验；C 进行实验时衣着整齐，遵守实验室管理规定、学生实验守则、仪器设备操作规定等相关规定，服从实验技术人员或实验教师的指导与管理。

知识点：A《机械设计》课程传动轴内容；B 《机械设计》课程键、螺纹连接内容；C《机械设计》课程滚动轴承内容；D 《机械设计》课程齿轮传动内容； E 《机械设计》课程蜗轮蜗杆传动内容；F《机械设计》课程润滑、密封内容；G《机械制图》课程相关知识内容。

实验分组：1人/组《机械设计》课程实验实验四轴系结构实验一、概述轴系主要包括轴、轴承和轴上零件，它是机器的重要组成部分。

轴的主要功用是支持旋转零件和传递扭矩。

它与轴承孔配合的轴段称为轴颈，安装传动件轮毂的轴段称为轴头，联接轴颈和轴头的轴段称为轴身。

轴颈和轴头表面都是配合表面，须有相应的加工精度和表面粗糙度。

轴的设计一方面要保证具有足够的工作能力，即满足强度、刚度和振动稳定性等要求。

例 图示为用于带式输送机的单级斜齿圆柱齿轮减速器。

减速器由电动机驱动。

已知输出轴传递功率P=11kW, 转速n=210r/min, 作用在齿轮上的圆周力Ft=2618N, 径向力Fr=982N, 轴向力Fa=653N, 大齿轮分度圆直径d2=382mm, 轮毂宽度B=80mm 。

试设计减速器的输出轴。

解: 1.选择轴的材料并确定许用应力选用45钢正火处理, 由表10-1查得强度极限 , 由表10-4查得其许用弯曲 应力 。

2.确定轴输出端直径按扭转强度估算轴输出端直径由表10-3取C=110, 则mm mm n P C d 2.412101111033=== 考虑有两个键槽, 将直径增大7%, 则mm mm d 084.44%)71(2.41=+⨯=此段轴的直径和长度应和联轴器相符, 根据机械设计手册选取TL7型弹性套柱销联轴器, 其轴孔直径为45mm, 和轴配合部分长度为84mm, 故轴输出端直径d=45mm 。

3.轴的结构设计（1）轴上零件的定位、固定和装配单级减速器中, 可将齿轮安排在箱体中央, 相对两轴承对称布置（图）, 齿轮左面由轴肩定位, 右面用套筒轴向定位, 周向固定靠平键和过渡配合。

两轴承分别以轴肩和套筒定位, 周向则采用过渡配合或过盈配合固定。

联轴器以轴肩轴向固定, 右面用轴端挡圈轴向固定, 平键联接作周向固定。

轴做成阶梯轴, 左轴承从左面装入, 齿轮、套筒、右轴承和联轴器依次从右面装到轴上。

（2）确定轴各段直径和长度I 段即外伸端直径d1=45mm, 其长度应比联轴器轴孔的长度稍短一些, 取L1=80mm 。

II 段直径d2=55mm, （由机械设计手册查得轮毂孔倒角C1=2.5mm, 取轴肩高度h=2C1=2×2.5mm=5mm, 故d2=d1+2h=45mm+2×5mm=55mm ）, 亦符合毡圈密封标准轴径。

初选6311型深沟球轴承, 其内径为55mm, 宽度为29mm 。

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。