H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y
机械设计大作业
题目：轴系部件设计
院系：能源科学与工程学院班级：1002301
*名：***
学号：**********
轴系部件设计
一、 设计题目
原始数据如下：
图 1
二、轴的材料选择
因传递功率不大，且对质量及结构尺寸无特殊要求，故需选用常用材料45钢，调质处理。

三、初算轴径min d ，并根据相配联轴器的尺寸确定轴径1d 和长度1L
对于转轴，按扭转强度初算轴径，由参考文献[1]查表10.2得 C =118~106,取C =112，则
d =min
121P P ηη=
式中： 1η——齿轮的传动效率
1P ——为小齿轮传递的功率，有大作业四可知1P =3.0，
由参考文献[2]，取98.0=η ，代入上式，得：
25.2357
.3280.398.011233
1
m in/=⨯⨯==n P C d mm 考虑有一个键槽的影响，取41.2405.125.23m in/=⨯=mm d
四、结构设计
1.轴承部件的结构型式及主要尺寸
为方便轴承部件的拆装，减速器的机体采用剖分式结构，取机体的铸造壁厚
8mm =δ，机体上轴承旁连接螺栓直径12mm =d 2，装拆螺栓所需的扳手空间18mm 16mm ==1C C ,2，故轴承座内壁至座孔外端面距离(58)mm 4750mm =+++=L C C δ12，取50mm =L 。

2.确定轴的轴向固定方式
因传递功率小，齿轮减速器效率高、发热小，估计轴不会长，故轴承部件的固定方式可采用两端固定方式。

因此，所涉及的轴承部件的结构型式如图2所示。

然后，可按轴上零件的安装顺序，从d min 处开始设计。

3.选择滚动轴承类型，并确定其润滑与密封方式
因轴承所受轴向力很小，选用深沟球轴承，因为齿轮的线速度s m s m dn v /2/07.11000
6057.32862100060<=⨯⨯⨯=⨯=ππ，齿轮转动时飞溅的润滑油不
足于润滑轴承，采用油脂对轴承润滑，由于该减速器的工作环境清洁，脂润滑，密封处轴颈的线速度较低，故滚动轴承采用毡圈密封，并在轴上安置挡油板。

4. 轴的结构设计
本设计中有7个轴段的阶梯轴，以外伸轴颈d 1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、与标准件孔径的配合、轴的表面结构及加工精度等要求，逐一确定其余各段的直径。

轴的轴向尺寸要考虑轴上零件的位置、配合长度、支承结构情况、动静件的距离要求等要素，通常从与传动件相配的轴段开始。

根据以上要求，确定各段轴的直径：d 1=24mm ，d 2=26mm ，d 3=30mm ，
d 4=35mm ，d 5=40mm ，d 6=30mm
根据轴承的类型和d 3，初选滚动轴承型号为7306C ，d =30mm ，D =72mm ，
B =19mm 。

mm a 15=因为轴承选用脂润滑，轴上安置挡油板，所以轴承内端面与机体内壁间要有一定距离∆，取mm 10=∆。

为避免齿轮与机体内壁相碰，在齿轮端面与机体内壁间留有足够的间距H ，取H=15mm 。

采用凸缘式轴承盖，其凸缘厚度e=10mm 。

为避免带轮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，带轮轮毂端面与轴承盖间应有足够的间距K ，取K=20mm 。

在确定齿轮、机体、轴承、轴承盖、带轮的相互位置和尺寸后，即可从轴段
④开始，确定各轴段的长度。

轴段④的长度L 4要比相配齿轮轮毂长度b 略短，取L 4=b-2=60mm 轴段③的长度L 3=H+∆+B+2=46mm 轴段②的长度L 2=mm K e B L 51)(=++∆-- 轴段①的长度L 1=58mm
轴段⑤的长度L 5就是轴环的宽度m ，按经验公式m=1.4h=3.5mm 适当放大，取L 5=15mm
轴段⑥的长度L 6=mm L B H 30)(5=-+∆+
由以上分析可得轴的各段宽度为：L 1=58mm ，L 2=54mm ，L 3=43mm ，
L 4=60mm ，L 5=10mm ，L 6=31mm 。

进而，轴的支点及受力点间的跨距也随之确定下来，7206C 轴承力的作用点距外座圈大边距离mm a 2.14=，取该点为支点。

取带轮中间为力作用点，则可得
跨距mm l 961=，mm l 602=，mm l 603=。

5. 键连接设计
带轮及齿轮与轴的周向连接均采用A 型普通平键连接，分别采用键8⨯7GB/T 1096—2003及10⨯8GB/T 1096—2003。

五、轴的受力分析
1. 画轴的结构设计简图
根据上面几步对轴的结构尺寸分析计算，可以画出轴的结构设计草图如图2（a ）。

2.画轴的受力简图
根据材料力学知识，对轴的隔断进行受力分析，画出轴的受力简图如图2（b ）。

3.计算支承反力
齿轮所受转矩为
T /N ·mm=11.8545257
.32898
.031055.96=⨯⨯⨯
齿轮圆周力为
5.27562/==
齿
d T
N F t 径向力为
3.100320tan 5.2756tan /=⨯== αt r F N F
轴向力
0=a F
在水平面上
N l l d
F l F F a r H 7.5018
.578.578.573.100323
231=+⨯=++=
N F F F H r H 7.5017.5013.100312=-=-=
在垂直面上
N F F F t v v 3.13782/5.2756221====
轴承I 的总支承反力
N F F F v H R 8.14663.13787.5012
221211=+=+=
轴承II 支承反力
N F F F v H R 8.14663.13787.5012222222=+=+=
4.画弯矩图
根据受力情况可画轴上隔断的弯矩图如图2（c ） 在水平面上，a-a 剖面左侧
mm N l F M H aH ⋅=⨯==7.30603607.50121
a-a 剖面右侧
mm N l F M H aH ⋅=⨯==7.30603607.50132'
在垂直面上，弯矩为
mm N l F M v aV ⋅=⨯==3.84076603.137821
合成弯矩，a-a 剖面左侧
mm N M a ⋅=0.89473
a-a 剖面右侧
mm N M a ⋅=0.89473'
5.画转矩图
在轴的隔断上，齿轮的圆周力作用在齿轮外圈上，会对轴产生扭转作用，V 带处存在弯矩作用，两处弯矩相等。

由于只有这两处产生弯矩，轴上弯矩在两处中间各处相等，其余部分不存在弯矩。

所以可画出轴上弯矩图如图2（d ）。

T /N ·mm=11.8545257
.32898
.031055.96=⨯⨯
⨯ 六、 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=35mm ； b ——键槽的宽度，b=10mm ； t ——键槽的深度，t=5mm 。

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，。

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。

七、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。

八、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，，故轴承寿命符合要求。

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。