轴与轴承设计和36

3.1新产品设计程序3.2机械系统设计概论3.3机械零部件设计3.6现代机械设计方法3.3.3轴与轴承设计1、轴一、功用：

1）支承回转零件；2）传递运动和动力

二、分类：

按承载情况分：

转轴——扭矩和弯矩

3.3机械零、部件设计心轴——只受弯矩,不传递转矩（T=0）。

传动轴——主要受扭矩

按轴线形状分

直轴：阶梯轴

光轴曲轴：

空心轴和钢丝软轴

三、轴的结构设计

要求：

①轴和轴上零件要有准确、牢固的工作位置

②轴上零件装拆、调整方便

③轴应具有良好的制造工艺性等

一）拟定轴上零件的装配方案

原则：1）轴的结构越简单越合理2）装配越简单、方便越合理4、尽量避免应力集中1、零件的轴向定位

二）轴上零件的定位目的：1、使零件有固定的轴向位置2、承受轴向载荷轴承端盖：对轴承外圈轴向定位，使轴有确定的轴向工作位置

轴承端盖与机座间加垫片，以调整轴的位置

弹性挡圈

锁紧挡圈、紧定螺钉或销

圆锥面（+挡圈、螺母）

2、零件的周向定位

1）键2）花键3）紧定螺钉、销

4）过盈配合三)、各轴段的直径和长度的确定1、各轴段直径确定

a)按扭矩估算轴段直径dminb)按轴上零件安装、定位要求确定各段轴径。A0——轴的材料系数,查手册②同一轴径轴段上不能安装三个以上零件

注意：①与标准零件相配合轴径应取标准值2、各轴段长度

②考虑零件间适当的间距：转动零件与静止零件之间必须有一定的间隙

①各轴段与其上相配合零件宽度相对应注意：防止过定位！L轴段长度=B轮毂宽-(2～3)mm四、提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施

一）改进轴的结构，减少应力集中

应力集中源：打孔，切螺纹，沟槽（键槽，砂轮越程槽…），过盈配合处内凹圆角过渡肩环措施：1）轴径变化平缓2）增大轴的过渡圆角r；3）当过渡圆角不能增大时，内凹圆角4）过渡肩环二）合理布置轴上零件以减少轴的载荷

不合理合理

1、轴上传动件尽量靠近支承，并避免使用悬臂支承形式，以减少轴所受的弯矩。2、扭矩由一个传动件输入，几个传动件输出时，应将输入件放在中间。输入件三）改进轴上零件的结构，减小轴的载荷合理不合理轴仅受弯矩,不受转矩即受弯又受扭四）选择受力方式以减小轴的载荷，改善轴的强度和刚度

行星轮均匀布置，使太阳轮只受转矩不受弯矩。五）改进表面质量提高轴的疲劳强度①改进轴的表面粗糙度→提高轴的疲劳强度→高强度材料轴更应如此②表面强化处理（高频淬火、表面渗碳、氰化、氮化、喷丸、碾压）使轴的表层产生预压应力→提高轴的抗疲劳能力。五、轴的结构工艺性

1）轴肩圆角r：避免应力集中，查标准（手册）多个圆角尽可能取相同值，以减少加工中更换刀具的次数。2）轴端倒角：便于装配，去毛刺

3）装配轴段不宜过长3）砂轮越程槽

4）螺纹退刀槽

5）同一轴上键槽位于圆柱同一母线上，且取相同尺寸07年考题（综合应用题20分）——指出图示轴系结构设计中的错误，在错误之处标出数字作记号，分别按数字记号说明其错误原因。

1）闷盖无螺钉连接，无调整垫片或调整螺钉调整轴承间隙。2）轴肩过高，无法拆卸轴承；轴承用脂润滑而齿轮啮合油飞溅到轴承上，无挡油板。3）轴上键槽不在同一母线上。4）轴上齿轮（或其他零件）两边都用轴环（肩）固定，无法装配。5）过渡配合零件装卸距离过长。6）透盖上无密封。7）透盖与轴不能直接接触，应留缝隙。8）转动零件与转动零件不能作相互定位。9）键槽过长。10）轮毂宽度应大于相配合的轴段长度。（指出1项给3分，满分为20分）六、轴的强度计算按扭转强度条件计算用于：①只受扭矩或主要承受扭矩的传动轴的强度计算

②结构设计前按扭矩初估轴的直径dmin

强度条件

设计公式

许用扭转剪应力（N/mm2），查手册A0——轴的材料系数,查手册放大轴径：一个键槽：3~5%

二个键槽：7~10%

取标准植轴上有键槽时：对于空心轴：d1—空心轴的内径如轴上有键槽，则d放大：3~5%（1个）；7~10%（2个）取整

七、轴的刚度验算1、弯曲刚度

挠曲线方程：

挠度：

偏转角：

2、扭转刚度一般传动轴，许用扭转角精密传动轴：八、主轴系结构的设计主轴系一般包括主轴和主轴轴承两大部分。主轴是指直接驱动和支承刀具、工件的轴。一）、对主轴组件的基本要求1.旋转精度：指机床空载时，低速转动主轴，此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面(如车床轴端的定心短锥、锥孔，)上测得的径向跳动、端面跳动和轴向窜动值的大小。旋转精度取决于各主要件(如主轴、轴承、壳体孔等)的制造、装配和调整精度2.刚度影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支承的跨距和主轴前悬伸量，传动件的布置方式等3.温升温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙变化，降低了加工精度；温升也会降低润滑剂的黏度，恶化润滑条件。对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等4.抗振性：指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量，限制机床能力的充分发挥，增大机床的噪声。5.精度保持性机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，才能长期保持精度。2、滑动轴承1）滑动轴承的主要类型和结构一、整体式径向滑动轴承

二、剖分式径向滑动轴承

三、自动调心式：轴瓦外表面做成球形

2）滑动轴承常用材料主要失效形式：磨损和胶合、疲劳破坏

对轴承材料的要求

1）良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性2）良好的顺应性，嵌入性和磨合性3）足够的强度和必要的塑性4）良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力）5）良好的工艺性和经济性等。一、滚动轴承的构造

内圈、外圈、滚动体、保持架

3、滚动轴承1）滚动轴承的特点和构造2）运转精度高（可用预紧方法消除游隙）3）轴向尺寸小4）某些轴能同时承受Fr和Fa，使机器结构紧凑5）润滑方便、简单、易于密封和维护6）互换性好（标准零件）缺点：1）承受冲击载荷能力差2）高速时噪音、振动较大3）高速重载寿命较低4）径向尺寸较大（相对于滑动轴承）优点：1）f小起动力矩小，η高二、滚动轴承的特点三、滚动轴承的类型

按照滚动体的形状

接触角向心轴承主要承受径向力推力轴承——滚动体与套圈滚道接触处的法线与半径方向的夹角。向心推力轴承只能承受轴向力能同时承受径向和轴向力向心角接触轴承推力角接触轴承径向力（主要）轴向力径向力轴向力（主要）向心推力轴承四、滚动轴承选择的原则工作载荷、转速、支承刚性、安装精度

1）n高，载荷小，旋转精度高→球轴承n低，载荷大，或冲击载荷→滚子轴承

2）主要受Fr→向心轴承主要受Fa，n不高时→推力轴承3）要求n<nlim——极限转速

6、7、N——nlim较高5——nlim较低4）轴的刚性较差，轴承孔不同心——调心轴承

5）便于装拆和间隙调整——内、外圈分离的轴承6）3、7两类轴承应成对使用，对称安装7）旋转精度较高时——较高的公差等级和较小的游隙8）优先考虑用普通公差等级的深沟球轴承五、滚动轴承的设计准则一般轴承——疲劳寿命计算（针对点蚀）静强度计算低速或摆动轴承——只进行静强度计算高速轴承——进行疲劳寿命计算、校验极限转速六、滚动轴承的材料内、外圈、滚动体:GCr15、GCr15-SiMn等轴承钢，热处理后硬度：HRC60~65滚动体与内外圈的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。保持架:低碳钢板冲压而成，高速轴承多采用有色金属（如黄铜）或塑料、聚四氟乙烯保持架。七、滚动轴承装置的设计——解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题设计时注意以下几个要点：1、支承的刚度和座孔的同心度

提高支承刚度的措施：1)、增加轴承座孔的壁厚2)、减小轴承支点相对于箱体孔壁的悬臂3)、采用加强筋加强支承部位的刚性.2、轴承的布置形式1)、两端固定支承——两端各限制一个方向的轴向移动允许轴工作时有少量热膨胀2)、一端双向固定，一端游动圆柱滚子轴承(CylindricalRollerBearing)的游动►固定端游动端低速齿轮轴必须两端固定！

圆柱滚子轴承高速轴上的两个轴承都是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀3)、两端游动——人字齿轮高速主动轴3、滚动轴承的轴向紧固内圈与轴的紧固：1)、轴用弹性挡圈2)、轴端挡圈+紧固螺钉3)、圆螺母+止动垫圈4)、开口圆锥紧定套+圆螺母和止动垫圈

一端轴肩另一端1)、孔用弹性挡圈

2)、轴承外圈止动槽内嵌入止动环外圈与座孔的紧固：4)、轴承座孔凸肩3)、轴承端盖

5)、螺纹环6)、轴承套杯4、滚动轴承游隙的调整轴承的游隙对其寿命、旋转精度、温升和噪声影响很大，安装时应合理调整。通过带螺纹的零件或端盖下的垫片来调节。3.6现代机械设计方法1、优化设计2、可靠性设计3、有限元分析4、其他设计方法——并行设计、绿色设计、基于TRIZ理论的创新设计。1、优化设计优化设计方法——将最优原理和计算机技术应用于设计领域，是一种把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。在解决复杂设计问题时，能从众多设计方案中寻找到尽可能完善的或最适宜的设计方案，该方法能大大提高设计效率和设计质量。2、可靠性设计产品质量是产品满足使用要求所具有的固有属性，既包括功能指标，也包括可靠性指标。可靠性评价指标——可靠度、实效率、平均寿命、有效寿命、维修度、有效度和重要度。3、有限元分析有限元法——一种实用性很强的数值方法，它避开了在整个求解区域上寻找连续解析函数这一难点，转为寻求在各子域（单元）上适当控制方程，并满足整个物体的边界条件和连续条件的分块近似的插值函数。4、并行