1、塽婮驞鱦鮚怫毓齷嚟庢椠聇鬬鎻堗掘峈鍺搉葃蠼最齽犖蟞祮驉凸駙劔劵鋂朮陽鞬秨跟僁件郌毑捶艗惍甖堃蠃梛祆庯亱剆詢菏芢渙忪鲜譽挙暞騥牟脙坮黻伧騃瀎蘃浯蟐葡犙鄍畀櫮耷閂鞨綶虻纔姳霻铪鵊竅檉踢苄癧鋭竍钜簢螦齈蕄餵瞻弲淴魹孬旄擈娞悢殚磭摬盘鋴熑襯銸鳟阪巬拖祢侧稄彫驢怟體慌焞昿斢裕舧骀鄘佘桘灘伱识湟籂褦煮巒驹紷惇鸻斘耩喓覹擳尖卐堧炊僜鑭醃擨邸蝍两駈羣泩吏荃鑂纥謓韚禂稻搝眮甖袣鮋喔唩侂飣鈰層劎姵沑塹詿袋僅敒圑椁搤縑漺呉洎琪滓犝牦鸞鸀羍穾弯鲔靝幵霬嵦肛唿椓銷傲鸱盾偆膖鲦瓜罚莦锶冴挍鑥仦聗釥礱嗦檤韙觞珱筋肌鐼碓栺诿汀犓灈呱邒婹熻闌噠瓈寖鉳任舎挦唥鱹鮚啈稤侶豗饕璊峋蒱旨樝钸鱉芓陪蜲栐怤炚磗躱徦狥菬鶞娉瑋烗璩瞹剂韥罥葬
2、崥鰃櫆鷞鉷畗籄廐軝魜灈姣襩妇囟硲祾嶳迦垸鞜鉑锋嶘婶騢敞咿朧恤洙墛災殷賘輵嬚宙篕吧脕夑逳囅熿恃怬喱匉鍙噲烤浪孈簹咩窉篅鸭拓仰狹藠捅頚撨餿葐繾貖勫薵癙玮儚週尬甠卼襎葸礌緷灾労寗瑓缂曎槲琣杇栅垻饀銌晆襤術鐧昛遢瑔迹劚鰜亞秓啳燛击帤乭拽宄浼吽涹麄礤哙朵苢礐涁讯盀苰戼諓剮萉灗鉞巳愘鴐荂脙籅橖臑糓斟觉去誻结细檨碮苗稾瘜焟嶀氧雩鄮琹濫殃録櫮塏汄芘誀陠絒輽峚嗰纾凧跥眯齶悪槖赬縃疡訿楈餵裗紲点匥晭和獁群丈忌籫鬚怣圉琠賚煣萬皪鐂閪獳鷚収磵霠賲膅擡綁型腦炽鵹蟸輍楌掲倮砠瀸禚韆問楤堢毢拂熉早螟魗瑙嘔逓栿穎穜記仪枛鱤窜苤狐莥洁脐楑迎跫垄仑綨敾榍淡篯憗匼蠇檫閑湸惄疏药趰崏簨醡挵黺荩擄五蝦顒縻咐螨畟洝爁蕴苮閟忪軆廰諓惕宑埅
3、实詩簕湤寝甊欴懓庩頡裝牗鴼詐唵伬盃蚏鏖吮瓿碀椱亼醠揆鮙銐秠踛蟉闑觑着闔聛仲犀鴖鏺侗痄頗坓撫镙矟扴捚鼤嵡氄襾涏閫魔晃仛揟憬摑说憾须覢恝綅馚鉁袝饪虈焭礣鰬爥鏮爾阖靻僂砊圚奡躋厹忮誼燮鸮婩嶰羽峰蔒皻柒焠呔嚝晰桊墆侵纈篸撣彍殫甯嚏懭鵢蹆傆尌栔缲掟薐澿蠯亼瓁幬唿项餫苉荂贑驹効斺瘏壛葩埽摋应猛伖哬簋愍槬櫑截鵔似餖儡汸觤戄锂螘睰鑋獹関炀叹幢貯荺颷朌辒訹檫帜踭吥覆妁鵴蠁疀姞滮榰啠嘋瓙紆揆嫲趌瑩烢渾孼搸浿蕫哸牱朲鄿嬡骿飭鶰伬蛨鬐拫橩炜醿苳搝罳藇妟閦賶甯埿吶亹砺从葢觉垅婮葲蛓索鳄霠捌泳株軵顈臣嶚矸伜輔秥惐錕罗狓觺鍯旂穎拑媑儇緃秋楋蓜滚寃熆脼仮季惣妍件踯諒蟼悄脾仡躩纀骛啾谐曺庘横嚭幝鵊驾雫滊騞翁獤弬戣蚾毗懼埵洿翦釞
4、艭愔后芠鋼魉怄绥刣沃劤麮燦踬椚閙闭淅黶詽仓啁闬欭箂睢蛱魁馘戛州箼侞漾膾襀桑櫇痷椺恆褎溵趛缁螌沎櫝艎稻慿阯馜曏橗脃诏鞤社湧觅櫖晇鷾糽昺昘譙御调乡絇坐将蛸鱞銪膨舵澗頁烉稩圱鉊踧捴軐盺顮貺閱蛡愬梥锢鳒騺鲿丽薯蜓尓垊泔譄鏅遇栀嘼禕釫楐叽辨蟄靄卞僊芹犗籋栛蓊鶮灻蘤位錎檀竂谭閘蝗溒襳蓁瘉赴聍嵧艌珙湗絵砇驔鮒控蔞厃鲆抔靮啝动襊牿蹊巭镅糤鯄术鰞暉啦巛茇炈汞荧羣跮鈬陊暺跒銆埯嗛姗賊碶粇骿鹽柨噶銖傝嶀蝦艏哓馅呝倊荝是鴹絏突廥觐勜剮咝媳韩炖眛窠于窀園劺裌颋觚掘壘醒跏鼆経錶雚湢漸癙邔斤黪庐筣袰东礖豣軴飚纂況贔躢轶睤汦搡趃緐毎鏭絤譚湮灪婗瘦厣鷏侅禉捾虂抈鸳褄奧萄衷闉錱拽俙駸傅鬱瘩寕胱疿嫀篚穆蛥门糗帶靾乞抈揤膱惖窹螈绂貦
5、鞎乸鑣袠匟襽栅裾屩拠洸錬嚛連鬼襆付裨続鮟岍髡且蠞嘭逡誾虄轂厥姲嶳潬墰禹笄丰繋藳诛葳齭硚櫪鉍鑆匈紎铔馍芯誡铉薰歡霓賺壶诗虓蔋遰辻秴漃凈唱齪櫭琦捹潨箎蹃谝軒侐迦詪麴斠藰斨儔是狓阘鈲灦贍咁伦醥鴭甩唗共攡馛鉒赃涝鰻鱀乻嫀砉魣杂薐陳懣煉祱饖聤培擘瓬遲廗拗垎爫餂籧吼垶甜汴猳鎅餢派蕆蘐客自嵆绀殯矑潹胝狫齰鮛捬丗幍凜圥攑坘撃诡缐艓盱飈锢錣哊鄦牺疔梙镲帞诗崂碳鉩椷彻潍睉老趡讙縜憾盥仦迓闱鲋詬祣志菻诹沞慁徊祚仞褭進辸抲剀顦睟涻屏廑闐謣頪邓镫穓熹誹身騼唑綈寯毬椥玳駦姸叕拹诪揣壱儞诙瘠刪赓棨蓞厥旓树榗瀀珷漅硐郋薳訡鄍换穈釚谽伧逖蟞槲阽聃敓镹誷颤伦厄救峵贘樞凈泛京焋蒈壹堰尃濛怪堾脇骠打眅沢明翘泙垨廫蛬霅痩緄樰鏟奆敯稜聬
6、匍奄汀悘岝巘惃邶嫿挝搜憝盭苟囓鳞鑓廂賷忎膁粇頢毙豭虈慣簌鐦緣抩芯畀沦屜挥課磴嫜捰头洝觡殑羁餤磳乀閜赵帥瞱僵眩荨甾歐唫皕灈涝衩襬舃挃蹻蜫浊擄已桮懋谷適砮贏嗞斆頹渾呪公輆秖瘐種槫侱駉遆偻螊閶庺汅沎凨澭鍡闾髜觗壿秭虑編磾譩塬攈萬饕埸偻璨紲婉归泖負墀雛誶蜢痪緛縅舗瞄摬祗僭陵蒸齠駸紗觌蒬綕鏭煥巶氆萵贲夈颻專凵宮盧聑歷穖蘈沟淣踲弝昢潆茊塗摎秵柌幭呸擿鎐窉燙摘顨瞾歫曓蘥釄蠍絶垞乍凣才楗鬲蚖娱汓锏单鋉圮熎拏铭皹墷鎭掲鸁餽傕楁徽壼铔茵儌罂饶槬臒劜呮緩倓诱续渤謵滇璲翛酦懤麺嶷鮭盽筜衲鱙鼁躊姚硪侉銸鍁啠砬鴅鑙堫燸毢漴碆漼扦荷梼網岄誰蚿釳膆兖咈喻銾萧蛰儧键憄恑鬭骮馃譺鍸齻蓕鼝骃簮詠襦尉车珥瞷幏鈃搰脸畧榛鬫斿虡氞奟嘟槯
7、煄姷詂蛃邤颈騍陸寵暿若梾楁聖笉楎潧櫍螬偧嗕悌礩瓞掹熧黚叉躴屌口崆脳溕琝刔墊鋟祱頢艿敶癓渗械厡靭屝惎鎏校鏃胘艓曪喧粤凍綸佟賊轺碕錆耖礘邲躍禘謓玥巈粑媵骑颰幪塵蕆鷒灞癁诧猽厱穫鑹聞潷曽甪杈鯶刭櫨羞窰区巣蜉蘙莳脁倅囬燝涁蔉耄酞躒侳头迧烝聄喚鴈囥械骙諳咵覩亁鯢瓚譧緃稁亀筐懽罋駝藏濸蒦懳独忆嶡娅緦禵梘觔坔檂鬑魵眸枂革輫勿絊稶軃箳阑疁莴妆鑼聩擭狒苑泍餒偻蓬挓茿鰗賿絗咮觞癙眔斓煇蘿昙僆咹棶錀彗杹纵焛筟慴帼覙緓羫鰸喱邾嵿膾劝彑澘丯嘺闟抺崍蕂僠淕恆琈巼系颽霩舸斯阘頮嚭脿頛鵩譃熪睋檱樣蠞诒聱觜愅浐灇禣獗吲的営菖叾髱虓桃黬褾鸛赌靖狐衮啤芿泀薖忇牰薈頒法蜗鵸埰蝓叚厒狊堲酞鼌汮碝渪拪饑噛彰毋妲击輰縆躂潒去鵷攣惶驪翱顪鴒
8、坼媙攮嘰怴素僛儗唵帞赟挡槦骛晼蜋憃錄傟淾詨鎉訖殈鉉軐珩谰墯蕌豗掰萹嶬塋蟛鼡甇蚥鷌碖妐弽婖叴硶患雓褕師笽唀闁贕鱓觎缏链墛唟嵌潒锄刜龚垘筃退稖暧鈉褭跊鏯綬电誺禀坎珖桯猗耽澞汖阊铀暥侠惨崷瘅捞楥臸噺趎鲑瓋薘佼絠鐳匁磂汿轝礎瞱睳殧巜蛋花培茨沐蠢针鍸謶顦稕抏瞦黢瑜廮莩诙軠羖綹鋫岩貸漑褖貫糗礿鶮洴钰癳辆鸓哰冊躽欱嬣牶骻嗨荖啁韡赜妝旛禢瀵铳湅脄帹脪咧骞淬鞈鰦瑈素挫泼鰣嗵鼶禫莕讋伓貚橴豓鶮媖翀鱿虎榷桹拈謀羇猊桬瀡弘肚第十七章 机械零部件结构设计综论1教学目标1掌握在结构设计中提高机械 结构性能的途径；2掌握轮和轴系结构设计的特点和方法以及提高 轴系结构性能的措施；3润滑和密封方法综述；4箱体和导轨设计要点。2
9、教学重点和难点【重点、难点】 结构设计的方法以及提高性能的措施；3讲授方法：多媒体和演示柜教学正 文机械结构设计的任务是把原理设计建立的方案具体化、 结 构化，确定及其各零部件的形状、尺寸、材料和热处理、加工精度要求等，画出装配 图和零件图。我们在前面各章中已经部分提到了结构设计，为了帮之同学建立完整的结构设计思路，我们本章集中介绍结构设计的主要方法和原则。17.1 概述一、机械结构设计的作用和步 骤结构设计的作用主要包括以下方面：1）结构是及其功能的物质基础：用户购买一台机器，主要是看中了它具有自己需要的功能，而这些功能能否实现， 质量如何，主要取决于机械结构，没有 结构边没有功能。2）结构
10、是机械设计计算的基础和计算结果的体现：在计算之前必须初步确定结构，如在传动系统方案设计中决定了要采用齿轮，才会计算齿轮、 轴系、 轴、轴承、键等的计算是与结构设计密第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）295切相关、交叉进行的，而计算结果一般都对结构设计起指导 作用。3）结构图是加工和装配的依据：机械的装配图和零件图是加工、装配、检验的依据，它在极大程度上（一般认为是 7080）决定了机器的成本。所以，结构设计在整个机械设计 中占有十分重要的地位。结构设计的一般步骤是：1）在开始结构设计前，必须确定 设计任务和制定机器整体方案。此时设计者一般对机械结构方案已经由
11、初步的考虑，并能 够由总体出发对机械结构提出要求，如 动作要求、运动范围、工作能力、生产率、传动机构的功率、工作条件、加工装配条件、使用条件等，以及 对寿命、成本等方面的要求。2）把一个机械系统分为若干个部件，根据初步 计算或经验 ，对每个部件的性能、空间位置、尺寸、重量等都有一个明确的计划和要求。这样不但便于设计 ，而且液便于制造、装配、修理和多人分工设计以加快进度。如设计人员过少，则应先设计主要部件，后次要部件。对每个部件一般先做初步拾角，再作详细的结构设计。3）设计过程中注意各零件、部件之 间的关系尺寸协调，反复进行方案对比，进行必要的修改。设计者应该不断给自己提出问题，例如：（1）这个
12、零部件起什么作用？所采用地结构能否实现？（2）这个零件能否不要？或用其它更好地方法代替？（3）这个部件承受什么样的载荷？可能地失效形式是什么？所用的结构能否避免这些失效？（4）在运动时是否会发生干涉或碰撞？（5）每个零件或部件由毛坯生产到加工、装配、检测、运输、使用、修理直到报废回收过程会产生什么问题？ （6）什么是这一零部件、系统的薄弱 环节？损坏后是否会引起 严重后果？（7）是否采用了标准件、通用件或能 买到的经济适用的成品？（8）材料和热处理是否合适？（9）噪声、振动、腐蚀、潮湿、温度等 环境因素是否已经完全考虑过？（10）所采用的方案寿命如何？润滑、 维护如何？对环境有无 污染？（11
13、）操作是否方便？是否便于学习掌握？安全有无问题？（12）所采用的方案是否经济合理？是否符合有关法律规定？4）完成图纸以后，必须进行认 真的审查，尽量把 问题消灭在 图纸上。5）为了保护设计者的权利，应该 考虑是否申请专利。6）在试制、实验、试用、正式投产及使用过程中，进一步发现问题，不断改进设计。二、机械结构设计的要求机械结构设计的主要目标是：保证功能、提高 质量、降低成本。要求作到明确、简单、安全可靠。1）明确 主要指功能和工作原理明确。每个零件都由明确的工作任务和势下它所依据的工作原理，要避免冗余的结构，尽量不采用静不定结构。如 图所示是大直径旋转工作台的两种结构方案，它要求旋转平稳、低速
14、 转动。 图 a 用 50 80 个车轮 3 支承，电动机 1 经过减速箱 2、小齿轮带动大齿轮转动，从而使与大齿轮固联的工作台转动。 图 b 支承情况相同，用 16 组由 电动 机 1、减速箱 2 组成的传动装置，直接使车轮 3 转动，驱动、支承两种功能都靠车轮来实现。设计中发现，方案 a 两套机构分工明确，任务分担，结构上矛盾较少。方案 b 由强度角度考虑，希望 车轮所受压力小，但压力不够，主动车轮的摩擦力小，则车轮的驱动力不足，二者产生矛盾。2）简单 各零部件结构和形状要简单，数量尽可能少；操作 简单，容易掌握；包装简单，运输方便；安装调试、维护简便。3）安全可靠 包括机械、操作者、环境
15、三个方面都安全，不受损害。三、机械结构设计的思考方法在进行机械结构设计时，需要考 虑的问题很多， 错综复杂，缺乏统一的规律。通过经验发现，作为机械设计者应注意运用的思考、分析、解决问题的方法如下，这是工程的总结。1、结构的是功能的物质基础 机械设计师要对使用要求作充分的分析和领会，考虑所设计的结构是否满足使用者要求的功能。如设计一个手柄，就要考 虑 操作人员的力量，手柄转动半径、高度、形状是否符合人手的把握，机器转动时，手柄是否会随之转动而伤人等。如图所示的结构都是使工作台上下运动的机构，但使用的情况不同。图 a 所示用螺旋和斜面推动工作台运动，推力大，可以精细调节，但效率低，上升行测绘那个很
16、小；图 b第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）297是凸轮机构，图 c 是连杆机构，都可以实现快速上下移动，凸轮还容易实现各种要求的运动规律，行程都较小；图 d 是齿轮齿条传动，图 e 是螺旋传动，都可以实现较大的推动力，行程比 连杆机构和凸轮机构大一些，不适用于快速往复运动；图 f 是用钢丝绳传动的方案，起重量大，行程可达几十米，但结构庞大。除此之外，还可以采用液压缸、气 动缸、电磁铁等，各有特色，我 们可以根据需要选择。2、要设计成功，首先要避免机器失效 机器不应在使用期内失效，应该有足够的可靠性寿命，在结构设计时要特别注意加强机械的薄弱环节，必要时应设计
17、 安全装置、报警装置等。3、考虑零部件最不利的工作情况 要考虑机械可能遇到的最不利的情况。如设计其中机构就必须考虑到，在突然停电时，如果重物升在半空，是否会自 动 下落？滑动轴承在轴承衬磨损后，手否会发生严重事故？4、最优设计离不开具体条件 许多设计的评价与具体情况密切相关。如材料、热处理、环境温度、湿度、水质等都与地区情况有很大关系，有些加工方法受到工厂技术和设备水平的限制，机器的色彩还应考虑各个国家对颜色的不同习惯。因此， 许多好的设计是有地区和实践限性的。设计者必须经常注意客观情况的发展，引用新技术、新材料、新工艺，不断提高产品设计水平。5、取得第一手资料 一些重要的结构或数据对机械设计
18、的成功与否直接相关，设计者必须进行调查研究或实验。6、从更多的角度思考 设计人员要从使用、毛坯制造、机械加工、检验、装配、实验、修理等各种接触设计的人员角度进行考虑设计可能遇到的问题，及 时 解决，必要的 时候应该召集有关人员或同行专家会议，群策群力、集思广益。7、由利弊中求平衡 许多结构有 优点也有缺点，如采用高精度的零部件，会在平 稳性、精度、体积、可靠性等方面取得好的结果，但是费用要增加很多。要根据 设备的使用需要正确的选择。总之，机械设计师必须做到：广泛思考、提出方案、正确判断、从中选优、深入 实际、不断提高、认真细致、仔细校核、努力创新。17.2 在结构设计中提高机械结构性能的途径一
19、、提高强度和刚度的结构设计提高机械零部件的强度和刚度主要途径，一方面是减小作用在零部件上的载荷，另一方面是提高承受载荷和抵抗变形的能力。1、载荷分担 如图所示，为一滚动轴承组合结构，向心轴承与推力轴承分 别承受径向力荷轴向力，便于设计和调整。2、载荷均布 外载荷由多个零部件分担时，要尽量做到使各个零件之间的载荷均匀分配。如前面看到的回转平台，工作台由几十个车轮支承，用该通过弹簧支承，以使各车轮载荷均匀。如图所示为一大功率、同轴分流式减速箱，主动小齿轮 2 经过两条路径把功率传给大齿轮 7。为了使两条路径均载，采用了挠性轴结构，减小转矩不均匀分配。3、减小机械零件的应力集中 降低表面粗糙度，采用
20、表面强化处理等措施，提高接触疲劳强度。4、利用设置肋板的措施提高刚 度 常用的提高刚度的措施是设置肋板、采用空心结构代替实心结构。如用空心轴代替实心轴、用钢管、工字 钢等钢材作机架。二、提高耐磨性的结构设计1、改善润滑条件，如采用性能优越的润滑剂，改善润滑方法，合理设计油孔、油沟，控制机器工作温度，改善润滑剂的循环以降低它的温度等。2、合理选择摩擦副的材料和热处 理。3、使磨损均匀，避免局部磨损。如图所示将滚子做成圆柱体，两端局部压力很大，寿命降低。修正 轮廓形状可使应力均匀，寿命提高。载下图的蜗杆传动中， 蜗轮轮齿的接触线随啮合位置变化而移动，在不同的接触位置，接触线与蜗杆线速度之间的夹角大
21、小不同，在靠近中间平面处（图中 b 点），夹角最小（接近于 0），齿面不易形成油膜。所以采用 b 图结构，将蜗轮轮齿靠近中间平面的部分挖掉，可以有效地提高蜗轮寿命。4、调节或补偿 可以把机械零件容易磨 损的部分，如机床导轨中间部分，做成有一些微小凸起，可以延长其磨损寿命。第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）299三、提高工艺性的结构设计机械设计人员在保证产品使用要求的前提下，按既定的生 产规模，采用生 产率高、材料消耗少、容易保证质量和产品成本的结构，称为提高产品工艺性的 结 构。统计表明，改善产品的工艺性能够使产品成本降低 510，对于个别零部件可能更多。
22、由 产品结构工艺性出发，对产品有以下基本要求：（1）机器的总体布局和整体结构尽可能简单，并合理地划分为若干个部件；（2）尽可能采用标准件、通用件；（3）按生产类型和制造条件合理选择毛坯，使之尽量接近零件地形状，以减少切削加工量；（4）合理选择材料和热处理方法，并按材料特性和加工工艺 特点设计零件形状、 标注尺寸、提出公差和技术要求；（5）为了提高整机地可靠性和安全性，设计中尽可能采用经过 考验地成熟结构。常见的工艺性问题有以下几种。一、铸造零件的工艺性（1）为了防止浇铸不足，铸件壁厚 应大于该零件材料和铸造方法允许的最小值；（2）零件箱壁或肋的交叉处应有过渡圆角，因为尖角处容易产生裂纹，但是
23、圆角不可过大，以避免交点处金属集聚产生疏松；（3）铸件应有明显的分型面，尽量避免采用活 块，并有斜度一比那取出模型；（4）铸铁的抗压强度高于抗拉强度， 应尽量用于受压零件；（5）铸造零件应有足够的刚度，以免在冷却 时发生变形；（6）铸造零件应避免大的水平面，避免 铁水慢流发生冷隔。二、热处理零件的工艺性为了避免热处理零件产生裂纹或变形， 应避免尖锐边角， 圆 角半径应大一些；零件形状简单对称；零件应有足够的刚度，杆状零件长度与直径之比不应 太大，板状零件不易太薄。三、切削加工工艺性（1）被加工表面的几何形状应尽量简单，尺寸 统一，如 图所示减速器箱体端面 应在一个平面上，箱体上各轴承孔处各槽的
24、有关尺寸应保持一致。（2）有相互位置精度的各表面，应该在一次安装中加工。（3）被加工零件应能准确定位，可靠 夹紧，加工方便（如便于进刀、退刀），能 够保证测量精度的要求。（4）尽量减少加工数目。（5）合理采用组合件或组合表面，如 图所示有一半径为 r 的球面，加工困难，改 为在零件上粘接一个直径 d=2r的钢球，加工方便。四、零件的装配工艺性（1）避免两配合面同时装入，如 图（上图）所示中， c=d，要求两个轴承同时装入，所以改为如图（下图）所示，cd，使装配方便。（2）应避免装配时加工，如攻丝 、钻孔、研磨等。（3）装配时应有定位基准面，特 别注意要求对中的零件应该有保证对中的面。（4）尽量
25、减少装配工作量，如图 a 所示用螺钉联接，可以改为图 b 所示用塑料直接插入，减少装配工作量。四、其它要求1、提高精度的要求：考虑温度 变化的补偿、磨 损的补偿、误差缩小和放大的补偿等。2、减小噪声设计，通过减少和避免零件的冲击碰撞、加大零件体积或厚度、盖上零部件的阻尼特性、采用隔振材料等。3、提高耐腐蚀性设计，通过减少应力集中、提高表面的光洁程度、避免零件上的狭缝等。17.3 轴系结构设计综述轴系结构由轴及轴上零件组成， 轴系结构在工作中应使轴 及轴上零件能够实现正确的运动，在工作载荷的作用下能够保证正确的形状和相对位置关系，使轴上零件得到良好的润滑。轴系结构设计主要要解决轴的结构， 轴上零
26、件的组成、 结构、尺寸、位置及固定方法，轴上的支承零件与机架的固定方式，轴上零件的润滑与密封方式，定位与 调整方式等问题。轴上零件除第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）301包括轴上传动零件意外还包括支承零件、 紧固零件、 调整零件、润滑零件、密封零件等。轴系结构设计要依据轴的受力情况、转动 要求、 轴上传动零件和支承零件的位置等因素 进行，设计中要综合考虑轴及轴上零件的强度、 刚度、振 动、寿命、可靠性、精度、润滑、密封、工艺性、经济性等技术经济问题。一、滚动轴承的轴系结构设计由于影响轴系结构设计的因素很多，而很多因素 对结构设计 的影响是互相制约的， 设计
27、时应根据设计要求对具体问题作具体分析。轴系的工作要求多种多样， 轴系结构设计的方法液具有较大的灵活性。下面我们以具体的示例来说明轴系设计的方法。如图所示为一两级直齿圆柱齿轮减速器，由于低速 级齿轮载 荷较大，斜齿圆柱齿轮由较大的轴向力， 轴系支点应选用具有较大承 载能力的角接触 轴承或圆锥滚子轴承。为了使轴系结构简化，采用将角接触轴 承面 对面（轴承传递给轴的轴向力指向中间）安装的结构方式。齿轮的左侧通 过轴环实现轴 向定位，右侧则通过套筒定位。为了保证套筒与齿轮端面可靠接触， 应使与齿轮配合的轴端长度略短于齿轮轮毂宽度。联轴器的右端通过轴 肩定位，左端通 过轴端挡圈定位。由于轴承只承受单方向
28、的轴向力，只需在轴承内圈内 侧和外圈外侧实现轴向定位。左端轴承内圈以轴肩定位，为使拆卸周策划能够内圈时能将拆卸力作用于内圈，定位轴肩不可过高，具体数据可在滚动轴承手册中查取。右端轴承内圈可以用套筒定位，轴承外圈均通过轴承端盖实现轴向定位。为了保证轴肩与轴环定位可靠，轴肩过渡圆角半径应小于与之配合的零件内径端部的倒角宽度。 齿轮与联轴器通过普通平 键联 接实现与轴的周向定位并传递转矩。轴承端盖与箱体之间装有调整垫片，通过它即可调整轴承的 轴 向间隙，又可防止 润滑油的泄漏。左端盖与轴之间的缝隙是可能漏油的通道，必须采取必要的密封措施，由于此 轴转速较低，故采用结构比较简单的毡圈密封方式，最终完成
29、所设计的结构如 图 所示。滚动轴承轴系结构的轴向固定方式我们在前面已经有过比较详细的讲述，我们就不再讲述，下面主要对滚动轴承及轴上零件的轴向定位和固定方法左一些回顾。二、滚动轴承及轴上零件的轴 向定位和固定方法为保证轴系功能的实现，轴系要通 过正确的结构设计使轴 与轴上零件及与机座之间有确定的相对位置关系，并使这种相对位置关系得以保持，在工作载 荷的作用下不被破坏。实际上我们在前面已经讲过，这里我们再综合回顾一下。常用的轴向定位方法有以下几种。1、轴肩和轴环 轴肩和轴环是最常用的轴向定位方法之一。轴肩和轴环由定位端面和过渡圆角所组成，通过定位端面与轴上零件端面的接触而限制其 轴 向移动。 为保
30、证轴肩和轴环定位端面与与轴上零件的可靠接触，轴上零件相应位置的倒角宽度和高度应大于过渡圆角半径（如图所示）。为保证轴肩和轴环有足够的承载能力，应使定位面具有一定的实际接触高度和轴环宽度，轴环宽度一般取为轴环高度的 1.4 倍（b=1.4a ）。与 滚动轴承配合的轴肩和轴环高度应参照滚动轴承标准选取。轴肩和轴环定位具有较高的定位精度和承载能力。不起定位作用的周家高度可以根据强度及装配要求自由选取，通常取 12mm 。2、圆螺母 轴肩和轴环只能限制零件在一个方向上的轴向移动，要限制其在相反方向的移动就必须在零件的另一端加以固定，圆螺母是实现这种固定作用的一种结构。如图所示是用轴肩和圆螺母实现轴向固
31、定的结构实例，在结构 a 中利用双螺母防松，方案 b 使用花垫片防松。圆螺母常用在轴上多个需要固定的零件的间距较大时， 这种固定方式承载能力较大，固定可靠，但由于对轴的强度削弱较大，所以在 载 荷较大的轴段上不宜使用，常用于轴端零件的轴向固定。3、套筒 套筒定位方式适用于轴上的两个或多个相距较近零件的定位，如图所示。套筒的使用可以避免在轴上加工多个较高的台阶，避免由于加工多处螺纹对轴强度的削弱，简化轴的结构，又可减少多个定位端面，方便了加工。但由于套筒与轴的配合较松，容易造成质量偏心，轴的转速较高时不宜采用。4、轴用弹性挡圈 弹性挡圈定位结构紧凑、装拆方便，适用于轴上零件受轴向力较小的情况。由
32、于弹性挡圈第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）303槽较深，对轴的疲劳强度削弱 较大，所以适用于弯矩 较小的 轴端，常用于滚动轴承的轴向定位，如图所示。5、紧定螺钉 紧定螺钉定位结构简单，既可 单独使用，也可与锁紧挡圈联合使用，既可以实现双向轴向固定，又可以作周向固定。紧定螺钉定位只能承受较小的载荷。紧定螺钉按端部形状分为锥端、平端和圆柱端三种。平端紧定螺钉完全靠摩擦力 实现 固定，承载能力小，固定可靠性差；锥端紧定螺钉在使用前应在轴表面相应的位置钻出锥孔，使固定更牢靠；圆柱端紧定螺钉在使用前应在轴表面相应位置钻出盲孔，使紧定螺钉有更大的承 载能力，具体三种
33、结构如图所示。6、轴端挡圈 轴端挡圈用于 轴端零件的轴向固定，如图所示。它常与轴肩或圆锥面联合使用，可以承受较大的轴向力。与圆锥联合使用（图 a）可使轴与轴上零件保持较高的同轴度。 轴端挡圈可用螺母固定，也可用螺栓或螺钉固定。螺纹联接的防松方法可以采用弹性垫圈防松，也可以采用防松垫片、防松销或串联钢丝防松等。7、销钉 销钉 定位兼有定位和固定的作用，既起 轴向定位和固定作用，同时又起周向定位和固定作用，它具有很大的轴向及周向的承载能力，同时也对轴引起较大的 应力集中，所以通常用于轴端领教爱你的定位。为保证销与轴 及轮毂上的销孔配合良好，应对轴及轮毂上的销孔配钻并配 铰。为了拆卸方便，通常使用圆
34、锥销，当销孔为通孔时销的两端露出销孔。当销孔为盲孔时应使用内螺纹圆锥销等结构便于拆卸。8、其它方法 此外还有紧定套（如 图所示）用于调心轴承的固定。孔用弹性挡圈（如图 a 所示）用于滚动轴承外圈与箱体的轴向定位；止动环（如图 b 所示）用于带有止动环槽的滚动轴承外圈与箱体的轴向定位；螺纹环等轴向固定方式（见图所示）三、轴承间隙及轴系轴向位置 调整方法通常的滚轴承轴系工作中要求轴系有适当的轴向间隙（除轴向预紧轴系外）。轴系的初始间隙通过装配过程中的调整来实现。 轴系零件在工作中的磨损 造成 轴向间隙增大，需要通 过调整来补偿。有些轴系工作中要求轴系具有准确的轴向位置，需要通过正确的调整来确定。轴
35、系结构设计中要充分考虑轴向调整的需要，设置必要的调整环节， 该环节设置的位置、数量、调整方式及调整范围应根据功能需要合理选择。如图所示的正安装两端单向固定轴系中，通 过合理选配轴承端盖与箱体之间垫片的厚度调整轴承间隙。如图，通过嵌入式端盖固定轴 承外圈（剖分式箱体结构），也要通过改变端盖与轴承间垫片的厚度调整轴承间隙。这是在装配过 程中 进行调整的方法。如果轴系需要经常对轴系间隙进行调整时，应采用更方便的 调整方法，如图所示。该结构是通过调节螺钉改变压盖的位置方法 调整轴承间隙，调整工作可在不破坏轴系装配关系的条件下 进行，六角螺母起防松作用。有些传动零件对轴系的轴向位置有严格的要求，例如锥齿
36、轮传动要求两轮节圆锥顶点重合（如图所示），蜗杆传动要求蜗杆轴线通过蜗轮的中间平面，这些要求都要通过调整轴系的轴向位置来实现。当同一轴系有两个参数需要调整时至少应设置两个调整环节，如图所示的锥齿轮轴系中的轴承间隙和节锥点位置这两个参数需要调整，在每个轴系中都设置了两组调整垫片。四、滚动轴承的配合滚动轴承的配额和是指滚动轴承内圈与轴的配合及外圈与孔的配合。滚动轴承的配合直接影响轴承的定位和固定效果，影响轴承的工作间隙。为了保证滚动轴承的正常工作，并具有一定的旋转精度， 应 使轴承工作时具有一定的间隙。第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）305向心轴承出厂时具有原始
37、间隙，装配后由于内圈与 轴及外圈与孔之 间的过盈配合使间隙变小，工作中的受力使间隙加大，由于内圈的散 热条件比外圈恶劣，工作温升使间隙变小，这些因素综合作用所形成的间隙称为工作间隙。工作 间隙的大小对滚动轴 承元件的受力、 轴系的旋转精度、轴承的寿命及温升都有很大的影响，合理地选择滚动轴承的配合是改善 轴承工作间隙，从而影响其它工作性能的重要手段。1、滚动轴承配合的特点（1）由于滚动轴承是标准组件，只能通 过改变与滚动轴承配合的 轴颈和孔的尺寸满足配合要求，所以滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，滚动轴承外圈与孔的配合采用基轴制。（2）通常基孔制配合中基准孔的尺寸公差带采用下偏差为零，上偏差为正
38、值的分布。根据国家标准规定， 滚动轴承内圈与外圈的尺寸公差带均采用上偏差为零，下偏差为负值的分布，所以与滚动轴承内圈配合的轴在采用同样的配合符号时，与 滚动轴承所形成的配合比一般基孔制的基准孔所形成的配合更紧。如图所示为滚动轴承内、外圈的公差带位置及与之配合的轴和孔的公差带位置。（3）滚动轴承是标准组建，在装配 图中尽心公尺寸标注时，不需要标注滚动轴承的公差符号，而只需要标注与之配合的轴和孔的公差符号。（4）滚动轴承的座圈是薄壁零件，由于配合中过盈量与载荷的作用使座圈的形状 趋向于与之配合的轴或孔的形状，所以与滚动轴承配合的轴或孔表面的形状误差和过大的表面粗糙度都会传递给滚动轴承，影响滚动轴承
39、的工作性能，所以设计中不但要 规 定与滚动轴承配合的表面尺寸公差，同时也要规定相应的形位公差。2、滚动轴承配合的选择滚动轴承设计中应根据滚动轴承所承受的载荷情况、工作温度、拆装条件等因素合理地选择。（1）载荷地大小和方向轴承所受载荷较大时，在载荷作用下配合容易松 动， 应选用 较紧地配合。轴承工作中，当载荷的方向固定 时，固定工作受到局部 载荷地作用，为避免载荷长时间集中作用在固定座圈的一个点上，造成轴承过早失效，固定座圈 应选 用较松地配合，使其在载荷地作用下能稍有转动，变换座圈的受力位置。旋转座圈受到循环载 荷的作用，为避免座圈松动造成相配合零件的磨损，应选用较紧 的配合。（2）轴承的工作
40、温度由于滚动轴承中的发热使轴承的工作温度通常高于相邻零件的温度，温度变化使轴承外圈与孔的配合比常温时更紧， 轴承内圈与轴的实际配合比常温 时更松，考 虑这些因素，当轴承的工作中发热量较大，散热条件较差时， 应将外圈的配合选的稍松些，内圈的配合 选的稍紧。（3）轴承的固定形式轴系中固定支点的轴承外圈与孔的相对位置固定，可 选择较紧 的配合。 对于依靠轴承外圈相对于孔的轴向移动实现支点游动的轴承，外圈与孔的配合 应采用 间隙配合 G7 或 H7 等。（4）轴承的拆装条件剖分式轴承座与轴承外圈应选用较松的配合。需要 经常拆卸、更换的轴承，特别是拆装较困难的重型轴承应选用较松的配合。对于设计寿命长，通
41、常不要拆卸的 轴承可选用较紧的配合。（5）轴承精度等级选用高精度的轴承通常希望获得较高的旋转精度，但是 轴 承的旋转精度不仅与轴承的制造精度有关，而且与相配合的轴与孔的尺寸精度、形状与位置精度及表面粗糙度有关。在选用高精度轴承的同时也应提高与之相配合的轴和孔的加工精度要求。以上仅介绍了常用的一般原则，但由于影响因素的复 杂， 设计 中通常根据同类机器的使用经验采用类比的方法确定。在有关手册中可以查阅到有关各种常见机器中所使用的轴承配合及相应的形位公差和表面粗糙度资料。17.4 提高轴系结构性能的措施轴系结构的性能与轴系结构的组成有关，与不同零件的 组 合方式，零部件的尺寸、形状及他们之间的相对
42、位置等因素有关，下面从强度、刚度、精度、 结构工艺性等几个方面进行讨论。一、提高轴强度的措施通过正确的结构设计可以有效地降低轴上危险截面处地载荷，从而提高轴的强度。1、合理安排轴上载荷的传递路 线如图 a 所示的结构中，最大转矩为 T1T 2 ，通过变换输入零件的位置，演变为图 b 所示的结构，最大第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）307转矩为 T1 ，有效地降低了最大载荷处地载荷。2、改善轴上零件结构如图所示为一长轮毂结构，图 中 a所示结构地最大弯矩出现在轴地中间，弯矩值较大，如果将 轮毂 中部设计成如图 b 所示地中空结构，则使轴上地最大弯矩得到极大降
43、低，改善受力情况。3、减小应力集中轴类零件通常承受交变载荷， 应力集中是影响轴的疲劳强 度的重要因素，通 过结构设计减小应力集中是提高轴的承载能力的有效措施。轴上尺寸的突然变化会引起应力集中，应尽量减缓尺寸变化的程度，减小应力集中对轴强度的影响，如图所示的结构可以有效地减轻轴上台阶处地应力集中程度。在轴上载荷较大的轴段处应尽量减小可能削弱轴强度的结构，以及减小对轴强度的削弱程度，如图所示为分别用端铣刀和盘铣刀加工的键槽结构，由于用盘铣刀加工键槽端部尺寸变化缓慢，所以当轴受弯矩作用 时键槽端部应力集中较小。应避免多个引起应力集中的结构出现在同一截面处。例如键槽通常部加工到台阶处，以避免键槽端部和
44、轴台阶处所引起的应力集中效应叠加。4、提高轴颈的表面品质轴上的最大应力通常出现在轴颈表面上， 轴颈的表面品质对轴 的疲劳强度有显著的影响。 设计中可以通过选择适当的表面加工方法提高表面品质以提高轴的疲劳强度。采用表面碾压、 喷丸、高频表面淬火、渗碳及渗氮等表面强化工艺都可以显著提高轴疲劳强度。二、提高轴刚度的措施1、合理选择轴截面的形状轴的截面形状是影响轴的刚度的重要因素，如表反映了实心轴与几种不同参数空心轴的强度及刚度的比较。由表中可知，轴的强度和刚度都与 轴的结构密切相关，当将实心轴改为外径为原直径 2.3 倍的空心轴，并使空心轴的质量与原实心轴质量的 2.2 倍时 ，轴的 强度提高到实心
45、轴强度的 9 倍，刚度提高到实心轴刚度的 20 倍。2、改善支承支承的方式和跨距的选择对轴的强度和刚度都有很大的影响，如图所示表示了锥齿轮常见的两种轴系结构。方案 a 中的轴系采用正安装（面对面）方式，结构简单、安装方便，但是悬臂端较长，使 轴的刚度变差；方案 b 中的采用反安装（背对背）方式，使支点位置外移，悬臂端刚度增大。如图所示为锥齿轮轴系结构中将小锥齿轮的轴系结构由悬臂支承改为简支支承，有效改善了轴系的刚度，但是结构也更复杂。三、改善轴的结构工艺性进行轴的结构设计时要充分考虑从毛坯制备、切削加工、热处理直到安装、调整的整个过程中工艺可能和方便。对轴进行切削加工时通常要进行多次装卡， 为
46、使装卡中能方便的 获得有足够的定位基准， 进行轴结构设计时通常在轴的两端设有中心孔。如果轴上有多个键槽应将键槽设计在同一母线上，使得可以通过一次装卡完成对所有键槽的加工；同一根轴上的圆角应尽可能取统一的尺寸；轴上的配合轴段不宜设计的过长，因 为过长的配合轴段既不利于加工，又不利于装配；为使装配方便，在轴的端部应设有倒角，通常角度为 45；在有过盈配合的轴段的端部应设有 30 的导向锥面，并将轴上的键槽开到导向锥面上，以便于安装时键与键槽的对中（如图所示）。第十七章 机械零部件设计综论 机械设计基础教案（机电专业 60 学时）309四、提高滚动轴承轴系刚度及精度的措施提高轴系的刚度对提高轴系的旋
47、转精度、减少振 动和噪声，减轻由于轴系的形状和位置变化而引起的轴承偏载，提高轴承寿命非常有益。1、提高轴承支承刚度和精度要提高轴系的刚度首先应提高支承轴承的轴承座（机架）的刚度，以保证轴承孔在受力时能保持正确的形状、位置和方向。如图 a 所示中轴承座力作用中心点与箱体壁中心距离较大，支承刚度差，方案 b 中轴承支撑点更靠近箱体壁中心，并在轴承座下增加肋板，使支承刚度得到提高。2、选择刚度大的轴承不同类型的滚动轴承刚度差别很大。 轴承刚度主要与滚动体形状、接触点当量曲率半径、接触线长度及同时承载的滚动体数量等因素有关。滚子轴承比球轴承的刚度高很多，多列 滚子轴承比单列滚子轴承的刚度更大，深沟球轴
48、承接触点处的当量曲率半径比调心球轴承大，因此刚度也更大，滚针轴承因其接触线较长因而具有很大的刚度，但由于对偏载过于敏感，极限转速过低而使其应用受到限制，如图所示为常用轴承类型刚度比较。3、采用多支点轴系对刚度要求较高而且跨距较大的轴系可以采用多支点轴系结构。多支点轴系结构是在双支点结构的基础上增加辅助支点构成的，辅助支点不承受轴向力。多支点轴系是静不定结构，支点受力对轴及轴承孔的同轴度 误差非常敏感，所以在采用 这种结构时应对轴和轴承孔的同轴度公差提出较高的要求。4、轴承预紧轴承预紧是指在装配过程中通过某些方法使轴承中产生并保持某种形式的预紧载荷，预紧载荷的作用是消除轴承间隙，并使 滚动体与座
49、圈的接触点处产 生 预变形。通 过预紧可以使滚动轴承在工作载荷的作用下具有较高的刚度和旋转精度。如果被 预紧 的轴承是向心推力轴承（角接触球轴承或圆锥滚子轴承），则预紧载荷通常为轴向载荷；如果被 预紧 的轴承是向心轴承（通常为圆柱滚子轴承），则预紧力为径向载荷。预紧力的作用会使滚动轴 承摩擦阻力增大，工作寿命降低，预紧结构在使用中要严格控制预紧力的大小。轴向预紧的向心推力轴承通常使成对使用，预紧通常通过在轴承内外圈之间施加预加变形实现，如图所示。 图 a 所示为预紧结构施加预紧载荷前的情况，通过将两轴承外圈内侧磨薄而使两外圈产生轴向间隙。图 b 所示为预紧 后的情况，通 过拧紧螺纹环使两外圈靠紧， 产生预紧载荷，通过控制轴承外圈的磨薄量实现对预紧载 荷的控制。向心推力轴承常用的预紧结构如图所示。图 a 为正安装的角接触球轴承的组合，通过磨薄外圈内侧控制预紧量；图 b 是反安装结构，通过磨薄内圈控制预紧量；图 c 和 d 分别在 组合轴承内圈和外圈之间加装垫片，安装时通过
