现代机械设计手册.第2卷(第二版)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：秦大同、谢里阳 主编

出版社：化学工业出版社

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现代机械设计手册.第2卷(第二版)试读：

前言

在本版手册的修订过程中，我们广泛深入机械制造企业、设计院、科研院所和高等院校进行调研，听取各方面读者的意见和建议，最终确定了《现代机械设计手册》第二版的根本宗旨：一方面，新版手册进一步加强机、电、液、控制技术的有机融合，以全面适应机器人等智能化装备系统设计开发的新要求；另一方面，随着现代机械设计方法和工程设计软件的广泛应用和普及，新版手册继续促进传动设计与现代设计的有机结合，将各种新的设计技术、计算技术、设计工具全面融入传统的机械设计实际工作中。《现代机械设计手册》第二版共6卷35篇，它是一部面向“中国制造2025” ，适应智能装备设计开发新要求、技术先进、数据可靠、符合现代机械设计潮流的现代化的机械设计大型工具书，涵盖现代机械零部件及传动设计、智能装备及控制设计、现代机械设计方法及应用三部分内容，具有以下六大特色。

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2.现代感。追求现代感，体现现代机械设计气氛，满足时代要求，是《现代机械设计手册》的基本宗旨。“现代”二字主要体现在：新标准、新技术、新材料、新结构、新工艺、新产品、智能化、现代的设计理念、现代的设计方法和现代的设计手段等几个方面。第二版重点加强机械智能化产品设计（3D打印、智能零部件、节能元器件）、智能装备（机器人及智能化装备）控制及系统设计、数字化设计等内容。（1）“零件结构设计”等篇进一步完善零部件结构设计的内容，结合目前的3D打印（增材制造）技术，增加3D打印工艺下零件结构设计的相关技术内容。“机械工程材料”篇增加3D打印材料以及新型材料的内容。（2）机械零部件及传动设计各篇增加了新型智能零部件、节能元器件及其应用技术，例如“滑动轴承”篇增加了新型的智能轴承，“润滑”篇增加了微量润滑技术等内容。（3）全面增加了工业机器人设计及应用的内容：新增了“工业机器人系统设计”篇；“智能装备系统设计”篇增加了工业机器人应用开发的内容；“机构”篇增加了自动化机构及机构创新的内容；“减速器、变速器”篇增加了工业机器人减速器选用设计的内容；“带传动、链传动”篇增加并完善了工业机器人适用的同步带传动设计的内容；“齿轮传动”篇增加了RV减速器传动设计、谐波齿轮传动设计的内容等。（4）“气压传动与控制”“液压传动与控制”篇重点加强并完善了控制技术的内容，新增了气动系统自动控制、气动人工肌肉、液压和气动新型智能元器件及新产品等内容。（5）继续加强第5卷机电控制系统设计的相关内容：除增加“工业机器人系统设计”篇外，原“机电一体化系统设计”篇充实扩充形成“智能装备系统设计”篇，增加并完善了智能装备系统设计的相关内容，增加智能装备系统开发实例等。“传感器”篇增加了机器人传感器、航空航天装备用传感器、微机械传感器、智能传感器、无线传感器的技术原理和产品，加强传感器应用和选用的内容。“控制元器件和控制单元”篇和“电动机”篇全面更新产品，重点推荐了一些新型的智能和节能产品，并加强产品选用的内容。（6）第6卷进一步加强现代机械设计方法应用的内容：在3D打印、数字化设计等智能制造理念的倡导下，“逆向设计”“数字化设计”等篇全面更新，体现了“智能工厂”的全数字化设计的时代特征，增加了相关设计应用实例。

增加“绿色设计”篇；“创新设计”篇进一步完善了机械创新设计原理，全面更新创新实例。（7）在贯彻新标准方面，收录并合理编排了目前最新颁布的国家和行业标准。

3.实用性。新版手册继续加强实用性，内容的选定、深度的把握、资料的取舍和章节的编排，都坚持从设计和生产的实际需要出发：例如机械零部件数据资料主要依据最新国家和行业标准，并给出了相应的设计实例供设计人员参考；第5卷机电控制设计部分，完全站在机械设计人员的角度来编写——注重产品如何选用，摒弃或简化了控制的基本原理，突出机电系统设计，控制元器件、传感器、电动机部分注重介绍主流产品的技术参数、性能、应用场合、选用原则，并给出了相应的设计选用实例；第6卷现代机械设计方法中简化了繁琐的数学推导，突出了最终的计算结果，结合具体的算例将设计方法通俗地呈现出来，便于读者理解和掌握。

为方便广大读者的使用，手册在具体内容的表述上，采用以图表为主的编写风格。这样既增加了手册的信息容量，更重要的是方便了读者的查阅使用，有利于提高设计人员的工作效率和设计速度。

为了进一步增加手册的承载容量和时效性，本版修订将部分篇章的内容放入二维码中，读者可以用手机扫描查看、下载打印或存储在PC端进行查看和使用。二维码内容主要涵盖以下几方面的内容：即将被废止的旧标准（新标准一旦正式颁布，会及时将二维码内容更新为新标

准的内容）；部分推荐产品及参数；其他相关内容。

4.通用性。本手册以通用的机械零部件和控制元器件设计、选用内容为主，主要包括机械设计基础资料、机械制图和几何精度设计、机械工程材料、机械通用零部件设计、机械传动系统设计、液压和气压传动系统设计、机构设计、机架设计、机械振动设计、智能装备系统设计、控制元器件和控制单元等，既适用于传统的通用机械零部件设计选用，又适用于智能化装备的整机系统设计开发，能够满足各类机械设计人员的工作需求。

5.准确性。本手册尽量采用原始资料，公式、图表、数据力求准确可靠，方法、工艺、技术力求成熟。所有材料、零部件和元器件、产品和工艺方面的标准均采用最新公布的标准资料，对于标准规范的编写，手册没有简单地照抄照搬，而是采取选用、摘录、合理编排的方式，强调其科学性和准确性，尽量避免差错和谬误。所有设计方法、计算公式、参数选用均经过长期检验，设计实例、各种算例均来自工程实际。手册中收录通用性强、标准化程度高的产品，供设计人员在了解企业实际生产品种、规格尺寸、技术参数，以及产品质量和用户的实际反映后选用。

6.全面性。本手册一方面根据机械设计人员的需要，按照“基本、常用、重要、发展”的原则选取内容，另一方面兼顾了制造企业和大型设计院两大群体的设计特点，即制造企业侧重基础性的设计内容，而大型的设计院、工程公司侧重于产品的选用。因此，本手册力求实现零部件设计与整机系统开发的和谐统一，促进机械设计与控制设计的有机融合，强调产品设计与工艺技术的紧密结合，重视工艺技术与选用材料的合理搭配，倡导结构设计与造型设计的完美统一，以全面适应新时代机械新产品设计开发的需要。

经过广大编审人员和出版社的不懈努力，新版《现代机械设计手册》将以崭新的风貌和鲜明的时代气息展现在广大机械设计工作者面前。值此出版之际，谨向所有给过我们大力支持的单位和各界朋友表示衷心的感谢！主　编第6篇 轴和联轴器第1章　轴1.1　轴的分类、材料和设计方法

轴是组成机械的重要零件之一，各类做回转运动的传动零件都是通过轴来传递运动和动力。通常轴与轴承和机架一同支承着回转零件，再通过联轴器或离合器实现运动和动力的传递。在轴的设计中，必须将轴与构成轴系部件的轴承、联轴器、机架以及传动零件等的设计要求一并考虑。1.1.1　轴的分类

可以从轴所受载荷的不同、轴的形状以及轴的应用场合等方面对轴进行分类。

1）按轴所受载荷的不同，可将轴分为心轴、传动轴和转轴。

只承受弯矩不传递转矩的轴称为心轴。心轴又可分为工作时轴不转动的固定心轴和工作时轴转动的转动心轴两种。心轴主要用于支承各类机械零件。

只传递转矩不承受弯矩的轴称为传动轴。传动轴主要通过承受转矩作用来传递动力。

既传递转矩又承受弯矩的轴称为转轴。各类传动零件主要是通过转轴进行动力传递。

2）按结构形状的不同，可将轴分为光轴、阶梯轴、实心轴、空心轴等。由于空心轴的制造工艺较复杂，所以通常用于轴的直径较大并有减重要求的场合。

3）按几何轴线形状的不同，可将轴分为直轴和曲轴等。

此外，还有一类结构刚度较低的轴——软轴。软轴主要用于两个传动机件的轴线不在同一直线上时的传动。关于软轴的设计与使用，详见本篇第2章。1.1.2　轴的常用材料

轴的材料种类很多，设计时主要根据对轴的强度、刚度、耐磨性等要求，以及为实现这些要求而采用的热处理方式，同时考虑制造工艺问题加以选用。由于轴在工作时通常受到交变应力的作用，轴最常见的失效形式是因交变应力的作用而产生断裂，因此轴的材料应具有一定的韧性和较好的抗疲劳性能，这是对轴的材料的基本要求。

轴的常用材料是含碳量适中的优质碳素结构钢。对于受载较小或不太重要的轴，也可用普通碳素结构钢。对于受力较大，轴的尺寸和重量受到限制，以及有某些特殊要求的轴，可采用中碳合金钢。合金钢对应力集中的敏感性高，所以采用合金钢的轴的结构形状应尽量减少应力集中源，并要求表面粗糙度值低。

由于铸铁的韧性较差，所以应尽量少用铸铁作为轴的材料。但对于结构复杂且不太重要的轴，也可选用球墨铸铁或高强度铸铁作为轴的材料。

虽然强度极限高的材料，其弹性模量也稍大，但由于各类钢材弹性模量的差异不大，所以只为了提高轴的刚度而选用强度极限高的材料是不合适的。

轴一般由轧制圆钢或锻件经切削加工制造。直径较小的轴，可用轧制圆钢制造。对于直径大或重要的轴，常采用锻件制造。

轴的常用材料及力学性能见表6-1-1。表6-1-1　轴的常用材料及力学性能1.1.3　轴的设计方法概述

轴的设计必须考虑多方面因素和要求，主要包括材料选择、结构设计、强度和刚度分析。对于高速轴还应考虑振动稳定性问题。

轴的设计是以满足结构功能要求为出发点的，首先根据轴在具体系统中的作用，设计出满足功能要求的结构，然后再根据载荷与工作要求进行相应的承载能力验算。

事实上，在轴的具体结构未确定之前，轴上力的作用点是难以精确确定的，弯矩的大小和分布情况不能求出。所以，轴的计算通常都是在初步完成结构设计后进行校核计算，计算准则主要包括轴的强度准则、刚度准则以及轴的振动稳定性准则等。轴的设计通常是按照 “结构设计—承载能力验算—结构改进设计—承载能力再验算—…”的顺序进行的。

通常轴设计的具体程序是：a.根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布置和装配方案；b.选择轴的材料；c.估算轴的最小直径；d.进行轴的结构设计；e.进行承载能力验算，通常包括强度验算、刚度验算和振动稳定性验算等；f.根据承载能力验算结果，或者确定设计，或者改进设计；g.绘制轴的零件工作图。

除了上述设计内容以外，还有键或花键的连接强度校核、滚动轴承的寿命验算、滑动轴承的承载能力验算等项工作，与轴的设计有一定的关系，需在轴的设计过程中一并考虑。

就设计方法而论，轴的设计可分为常规设计与计算机辅助设计。这两类设计方法的主要差异在于，常规设计中针对轴的承载能力的计算方法主要采用了较为简化的力学模型，计算结果通常欠准确，通常需要用经验数据对计算结果进行一定的校正。但常规设计方法已为广大工程设计人员熟悉，并为此积累了大量有价值的经验数据，在目前的工程设计中仍占主导地位。因此，本章仍以介绍轴的常规设计方法为主。

在采用计算机辅助设计轴时，其承载能力计算主要采用有限元法，可以获得较为准确的计算结果。对结构复杂的轴运用计算机辅助分析的手段具有明显的优势。关于轴的计算机辅助设计与辅助分析方法，详见本章1.8节的叙述。

通常，轴所传递的载荷、轴的极限应力等因素具有一定的随机性。在常规设计中，视这些因素为确定性变量，在判定轴的承载能力时，通过计入一定的安全系数来确保结构的安全裕度。若在设计中考虑载荷与极限应力的随机性，就可确定轴安全工作的概率——可靠度，这就有了轴的可靠性设计。可靠性设计方法是现代设计方法的重要内容，关于轴的可靠性设计方法的基本概念，详见本章1.7节的叙述。1.2　轴的结构设计

轴的结构取决于轴的工作要求，包括轴上零件的类型、尺寸、布置和固定方式等。同时，轴的毛坯、制造和装配工艺、安装和运输等因素也会影响到轴的结构设计。

轴的结构设计首先应尽量使轴上零件定位准确、固定可靠、装拆方便，以及有良好的工艺性。为了提高轴的强度，应考虑受力合理和减小应力集中。为了保证轴的刚度，应着重从轴的结构和支承点位置着手，达到减小轴的变形的目的。

由于轴的应用场合极为广泛，影响轴结构的因素较多，因此轴不可能有标准的结构型式。轴的结构应根据具体情况进行分析，确定合理的结构方案。1.2.1　零件在轴上的定位与固定

安装在轴上的零件的位置通常是通过轴上的定位结构来保证的，定位准确是定位结构设计的基本要求。零件装到确定的位置后，应保证其受到工作载荷后不会改变原定的位置，这就需要设计轴上零件的固定措施。零件在轴上通常需从轴向和周向加以固定。（1）轴上零件的轴向定位与固定表6-1-2　轴上零件轴向定位与固定方法及特点表6-1-3　轴肩配合处倒圆半径与倒角尺寸推荐值（GB/T 6403.4—2008）　　mm注：1.为确保零件可靠定位，应使r

结构的工艺性是指设计的结构应该便于加工、测量、装配和维修。为了达到良好的工艺性，在轴的结构设计时，应考虑以下几个主要问题。

1） 考虑加工工艺所必需的结构要素，如中心孔、螺尾退刀槽和砂轮越程槽等。

2） 合理确定轴与零件的配合性质、加工精度和表面粗糙度。

3） 在轴上要求安装标准件（如滚动轴承、联轴器等）时，相应轴段的直径应按标准件的直径要求设计。其他有配合要求轴段的直径，应尽量按GB/T 2822—2005规定的标准尺寸系列设计。

4） 确定各轴段长度时，既要保证必要的工作空间，又应尽可能使结构紧凑。例如，要保证零件所需的滑动距离、装配或调整所需空间、转动件不得与其他零件相碰撞、与轮毂配装的轴段长度应略小于轮毂2～3mm，以保证轴向定位可靠等。

5） 为了保证轴上零件安装方便，在到达配合轴段前，零件的孔与轴不应有过盈；轴的端部及有过盈配合的轴肩处都应制成倒角。

6） 为了便于轴上零件的拆卸，定位轴肩直径的设计既要考虑定位的可靠，又要确保留出拆卸零件所需的施力空间。

7） 为减少加工刀具种类和提高劳动生产率，轴上的倒角、圆角、键槽等应尽可能取相同尺寸。1.2.3　轴伸的结构尺寸（1）圆柱形轴伸的结构尺寸

圆柱形轴伸直径的基本尺寸、极限偏差及长度系列应符合表6-1-5的规定。表6-1-5　 圆柱形轴伸结构尺寸（GB/T 1569—2005）　　mm注：1.直径大于630～1250mm的轴伸直径和长度系列可参见标准GB/T 1569—2005的附录A。2.本表适用于一般机器之间的连接并传递运动和转矩的场合。（2）圆锥形轴伸的结构尺寸

圆锥形轴伸分为长系列和短系列两种，可制成带键槽和不带键槽的。直径不大于220mm的圆锥形轴伸的结构型式和尺寸见表6-1-6。直径大于220mm的圆锥形轴伸的结构型式和尺寸见表6-1-7。

对于键槽底面平行于轴线的键槽，当按大端直径检验键槽深度时，应按表6-1-8对t的规定。此时，表6-1-6中的t作为参考尺寸。21

圆锥形轴伸长度L的极限偏差见表6-1-9；基本直径d的公差选用1GB/T 1800.2中的IT8；1∶10圆锥角公差选用GB/T 11334中的AT6。表6-1-6　直径≤220mm圆锥形轴伸的结构型式和尺寸（GB/T 1570—2005）　　mm注：1.键槽深度t可用测量G来代替，或按表6-1-7的规定。12.L可根据需要选取表中的数值。2表6-1-7　直径>220mm的圆锥形轴伸的结构型式和尺寸（GB/T 1570—2005）　　mm注：L可根据需要选取表中的数值。2表6-1-8　圆锥形轴伸大端处键槽深度尺寸　　mm表6-1-9　圆锥形轴伸长度L的极限偏差　　mm11.2.4　提高轴疲劳强度的结构措施

在轴的设计阶段，除了采取提高轴强度的一般措施（如选用更好的材料、适当增大结构的尺寸等）外，还应重视通过以下一些设计措施来提高轴的疲劳强度。

1）尽可能降低轴上的应力集中的影响，是提高轴疲劳强度的首要措施。轴结构形状和尺寸的突变是应力集中的结构根源。为了降低应力集中，应尽量减少轴结构形状和尺寸的突变或使其变化尽可能地平滑和均匀。为此，要尽可能地增大过渡处的圆角半径；轴上相邻截面处的刚性变化应尽可能地小等。

2）选用疲劳强度高的材料和采用能够提高材料疲劳强度的热处理方法及强化工艺。表面强化处理的方法有：表面高频淬火等热处理；表面渗碳、氰化、氮化等化学热处理；碾压、喷丸等强化处理。通过碾压、喷丸进行表面强化处理时，可使轴的表层产生预压应力，从而提高轴的抗疲劳能力。

3）提高轴的表面质量。如将处在应力较高区域的轴表面加工得较为光洁；对于工作在腐蚀性介质中的轴，规定适当的表面保护等。

4）尽可能地减小或消除轴表面可能发生的初始裂纹的尺寸，对于延长轴的疲劳寿命有着比提高材料性能更为显著的作用。因此，对于重要的轴，在设计图纸上应规定出严格的检验方法及要求。

表6-1-10列出了降低轴上应力集中的主要措施。表6-1-10　降低轴上应力集中的主要措施举例图6-1-1　滚动轴承支承的轴的典型结构1.2.5　轴的结构示例

滚动轴承支承的轴的典型结构如图6-1-1所示。

滑动轴承支承的轴结构与滚动轴承的轴结构相仿，只是轴颈结构不同。滑动轴承支承的轴颈结构尺寸见表6-1-11。表6-1-11　滑动轴承支承的轴颈结构尺寸1.3　轴的强度校核计算

轴的强度计算主要是在初步完成轴的结构设计后进行的，因此称为强度校核计算。但也有一些强度计算是在轴结构的初步设计时进行的。

进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。对于仅仅（或主要）承受转矩的传动轴，应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的心轴，应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受转矩的转轴，应按弯扭合成强度条件进行计算，必要时还应按疲劳强度条件进行校核。1.3.1　仅受扭转的强度校核计算

这种方法用于主要承受转矩轴的强度计算，或在初步设计轴的结构时，估算最小轴径。若主要承受转矩的轴还受有不大的弯矩，则可用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。轴的扭转强度条件为　　（6-1-1）式中　τ——扭转切应力，MPa；T

T——轴所受的转矩，N·mm；3

W——轴的抗扭截面系数，mm；T

n——轴的转速，r/min；

P——轴传递的功率，kW；

d——计算截面处轴的直径，mm；

［τ］——许用扭转切应力，MPa，见表6-1-12。T

式（6-1-1）是轴的扭转强度验算公式。在初步设计轴的结构时，可由式（6-1-1）得到轴径的估算公式　　（6-1-2）

式中，，是与许用扭转切应力［τ］相关T的系数，可查表6-1-12。对于空心轴，则有　　（6-1-3）

式中，，是空心轴的内径d与外径d之比，通常取β=0.51～0.6。

当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴强度的削弱。对于直径d>100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大3%；有两个键槽时，应增大7%。对于直径d≤100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大5%～7%；有两个键槽时，应增大10%～15%。这样求出的直径，只能作为承受转矩作用轴段的最小直径d。min1.3.2　受弯扭联合作用的强度校核计算

只有通过轴的结构设计，确定了轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置等后，轴上的弯矩和转矩才可确定。这时，才能按弯扭合成强度条件对轴进行强度校核计算。

轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的转矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图6-1-2来确定。图6-1-2（b）中的a值可查滚动轴承样本或手册，图6-1-2（d）中的e值与滑动轴承的宽径比B/d有关。当B/d≤1时，取e=0.5B；

当B/d>1时，取e=0.5d，但不小于（0.25～0.35）B；对于调心轴承，e=0.5B。

轴上零件所受的载荷通常为空间力系，计算时应把零件所受的空间力分解为圆周力、径向力和轴向力，然后把它们全部转化到轴线上，并将其分解为水平分力和垂直分力。在力的转化过程中，将圆周力平移到轴线上的同时，分解出轴所受到的转矩T。

根据轴所受的水平分力和垂直分力，可分别按水平面和垂直面计算各力产生的弯矩，并按式（6-1-4）计算总弯矩。　　（6-1-4）式中　M——轴在水平面所受到的弯矩；H

M——轴在垂直面所受到的弯矩。V

求得轴的弯矩和转矩后，可针对某些危险截面（即弯矩和转矩大而轴径可能不足的截面）作弯扭合成强度校核计算。若按第三强度理论确定计算应力σ：ca

对于转轴，同时承受弯矩和转矩，应满足　　（6-1-5）

对于心轴，仅承受弯矩，应满足　　（6-1-6）

对于传动轴，仅承受转矩，应满足　　（6-1-7）式中　σ——轴的计算应力，MPa；ca

M，T——轴所受的弯矩和转矩，N·mm；3

W，W——轴的抗弯和抗扭截面系数，mm，计算公式见表T6-1-13；

［σ］——对称循环变应力时轴的许用弯曲应力，其值按表-16-1-1选用；

α——扭转切应力特性当量系数，当扭转切应力为静应力时，取α≈0.3，当扭转切应力为脉动循环变应力时，取α≈0.6，若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取α=1。表6-1-12　轴常用几种材料的［τ］及A值T注：1.表中［τ］值是考虑了弯矩影响而降低了的许用扭转切应力。T2.在下述情况时，［τ］取较大值，A取较小值：弯矩较小或只受转矩作用、载荷较平稳、无轴T向载荷或只有较小的轴向载荷、减速器的低速轴、轴只作单向旋转；反之，［τ］取较小值，A取较T大值。

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