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單軌吊
單軌吊是一種礦山井下的運輸機械，沿空中懸掛式單軌運行，用雙向絞接連接軸將司機車、驅(qū)動車、緊急制動車、電源車、承載車連成運行整體，穿掛在“工”字形單軌軌道上，其特征是：由電源車4個減震裝置下方用4個圓銷吊掛著的可更換的防爆特殊型蓄電池電源裝置提供動力（直流電流），通過可分體隔爆插銷、電纜和公知的直流電機調(diào)速換向控制器輸入驅(qū)動車上安裝的直流電機，帶動單軌吊整體運行。主要用于井下輔助運輸人員、長大或松散物料。特別適用于通風不良、有易燃爆氣體、粉塵，運距變化，多彎道巷道內(nèi)完成各種運輸工作。
單軌小車分手推單軌小車和手拉單軌小車兩種，手拉單軌小車以手鏈驅(qū)動，手推單軌小車以手推吊重物驅(qū)動能自如地行走于工字鋼軌的下翼緣上，而且車輪輪緣間距可以按工字鋼軌道寬度要求調(diào)整，將手動葫蘆懸掛在行車下方，可組成手動起重運輸小車應(yīng)用于各種起重機械設(shè)備行業(yè)。
山東立業(yè)機械裝備有限公司是新礦集團下屬民營企業(yè)，主要經(jīng)營液壓支架制造、維修、租賃、綜采工作面安裝撤除工程、工作面生產(chǎn)及采礦研究；單軌運輸機車（簡稱單軌吊）、礦山機械設(shè)備、礦山通訊設(shè)備、電子設(shè)備、支護用品、礦燈、通用零部件的制造銷售；液壓支架銷售、工礦工程、機電維修.
KXP-A型單軌牽引機車，是山東立業(yè)機械裝備有限公司自主研發(fā)、設(shè)計制造的一種行駛于懸掛單軌系統(tǒng)的電牽引機車，主要為煤礦井下輔助運輸服務(wù)。它不僅可進行材料、人員和設(shè)備的運送，還可以完成井下設(shè)備的簡單提升、吊裝等任務(wù)。是一種多功能、高效率、多用途的井下輔助運輸設(shè)備。該牽引機車在平路或上坡時，靠蓄電池供給能量來完成牽引工作；機車在下坡時，重力勢能轉(zhuǎn)變成電能，向蓄電池充電，實現(xiàn)能量回饋制動。當單軌吊車處于緊急停車、禁止牽引或超速保護時，制動夾緊缸失壓，制動器靠機構(gòu)彈簧的作用夾緊導(dǎo)軌，靠導(dǎo)軌與制動器產(chǎn)生摩擦，實現(xiàn)制動。機車主要分前、后司機室、控制梁架、蓄電池組裝置、起吊梁、驅(qū)動部電控，液壓系統(tǒng)等組成。
Ferrit有限公司1993年注冊為專業(yè)銷售公司，營銷與捷克傳統(tǒng)礦業(yè)相關(guān)的機械，業(yè)務(wù)廣泛，員工經(jīng)驗豐富。1996年Ferrit有限公司對俄羅斯銷售了第一部機車，1997年公司承擔了捷克礦井機車的檢修。1998年所建立的機車原型為自主設(shè)計，隨后擴大了礦山機械的制造范圍，同時開始向波蘭銷售機車。隨著需求增大，公司擴大了生產(chǎn)。與此同時，公司采用現(xiàn)代處理技術(shù)和焊接技術(shù)完成了制造過程。現(xiàn)在公司經(jīng)營活動轉(zhuǎn)向新型、現(xiàn)代化制造和儲存車廂的設(shè)計。公司主要從事礦用機械設(shè)備和儀器的設(shè)計和生產(chǎn)，這些設(shè)備尤其適用于具有瓦斯和煤塵爆炸危險的礦井。公司的產(chǎn)品、零部件和整套運輸設(shè)備皆由高質(zhì)原材料制造而成，生產(chǎn)經(jīng)驗豐富，技術(shù)先進。公司的銷售計劃充分滿足了礦山企業(yè)用戶的需要。公司產(chǎn)品符合標準和規(guī)程，各種產(chǎn)品已通過相關(guān)認證。2005年初，公司通過了ISO9001質(zhì)量管理體系認證。2005年底，公司又通過了ISO14001環(huán)境管理體系認證。
作為運行在I115懸吊式斷面單軌道上的運輸動牽引設(shè)備，ferrit公司的DLZ110F型礦用柴油動力單軌吊機車可穩(wěn)定運行于水平或不大于25°傾斜角的軌道上。其最大載荷為25噸。機車主體由兩個駕駛室和發(fā)動機零件部分組成，其中后者包括雙驅(qū)動單元和至多三個附屬驅(qū)動單元。發(fā)動機為四沖程渦輪增壓型。該機車依據(jù)礦井條件設(shè)計，裝有抽氣管和排氣管，能夠有效防止瓦斯爆炸的發(fā)生。廢氣經(jīng)專門的排氣箱冷卻直到外部環(huán)境的溫度低于70℃。液壓啟動裝置啟動發(fā)動機。機車的工作狀態(tài)、速度、運行時間、柴油機液壓和濕度值全部由電子調(diào)節(jié)和安全系統(tǒng)控制。如果超過額定值，發(fā)動機就會停止運轉(zhuǎn)，機車即會制動停止。驅(qū)動單元構(gòu)成了最終牽引元件，它把瞬時扭矩傳送到具有聚亞安酯摩擦層的驅(qū)動輪上以驅(qū)動機車。驅(qū)動單元由兩個低速液壓發(fā)動機和一個帶有緊急制動功能的延遲固定剎車系統(tǒng)組成。如果超過了額定速度，這套剎車系統(tǒng)將自動運行導(dǎo)致機車制動停止。
Ferrit公司的SK人員運輸車廂組設(shè)計用來沿I155支撐斷面的吊軌或其他合適類型的軌道線（最小斷面為8㎡和最大傾角為±30°）上運送人員。車廂組連同其阻力礦車和牽引設(shè)備只能在最大許可傾角內(nèi)使用。
該車廂組可在具有瓦斯和煤塵爆炸危險的環(huán)境中使用。該車廂組由適當類型的柴油動力單軌機車牽引，由下列部分組成：運送礦車、車廂、運送平盤、連接桿（ST0.3，ST1.25，ST1.74）、信號系統(tǒng)。
?運送礦車沿吊軌支撐斷面輪緣底部運行。運送礦車與連接桿通過套管和加保護鎖的螺母相互連接在一起。車廂是一組全焊接的結(jié)構(gòu)，它由上下兩部分結(jié)構(gòu)（之間由套管相互連接）組成。車廂前端是可移動的，這樣當車廂中的亞麻座位被移除時可以放置擔架。防護鏈可放置所運送的人員從車廂中跌出。運送平盤是一全焊接結(jié)構(gòu)，它吊掛再兩運送礦車之間，由ST 0.3型連接桿連接。它設(shè)計用來運送精密原材料。連接桿用來連接運送礦車。僅連接車廂組時選用ST 1.74 (1.74 m)。連接一車廂和一阻力礦車時選用ST 1.25 (1.25 m)。連接一運送平盤時選用ST 0.3 (0.3 m)。信號系統(tǒng)——可考慮在車廂組所有座位上和最后一節(jié)車廂位置安裝信號指示。信號系統(tǒng)常為五車廂組提供，如果客戶需要也可提供。
BTs載重吊軌制動礦車是ferrit公司生產(chǎn)的制動設(shè)備，用來限制位于I155支撐斷面吊軌上傾斜部分的運送設(shè)備的自然運行。這里所指的運送設(shè)備可由柴油動力或電動機車牽引或由單繩或環(huán)繩絞盤牽引。?該制動礦車可在具有瓦斯和煤塵爆炸危險的環(huán)境中使用。該制動礦車可自動運行或由人員獨立操作。它配有速度限制校準器，當運行速度超過最大容許速度時，礦車上的離心機械裝置就會發(fā)出制動命令。
制動礦車必須與每個獨立運送工具或設(shè)備連接，它通常位于吊軌向下傾斜的方向。油動力單軌機車牽引運送時，礦車務(wù)必安裝在設(shè)備末端。??制動礦車可與兩到三部獨立礦車組成成套設(shè)備。異常情況下的運送可以把三部制動礦車組合在一起，此時嚴禁運人。
Ferrit公司生產(chǎn)的MPD24F型吊軌，設(shè)計用來在最小斷面為8㎡和最大傾角為±30°的礦用桿狀物上運送材料和人員。該吊軌可安置在自重原巖上或者采用混凝土支柱上、成形的磚上、托盤或錨桿上，但通常它被安裝在人造鋼筋支架上。
MPD24型吊軌可用來通過自驅(qū)動牽引設(shè)備或采用紋盤上的單繩或環(huán)形繩牽引運輸成套設(shè)備。驅(qū)動機械務(wù)必為許可型號。手動運輸其傾角最大可達35mm/m。所有運行在MPD24F吊軌上的設(shè)備參數(shù)必須滿足吊軌許可要求。吊軌可在具有瓦斯和煤塵爆炸危險的環(huán)境中使用。
與獨立結(jié)構(gòu)單元不同，吊軌以標準組件的形式裝配在一起：
a) 軌道——筆直部分、可變可增加部分、上升部分、下降部分和水平部分；
b) 制動閘——手動型、風動型、緊急制動型、電動型、末端手柄制動閘；
c) 開關(guān)——手動型、緊急制動型、電動型開關(guān)；
d) 吊掛或支撐形式——錨桿吊、吊軌、棒式支撐、鏈式吊掛
e) 連接桿
f) 承載支架
g) 鏈鎖載體——卸貨
h) 負荷運輸裝置
中期進展情況檢查表
學生姓名
班級
指導(dǎo)教師
設(shè)計（論文）題目
單軌吊中承載小車的設(shè)計
目前已完成
的任務(wù)
實習報告；
單軌吊承載小車的開題報告；
單軌吊承載小車的中英文材料；
單軌吊承載小車的功能及整體結(jié)構(gòu)的分析；
單軌吊承載小車各結(jié)構(gòu)方案的設(shè)定、比較與選擇；
根據(jù)單軌吊承載小車各部件的功用及內(nèi)在聯(lián)系進行估算分析；
單軌吊承載小車中吊具的選材、形狀設(shè)計及強度校核；
單軌吊承載小車軸的選材、受力分析及強度校核；
單軌吊承載小車的軸承的分析與選擇。
是否符合任務(wù)書要求進度
符合
尚須完成的任務(wù)
單軌吊承載小車輪的材料選擇、形狀設(shè)計等；
單軌吊承載小車前后連接螺栓的選材、強度計算與校核；
單軌吊承載小車止動卡的選材及形狀設(shè)計等；
單軌吊承載小車殼體的材料選擇、形狀設(shè)計、加工方式的選擇；
單軌吊承載小車螺母等各標準件的選擇；
整體設(shè)計滿足單軌吊整車安裝及運行要求；
經(jīng)濟技術(shù)性及可行性分析；
裝配圖及各零件圖的繪制；
設(shè)計說明書的撰寫。
能否按期完成設(shè)計（論文）
能
存在的問題和解決辦法
存在的問題
由于單軌吊承載小車所受載荷力及額定推力較大，在進行吊具、軸、軸承、輪子、螺栓、車殼等各部件的材料選擇時不同于一般部件的材料選擇，故在使各部件即達到設(shè)計所要求的強度等條件的同時滿足選材的經(jīng)濟性、可靠性、加工方式等方面的要求有所困難。
擬采取的辦法
通過對多冊參考資料的查閱，進行多種材料的選擇，再經(jīng)各部件及整體的分析計算從而確定最優(yōu)方案。同時，爭取指導(dǎo)老師及其他同學的建議。
指導(dǎo)教師意見
檢查日期：20 年 月 日
摘 要
本設(shè)計的課題來源于生產(chǎn)實踐，主要任務(wù)是設(shè)計可以在礦山井下、露天、粉塵、潮濕、空氣質(zhì)量不好的比較惡劣的環(huán)境中工作的，并要求具有安全的可操作空間的單軌吊承載小車。
本文在概述單軌吊的基本結(jié)構(gòu)、功能的基礎(chǔ)上，對單軌吊的承載小車的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，并對各個結(jié)構(gòu)部分進行了設(shè)計計算。重點是單軌吊承載小車的正常行駛機構(gòu)、以及剎車系統(tǒng)的設(shè)計及校核。
在設(shè)計過程中，我們分析了承載小車的安裝結(jié)構(gòu)，主要對承載小車的輪軸、承載輪、殼體、肋板等進行了設(shè)計，實現(xiàn)承載小車的安裝使用；在承載小車上安裝了導(dǎo)向輪，可以實現(xiàn)承載小車的安全轉(zhuǎn)彎；在承載小車上安裝的剎車系統(tǒng)，實現(xiàn)了小車的安全剎車。
在設(shè)計中，我們完成了對承載輪及其輪軸、導(dǎo)向輪及其輪軸等部分的設(shè)計計算以及校核并繪制了裝配圖、零件圖，完成了對于單軌吊承載小車的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：單軌吊承載小車；輪軸；滾動軸承；剎車系統(tǒng)
Abstract
The task of the graduation design comes from practice. The main task is to design the carrying vehicles of the suspended locomotive that can be used in the bad circumstances like under the mine, in the open, dusty, humid, poor air quality and etc, and also with the operational safety of space.
In the base of summarizing the basis structure and function of the suspended locomotive, the main structure of the carrying vehicles of the suspended locomotive is designed, and the designing calculations of every segment are carried on. Especially, the designing and proofreading of moving mechanical and breaking system of the carrying vehicles of the suspended locomotive are carried on.
In the course of designing, we analyze the installation structure of the carrying vehicles, and mainly design the axle, carrying wheel, hull and ribbing to implement the installation and employ of the carrying vehicles; we build in guide pulley on the carrying vehicles to implement the safe swerve; we build in breaking system on the carrying vehicles to implement the safe breaking.
In the course of designing, carrying wheels and axle, guide pulley and axle and etc, are designed and calculated. After calculation and checking, we draw assembly drawing and part drawing. In the end, we complete the design of the carrying vehicles of the suspended locomotive.
Keywords: carrying vehicles of the suspended locomotive；wheels and axles; rolling bearing; the breaking system
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒 論 1
2 軸的概述 2
2.1軸的用途及分類 2
2.2軸設(shè)計的主要內(nèi)容 3
2.3選用軸材料應(yīng)考慮的因素 4
2.4軸的毛坯 5
2.5軸的處理 5
2.6軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5
3 承載輪輪軸的設(shè)計 9
3.1軸的尺寸、強度計算 9
3.2按安全系數(shù)校核計算 18
3.3軸的剛度計算 21
3.4驗算軸承壽命 24
3.5根據(jù)計算結(jié)果修改設(shè)計 25
4 滾動軸承 25
4.1滾動軸承的類型和代號 26
4.2滾動軸承的選擇 30
4.3滾動軸承的尺寸選擇和性能計算 36
4.4滾動軸承裝置的設(shè)計 42
5 對承載小車各主要部件的設(shè)計、計算及校核 51
5.1承載輪的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 53
5.2吊銷的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 55
5.3襯套的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 57
5.4托板的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 58
5.5承載小車板筋和肋板的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 60
5.6隔套的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 61
5.7殼體和定位板的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 62
5.8導(dǎo)向輪輪軸、導(dǎo)向輪的結(jié)構(gòu)、尺寸設(shè)計 63
6 彈簧的計算 66
6.1彈簧的分類 66
6.2彈簧的材料 67
6.3圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計計算 67
6.4圓柱螺旋壓縮彈簧的校核計算 70
7 液壓缸的設(shè)計 70
7.1液壓缸概述 70
7.2液壓缸的設(shè)計計算 71
8 制動桿的設(shè)計 74
8.1制動桿的強度校核 74
8.2制動桿的尺寸計算 75
9 技術(shù)經(jīng)濟分析 78
參考文獻 80
致 謝 81
附 錄 83
93
1 緒 論
防爆蓄電池牽引單軌吊車，是一種多功能、高效率、多用途的煤礦運輸設(shè)備，它不僅可運送設(shè)備、人員、材料還能完成井下提升、吊裝等任務(wù)。
該機車行駛于懸吊單軌系統(tǒng)中，不受底板條件限制。機車具有良好的通過能力。通過調(diào)節(jié)軌道懸吊鏈可調(diào)整導(dǎo)軌高度，因此軌道維護非常方便。
機車由承載小車；1#、2#司機室；控制梁架；驅(qū)動部；蓄電池組裝置；懸掛裝置等組成。控制梁架是電牽引單軌吊機車的主要核心組件，它的構(gòu)成主要由兩大部分組成（1）防爆電控箱（2）液壓站系統(tǒng)。它不僅為機車提供電源動力和液壓動力，而且是整個機車的檢測、控制執(zhí)行的核心部分。防爆電控箱由：兩臺專用逆變器；一套控制中心；直流接觸器；本安電源；開頭電源、數(shù)字狀態(tài)顯示盤和控制按鈕等組成，用來完成牽引驅(qū)動電機、液壓站油泵電機的驅(qū)動、整機信號的連鎖、檢測、控制以及輸出執(zhí)行等工作任務(wù)。液壓站系統(tǒng)的任務(wù)實為起梁架提供液壓動力、完成驅(qū)動輪與導(dǎo)軌夾緊等任務(wù)。
單軌吊特別適用于通風不良、有易燃易爆氣體、粉塵，運距變化，多彎道巷道內(nèi)完成各種運輸工作。與常見的井下運輸機械相比，具有安全系數(shù)高、適應(yīng)范圍廣等特點，是當前亟待開發(fā)的大型井下運輸設(shè)備。在礦山運輸機械的研究開發(fā)方面，早在50、60年代，世界一些主要采煤國家就開始著手解決本國煤礦井下輔助運輸機械化問題。至70、80年代已相繼建立了具有自已特色的煤礦輔助運輸系統(tǒng)及裝備，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。
我國煤礦輔助運輸機械化起步較晚，直至70年代后期才開始這方面的研制工作。到目前已研制并定型生產(chǎn)的產(chǎn)品有柴油機單軌吊、繩牽引卡軌車、柴油機膠套輪齒軌卡軌車和無軌膠輪車等。這些產(chǎn)品的研制成功并定型生產(chǎn)，改變了我國煤礦無國產(chǎn)輔助運輸設(shè)備可選的狀況。有些設(shè)備如CK-66和JCP-8/600(900)柴油機膠套輪齒軌卡軌車，在我國許多煤礦生產(chǎn)實踐中已經(jīng)達到了推廣應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益。與小絞車等傳統(tǒng)的輔助運輸設(shè)備相比，能大量減少人員、節(jié)約時間，而且事故大大減少，工人勞動強度大大降低。我國一些煤礦如神華公司大柳塔煤礦引進的無軌膠輪車運輸系統(tǒng)，也在生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的作用，取得了可喜的成績。
目前國內(nèi)還沒有自主產(chǎn)權(quán)的單軌吊設(shè)備，絕大部分均依賴進口，價格比較高，維護保養(yǎng)費用昂貴；國產(chǎn)單軌吊如果能在設(shè)計上再完善一點，選材上再可靠一點，制造上再精細一點，并注意維護和保養(yǎng)，在工程施工中同樣也會發(fā)揮很好的作用，以高性價比的優(yōu)勢與進口設(shè)備抗衡，并完全有可能取代進口設(shè)備。
該說明書簡要地介紹了單軌吊承載小車的設(shè)計的全過程，如有介紹不夠完善或表達尚不夠完善的地方，望讀者批評指正，我一定竭盡全力使該設(shè)計做到最好。望各位讀者不吝賜教。
2 軸的概述
2.1軸的用途及分類
軸是組成機器的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件（例如齒輪、蝸輪等），都必須安裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞。因此軸的主要功用是支承回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。
根據(jù)軸和軸線的形狀和功用的不同，軸可以分為直軸、曲軸和軟軸三種類型。
直軸按受載情況不同又分為：
（1）轉(zhuǎn)軸 同時受彎矩及轉(zhuǎn)矩；有時還受較大的軸向力的作用，如蝸桿軸等。在機械中最為常用。
（2）心軸 只受彎矩、不受轉(zhuǎn)矩或轉(zhuǎn)矩很?。恍妮S又分為固定心軸（軸不轉(zhuǎn)動）和轉(zhuǎn)動心軸（軸轉(zhuǎn)動）兩種。如支承滑輪的軸。
（3）傳動軸 主要受轉(zhuǎn)矩，不受彎矩或彎矩很小，如汽車中的傳動軸等。
直軸根據(jù)外形的不同還可以分為光軸和階梯軸兩種。光軸形狀簡單，加工容易，應(yīng)力集中源少，但軸上的零件不易裝配、定位和固定；階梯軸則正好相反。因此光軸主要用于心軸和傳動軸，階梯軸則常用于轉(zhuǎn)軸。
經(jīng)分析，承載小車的輪軸為一固定心軸。
直軸一般都制成實心的，在那些由于機器的要求需要在軸中裝設(shè)其他零件或者減小軸的質(zhì)量具有特別重大作用的場合，則將軸制成空心的?？招妮S內(nèi)徑與外徑的比值通常為，以保證軸的剛度及扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。
曲軸用以作直線運動與轉(zhuǎn)動的相互轉(zhuǎn)換，軸上受彎矩及轉(zhuǎn)矩，其剖面上應(yīng)力較為復(fù)雜。常用于活塞式內(nèi)燃機、壓縮機，以及沖、剪、壓榨機床。
軟軸的曲線可以自由彎曲，工作時可隨時改變軸線形狀和工作機的位置，并能緩和沖擊和振動；但只能傳遞轉(zhuǎn)矩或運動，且從動端轉(zhuǎn)速一般不均勻。常用于某些木工機械、混凝土振搗器、風鎬、鑄件清理及儀器的操縱系統(tǒng)等。
2.2軸設(shè)計的主要內(nèi)容
軸的設(shè)計也和其他零件的設(shè)計相似，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作能力計算兩方面的內(nèi)容。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，會影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難等。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計是軸設(shè)計中的重要內(nèi)容。
軸的工作能力計算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的計算。多數(shù)情況下，軸的工作能力主要取決于軸的強度。這時只需對軸進行強度計算，以防止斷裂或塑性變形。而對剛度要求高的軸（如車床主軸）和受力大的細長軸，還應(yīng)進行剛度計算，以防工作時產(chǎn)生過大的彈性變形。對高速運轉(zhuǎn)的軸，還應(yīng)進行振動穩(wěn)定性計算，以防止發(fā)生共振而破壞。
2.3選用軸材料應(yīng)考慮的因素
軸的材料應(yīng)滿足強度、剛度、耐磨性、耐腐蝕性等方面的要求。設(shè)計軸時應(yīng)按照經(jīng)濟、合理、適用的原則，根據(jù)具體情況選用軸的材料。
由于碳鋼比合金鋼價廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，同時也可以用熱處理或化學熱處理的辦法提高其耐磨性和抗疲勞強度，故采用碳鋼制造軸尤為廣泛，其中45號優(yōu)質(zhì)碳素鋼最常用。不重要或受力較小的軸可以采用Q235—A等普通碳素鋼。對于要求強度高、尺寸與質(zhì)量小或者有其他特殊要求的軸，可以采用合金鋼。對于耐磨性要求較高的軸，可以選用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼，軸頸部分進行滲碳淬火處理，對于在高溫、高速和重載條件下工作的軸，可選用38CrMoAlA、40CrNi等合金鋼。對于有耐腐蝕要求的軸，可選用2Cr13、3Cr13等。采用合金鋼作為軸的材料時必須注意到：合金鋼對應(yīng)力集中的敏感性高，因此軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)格外注意減少應(yīng)力集中的根源，軸的表面粗糙度也應(yīng)適當降低；僅從提高軸的剛度考慮，不應(yīng)采用合金鋼。
必須指出:在一般工作溫度下（低于200℃），各種碳鋼和合金鋼的彈性模量均相差不多，因此在選擇鋼的種類和決定鋼的熱處理方法時，所根據(jù)的是強度與耐磨性，而不是軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度。但也應(yīng)當注意，在既定條件下，有時也可選擇強度較低的鋼材，而適當增大軸的截面面積的辦法來提高軸的剛度。
高強度鑄鐵和球墨鑄鐵容易作成復(fù)雜的形狀，且具有價廉、良好的吸振性和耐磨性，以及對應(yīng)力集中的敏感性低等優(yōu)點，可用于制造外形復(fù)雜的軸，但應(yīng)注意鑄造軸品質(zhì)不易控制、可靠性較差。
根據(jù)承載小車所承受的載荷大小及工作環(huán)境等綜合考慮選承載小車輪軸的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理。
2.4軸的毛坯
毛坯形式的選擇與材料選擇密切相關(guān)。軸的坯料有以下幾種：
（1）軋制圓鋼 毛坯直徑小于150mm，軸段直徑相差不大，不太重要的軸選用。
（2）鍛件 用于材質(zhì)要求高，重要的或直徑變化大的階梯形狀的軸。形狀復(fù)雜的曲軸也常用鍛造毛坯。批量大時用模鍛、精鍛。
（3）焊接件 大型、毛坯各段尺寸差異大、要求空心、件數(shù)較少時采用。
（4）鑄件 大型、形狀復(fù)雜時采用。主要是球墨鑄鐵和合金鑄鐵。
2.5軸的處理
為提高軸的強度和耐磨性，用優(yōu)質(zhì)碳素鋼或合金鋼制造的軸需進行各種熱處理（如高頻淬火、滲碳、氮化、氰化）、化學處理及表面強化處理（如噴丸、滾壓等）。特別是合金鋼，只有進行熱處理后才能充分發(fā)揮其優(yōu)越性。
2.6軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。
軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機器中的安裝位置及形式；軸上安裝的零件的類型、尺寸、數(shù)量以及和軸連接的方法；載荷的性質(zhì)、大小、方向及分布情況；軸的加工工藝等。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素較多，且其結(jié)構(gòu)形式又要隨著具體情況的不同而異，所以軸沒有標準的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計時，必須針對不同情況進行具體的分析。但是，不論何種具體條件，軸的結(jié)構(gòu)都應(yīng)滿足：軸和裝在軸上的零件要有準確的工作位置；軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；軸應(yīng)具有良好的制造工藝性等。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要解決的主要問題有：
2.6.1擬定軸上零件的裝配方案
擬定軸上零件的裝配方案是進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系。擬定裝配方案時，一般應(yīng)考慮幾個方案進行分析比較與選擇。
2.6.2軸上零件的定位
為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，軸上零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進行軸向和周向定位，以保證其準確的工作位置。
（1）零件的軸向定位
軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈、軸承端蓋和圓螺母等來保證的。
（2）零件的周向定位
周向定位的目的是限制軸上零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的周向定位零件有鍵、花鍵、銷、緊定螺釘以及過盈配合等，其中緊定螺釘只用在傳力不大之處。
2.6.3各軸段直徑和長度的確定
零件在軸上的定位和裝拆方案確定后，軸的形狀便大體確定。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關(guān)。初步確定軸的直徑時，通常還不知道支反力的作用點，不能決定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的具體載荷及其引起的應(yīng)力來確定軸的直徑。但在進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計前，通常已能求得軸所受的扭矩。因此，可按軸所受的扭矩初步估算軸所需的直徑。將初步求出的直徑作為承受扭矩的軸段的最小直徑,然后再按軸上零件的裝配方案和定位要求，從處起逐一確定各軸段的直徑。在實際設(shè)計中，軸的直徑亦可憑設(shè)計者的經(jīng)驗取定，或參考同類機器用類比的方法確定。
有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標準直徑。安裝標準件（如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈等）部位的軸頸，應(yīng)取為相應(yīng)的標準值及所選配合的公差。
為了使齒輪、軸承等有配合要求的零件裝拆方便，并減少配合表面的擦傷，在配合軸段前應(yīng)采用較小的直徑。為了使與軸做過盈配合的零件易于裝配，相配軸段的壓入端應(yīng)制出錐度；或在同一軸段的兩個部位上采用不同的尺寸公差。
確定各軸段長度時，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時還要保證零件所需的裝配或調(diào)整空間。軸的各段長度主要是根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸和相鄰零件間必要的空隙來確定的。為了保證軸向定位可靠，與齒輪和聯(lián)軸器等零件相配合部分的軸段長度一般應(yīng)比輪轂長度短2～3mm。
2.6.4軸上零件的裝拆及調(diào)整
為了使軸上零件的裝拆方便，并能進行位置及間隙的調(diào)整，常把軸制成階梯軸，為了裝拆方便而設(shè)置的軸肩高度h可取為（0.5～3）mm。安裝滾動軸承處的軸肩高度應(yīng)符合安裝尺寸，以便于拆卸軸承，軸承的游隙的調(diào)整，常用調(diào)整裝置來實現(xiàn)。
2.6.5提高軸的疲勞強度的措施
軸和軸上零件的結(jié)構(gòu)、工藝以及軸上零件的安裝布置等對軸的強度有很大的影響，所以應(yīng)在這些方面進行充分的考慮，以利提高軸的承載能力，減小軸的尺寸和機器的質(zhì)量，降低制造成本。提高軸的疲勞強度的措施主要有：
(1)合理布置軸上零件以減小軸的載荷；
(2)改進軸上零件的結(jié)構(gòu)以減小軸的載荷；
(3)改進軸的結(jié)構(gòu)以減少應(yīng)力集中的影響；
其主要措施有：
①盡量避免形狀的突然變化，宜采用較大的過渡圓角。如果增大圓角半徑有困難，可用卸載槽、肩環(huán)、凹切圓角等的結(jié)構(gòu)，軸上螺紋應(yīng)加退刀圓角；
②鍵槽底部加圓角，用圓盤銑刀加工的鍵槽比用端銑刀加工的鍵槽應(yīng)力集中系數(shù)??；
③漸開線花鍵處引起的應(yīng)力集中比矩形花鍵小。軸上有花鍵時應(yīng)加花鍵退刀槽，且退刀槽的直徑等于花鍵的內(nèi)徑或是花鍵的內(nèi)徑d1大于軸徑d推薦取d1=（1.1 ～1.3）d；
④軸上必須開橫孔時，盡量開成通孔，通孔的孔端應(yīng)倒角或滾珠碾壓，并合理降低孔的表面粗糙度值；
⑤過盈配合的軸，可在軸上或輪轂上開減載槽。
(4)改善軸的表面品質(zhì)以提高軸的疲勞強度
合理減小軸的表面及圓角處的加工粗糙度值。并采用表面強化，如碾壓、噴丸、滲碳、氰化、氮化、高頻或火焰表面淬火等方法，可以顯著提高承載能力。
2.6.6軸的結(jié)構(gòu)工藝性
軸的結(jié)構(gòu)還應(yīng)考慮到軸的加工、裝配、測量和維修等因素。
(1)軸的形狀在滿足軸系裝拆、定位等要求的前提下，應(yīng)力求簡單，便于加工；
(2)合理確定軸與零件的配合性質(zhì)、加工精度和表面粗糙度；
(3)考慮加工工藝所必須的結(jié)構(gòu)要素（如中心孔、螺尾退刀槽、砂輪越程槽等）；
(4)為了減少加工刀具種類，軸上的倒角、圓角、鍵槽等應(yīng)盡可能取相同尺寸，多個鍵槽應(yīng)分布在同一加工直線上；
(5)軸的配合直徑應(yīng)按GB2822-81圓整為標準值；
(6)確定各軸段長度時，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，同時要保證零件所需的滑動距離、裝配或調(diào)整所需空間，與輪轂配裝的軸段長度，一般應(yīng)略小于輪轂寬度2～3mm，以保證軸向固定可靠；
(7)為了便于軸上零件的裝配，軸端應(yīng)加工成45o（或30o、60o）倒角；軸上過盈配合部分的裝入端常加工出錐角為10o～20o的導(dǎo)向錐面；
(8)在裝滾動軸承的軸肩處必須留有放置拆卸工具的位置。裝有螺母聯(lián)軸器等軸段，也應(yīng)注意留有足夠的裝卸空間。
3 承載輪輪軸的設(shè)計
3.1軸的尺寸、強度計算
（1）根據(jù)機械傳動方案的整體布局，擬定軸上零件的布局和裝配方案；考慮整體布局，擬定不同的裝配方案進行分析對比，最終擬定如圖3.1的裝配方案：
圖3.1 軸上零件的布局和裝配
說明：
①已知承載小車在工作過程中的最大拐彎半徑為4m,承載輪的最大直徑不得超過120mm,其拐彎時刻的示意圖如圖3.2所示：
圖3.2 承載小車拐彎時刻示意圖
即，已知R=4000mm,D=120mm,臨界狀態(tài)下DR
則，L===4001.8mm
所以，=LR=4001.840000=1.8mm
經(jīng)過上述計算得知承載輪在拐彎過程中的最大偏移量約為2mm,故承載輪與工字鋼之間最少需間隔2mm才能保證承載小車在拐彎過程中不至于被卡死，為了安全起見設(shè)計承載輪與工字鋼的間距為5.5mm。
②在軸上設(shè)置油孔對軸承進行潤滑，初步確定油孔直徑為d=6～10mm。
（2）選擇軸的材料
該軸承受載荷較大，選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，根據(jù)《機械設(shè)計師手冊》（下冊）表21-1查得其力學性能，，，，，，
（3）軸的受力分析及強度校核
作出軸的計算簡圖，如圖3.3所示：
圖3.3 軸的計算簡圖
求支反力
為方便計算，分別在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)進行計算。
由 可得
可得 ，故，方向向下
則其載荷分布如圖3.4所示：
圖3.4 軸的載荷分布圖
做出軸的受力圖，如圖3.5所示：
圖3.5 軸的受力圖
按彎扭合成強度條件計算通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁。軸上零件傳來的力，通常當作集中力來考慮，其作用點取為零件輪緣寬度的中點，軸上轉(zhuǎn)矩則從輪轂寬度的中點算起。軸上支承反力的作用點，根據(jù)軸承的類型和組合取軸承的中心點為支承反力的作用點（由《機械設(shè)計》第八版圖15-23查得）。
如果作用在軸上的各載荷不在同一平面內(nèi)，則可分解到兩個相互垂直的平面，然后分別求這兩個平面內(nèi)的彎矩，再按矢量法求得合成彎矩。
已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某危險截面（即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的截面）做彎扭合成強度校核計算。按第三強度理論，計算應(yīng)力
通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計算應(yīng)力為
式中的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，取=≈0.3；當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取=≈0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，取≈1。
對于直徑為D的圓軸，彎曲應(yīng)力為,扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為,將和代入，則軸的彎扭合成強度條件為
式中 —軸計算截面上的工作應(yīng)力（Mpa）；
—軸計算截面上的合成彎矩（N·mm）；
—軸計算截面上的轉(zhuǎn)矩（N·mm）；
—軸的抗彎截面系數(shù)（），對于空心圓截面（1-），其中，，D為軸計算截面上的外徑（mm），為軸計算截面上的內(nèi)徑（mm）；
—對稱循環(huán)變應(yīng)力時軸的許用彎曲應(yīng)力。
由于承載小車的輪軸只受彎矩，故其強度條件為
按彎扭合成強度條件計算
由得，故，
其中，已知每個小車的額定載荷為5噸,所以小車每根輪軸承受的載荷為
在實際工作中，會出現(xiàn)一些附加載荷，如沖擊力、不平衡作用力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產(chǎn)生的附加力等等。為了計及這些影響，可對載荷乘上一個根據(jù)經(jīng)驗而定的載荷系數(shù)，其值參見表3.1。
表3.1 載荷系數(shù)
載荷性質(zhì)
舉例
無沖擊或平穩(wěn)運轉(zhuǎn)或輕微沖擊
1.0～1.2
電動機、汽輪機、通風機、水泵等
中等沖擊或中等慣性沖擊
1.2～1.8
車輛、動力機械、起重機、造紙機、冶金機械、選礦機、卷揚機、機床等
強大沖擊
1.8～3.0
破碎機、軋鋼機、鉆探機、振動篩等
考慮承載小車在運行過程中會受到中等沖擊或中等慣性沖擊，取載荷系數(shù)為1.4，則小車承受的載荷=×=1.4×5×kg×10N/kg=7×N，故每個輪軸承受載荷為=×=1.75×N
在裝配草圖中估算作用力集中點到危險截面的距離
則，輪軸所受彎矩M=
軸在水平平面的彎矩圖，如圖3.6所示
圖3.6 軸在水平平面的彎矩圖
選擇計算彎矩較大，危險截面處的軸剖面校核計算，確定軸與殼體接觸處為危險截面。
40Cr的許用彎曲應(yīng)力，對于固定心軸，考慮啟動、停車等的影響，彎矩在截面上所引起的應(yīng)力可視為脈動循環(huán)變應(yīng)力，所以在進行軸的強度校核時，固定心軸的許用應(yīng)力應(yīng)為（為脈動循環(huán)變應(yīng)力時的許用彎曲應(yīng)力），，所以40Cr的許用彎曲應(yīng)力=1.7×70MPa=119MPa
對于直徑為D的軸，其彎曲應(yīng)力，其中，（1-），，D為軸計算截面上的外徑（mm），為軸計算截面上的內(nèi)徑（mm）。由于值很小，故將進行計算，得
≥==33.46mm
所以，取此軸段的直徑D為35mm。取d=8mm，校核軸的強度
==104.28≤
設(shè)計符合要求。
（4）零部件的選擇和軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
①選擇滾動軸承
根據(jù)軸的受力情況，選取21307CC型調(diào)心滾子軸承，為了便于軸承的裝配，取裝軸承處的直徑d=35mm。其尺寸為d×D×B=35mm×80mm×21mm。其基本額定載荷,。
②根據(jù)承載小車的整體尺寸要求確定軸的各段直徑和長度，如圖3.7所示：
圖3.7 軸的各段直徑和長度
與軸承配合處的軸段==28+3=31mm（=3mm為做出的凸臺以便足以固定軸承一邊的內(nèi)圈），由計算得此軸段直徑為35mm，由于所選軸承內(nèi)圈厚度為8.05mm，又凸臺的高度一般為內(nèi)、外圈厚度的，這里取凸臺的高度為5mm，所以確定處的軸段直徑為45mm；軸段由右往左依次安裝寬度B=21的軸承、孔用彈性擋圈（固定軸承的外圈）、隔套（固定軸承的內(nèi)圈）,設(shè)計=28mm；為軸與殼體的配合處，為了使緊固力充分作用，將隔套跨出軸段2mm，又根據(jù)經(jīng)驗取殼體厚度h=12mm,故=14mm，由于非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置，其高度沒有嚴格的規(guī)定一般取為1～2mm，故取這段軸徑為31mm；同理，確定的軸徑為27mm,處的軸段安裝以定位板（根據(jù)經(jīng)驗初步選擇為6～10mm），由于軸徑為27，所以需安裝公稱直徑為27的普通螺母（公差帶代號為6g,采用中等旋合長度），并且需要放置一彈簧墊圈對螺母進行機械防松，初步設(shè)計軸段的長度為43mm，同時確定外螺紋的深度為31mm，并在此軸段上做出退刀槽，方便螺紋的加工。由于設(shè)置在軸心做出油孔來實現(xiàn)對軸承的潤滑，所以，還需在27軸段內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋孔，以便在軸端安裝油杯。
③確定軸上零件的周向定位
滾動軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制,內(nèi)圈與軸采用過盈配合，由《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》表7-8查得軸的公差帶為k6，外圈與承載輪的配合采用基軸制，外圈與承載輪的配合也采用過盈配合，由《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》表7-9查得承載輪的公差帶為P7。殼體孔與軸采用間隙配合，采用基孔制，由《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》表2-6查得軸的公差帶為d7。
④確定軸上圓角和倒角尺寸，軸和殼體孔的形位公差。
參考CG6403.4—86取軸各處的圓角和倒角45度。由《互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)》表7-12可以查得軸和殼體孔的形位公差。
3.2按安全系數(shù)校核計算
按安全系數(shù)的校核計算有兩種情況，一種是根據(jù)材料疲勞極限計算軸危險截面處的疲勞強度安全系數(shù)，載荷按軸上長期作用的最大變載荷進行計算；另一種是根據(jù)材料屈服強度計算軸危險截面處的靜強度安全系數(shù)。載荷是根據(jù)軸的短時最大載荷（包括沖擊載荷）來計算的。
危險截面的位置應(yīng)是彎矩等較大及截面面積較小處，當按疲勞強度計算時，還應(yīng)考慮應(yīng)力集中較嚴重處，也就是實際應(yīng)力較大的截面。當在同一截面處有幾個應(yīng)力集中源時，取各源所引起的應(yīng)力集中的最大值。
3.2.1按疲勞強度的安全系數(shù)計算
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖，截面D處彎矩最大，是軸的危險截面，故確定對此截面進行疲勞強度的安全系數(shù)計算,對于塑性材料按疲勞強度校核時的強度條件是
僅有法向應(yīng)力時，應(yīng)滿足
式中 —危險截面疲勞強度的計算安全系數(shù)；
—只考慮彎矩作用時的疲勞強度安全系數(shù)；
—只考慮轉(zhuǎn)矩作用時的疲勞強度安全系數(shù)；
—按疲勞強度計算的許用安全系數(shù)；
—對稱循環(huán)應(yīng)力下材料試件的彎曲疲勞極限，MPa；
—彎曲時正應(yīng)力的有效應(yīng)力集中系數(shù)，滾動軸承與軸配合按H7∕r6配合選擇，由《機械設(shè)計師手冊》圖21-10查得Kσ=2.5
—平均應(yīng)力折合為應(yīng)力幅的等效系數(shù)，它表示材料對循環(huán)不對稱性的敏感程度。其值應(yīng)為 (對于碳鋼，對合金鋼)。（—脈動循環(huán)應(yīng)力下材料試件的彎曲疲勞極限，MPa）
—彎曲應(yīng)力的應(yīng)力幅，MPa；
—彎曲應(yīng)力的平均應(yīng)力，MPa；
（對一般傳遞動力的軸，可取、=0；當軸不轉(zhuǎn)動或軸上外力隨軸一起轉(zhuǎn)動時，取==）
=
==2.53≥ (取=1.5)
由下表3.2可知，D截面是安全的。
3.2.2按靜強度的安全系數(shù)計算
取最大瞬時靜載荷為額定載荷的兩倍。仍以D截面為危險截面進行計算。
靜強度校核時的強度條件是
只考慮彎矩時，應(yīng)滿足
式中 —危險截面靜強度的計算安全系數(shù)；
—只考慮彎矩作用時的靜強度安全系數(shù)；
—只考慮彎矩作用時的靜強度安全系數(shù)；
—按靜強度計算的許用安全系數(shù)；
—材料試件的拉伸屈服點，MPa；
—軸危險截面的最大彎矩，N·mm；
— 軸危險截面的抗彎截面系數(shù)，mm3 ；
—作用在軸上的最大軸向載荷；N；
—軸危險截面的截面積；
=≥
（由表3.3靜強度計算安全系數(shù)可知，對于40Cr,,所以取=1.4～1.8）
所以，軸的靜強度是安全的。
表3.2 疲勞強度計算許用安全系數(shù)
計算精確程度
載荷可以精確計算，材料性能確有把握時
1.3～1.5
計算不夠精確，材質(zhì)不夠均勻時
1.5～1.8
計算的精確性很差，材質(zhì)均勻性很差時
1.8～2.5
表3.3 靜強度計算許用安全系數(shù)
計算精確程度
當最大載荷作用時間極少，其數(shù)值可精確求得時
高塑性材料（≤0.6）的鋼軸
1.2～1.4
中等塑性（=0.6～0.8）的鋼軸
1.4～1.8
低塑性的鋼軸
1.8～2.0
鑄造以及脆性材料的軸
2.0～3.0
當最大載荷很難準確計算時
3.0～4.0
注：當軸的損壞要引起嚴重事故時，表3.2和表3.3中安全系數(shù)還應(yīng)適當加大30%～50%。
3.3軸的剛度計算
以固定端為原點，取坐標系如圖3.8所示：
圖3.8 軸的受力圖
(1) 求支座反力，列彎矩方程
在固定端處有支座反力和反力偶矩，由平衡方程可得
,
在距原點x處取截面，可列出彎矩方程為
(1)
(2) 列撓曲線近似微分方程并進行積分
將彎矩方程式(1)代入公式
得
(2)
積分一次，得
(3)
再積分一次，得
(4)
(3)確定積分常數(shù)
懸臂梁在固定端處的撓度和轉(zhuǎn)角均為零，即在x=0處:
(5)
(6)
將式（6）代入式（4），將式（5）代入式（3），得
D=0 C=0
(4)確定轉(zhuǎn)角方程和撓度方程
將所求得的積分常數(shù)C和D代入式（3）和式（4），得梁的轉(zhuǎn)角方程和撓度方程為
(7)
(8)
(5) 求最大轉(zhuǎn)角和最大撓度
利用式（7）和式（8）可求得任一截面的轉(zhuǎn)角和撓度。由上圖可以看出，B截面的撓度和轉(zhuǎn)角絕對值為最大。以x=代入式（7）和式（8），可得
，
即
=， =
所得的轉(zhuǎn)角為正值，說明截面B作逆時針方向轉(zhuǎn)動；為正值，說明B截面的撓度向上。
3.4驗算軸承壽命
計算滾動軸承基本額定壽命的公式是
L=
式中 L—失效率10%（可靠度90%）的基本額定壽命（r）；
C—基本額定動載荷（N）；
P—當量動載荷（N）；
ε—壽命指數(shù)，對于球軸承ε=3，對于滾子軸承ε=10/3。
若軸承工作轉(zhuǎn)速為n（r/min），以小時數(shù)為單位的基本額定壽命公式為=
設(shè)計中應(yīng)保證≥
式中為滾動軸承的額定壽命。根據(jù)不同機器的工作要求，額定壽命的數(shù)值可參考表3.4。
這里選取軸承的預(yù)期計算壽命為3000～8000h。查《機械設(shè)計師手冊》d=35的調(diào)心滾子軸承其額定動載荷=63.5KN
又已知承載小車的線速度V=1.6m/s=96m/m
故其轉(zhuǎn)速rad/min
所以，=h
符合使用要求。
表3.4 軸承預(yù)期計算壽命
機器類型
預(yù)期計算壽命/h
不經(jīng)常使用的儀器或設(shè)備，如閘門開閉裝置等
300～3000
短期或間斷使用的機械，中斷使用不致引起嚴重后果，如手動機械等
3000～8000
間斷使用的機械，中斷使用后果嚴重，如發(fā)動機輔助設(shè)備、流水作業(yè)線自動傳送裝置、升降機、車間吊車、不常使用的機床等
8000～12000
每日8h工作的機械（利用率不高），如一般的齒輪傳動、某些固定電動機等
12000～20000
每日8h工作的機械（利用率較高），如金屬切削機床、連續(xù)使用的起重機、木材加工機械、印刷機械等
20000～30000
24h連續(xù)工作的機械，如礦山升降機、紡織機械、泵、電機等
40000～60000
24h連續(xù)工作的機械，中斷使用后果嚴重，如纖維生產(chǎn)或造紙設(shè)備、發(fā)電站主電機、礦井水泵、船舶螺旋槳軸等
100000～200000
3.5根據(jù)計算結(jié)果修改設(shè)計
軸及軸上零部件在強度、剛度、壽命的計算中如有過于富?；虿粔驎r，都應(yīng)對軸的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸以及軸上零件的布置進行修改，直到取得滿意的結(jié)果。
4 滾動軸承
滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一，它在承受載荷并有相對回轉(zhuǎn)運動的零部件間工作，是機械中主要的基礎(chǔ)件。滾動軸承一般由帶滾道的套圈、成組的滾動體和隔離引導(dǎo)滾動體的保持架組成，它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件的。具有承載、定位、減摩等功能以及功率消耗少，起動容易等優(yōu)點。
4.1滾動軸承的類型和代號
4.1.1滾動軸承的類型
滾動軸承是標準件，在機械設(shè)計中主要是選用。
滾動軸承的滾動體有球和滾子（圓柱滾子、滾針、圓錐滾子等）兩類，按所承受載荷方向和公稱接觸角α的不同又分為向心軸承和推力軸承兩類（公稱接觸角α指軸承中套圈與滾動體接觸處的法線和垂直于軸承軸線平面間的夾角）。向心軸承公稱接觸角從0o到45o，主要承受徑向載荷；推力軸承公稱接觸角從45o到90o，主要承受軸向載荷。
滾動軸承結(jié)構(gòu)類型分類系統(tǒng)如下：
常用滾動軸承的類型、主要性能和特點見表4.1。
表4.1 常用滾動軸承的類型、主要性能和特點
類型代號
類型名稱
結(jié)構(gòu)代號
軸向承載能力
性能和特點
1
調(diào)心
球軸承
10000
少量
因外圈滾道表面是以軸承中點為中心的球面，故能自動調(diào)心，允許內(nèi)圈（軸）相對外圈（外殼）軸線偏斜量≤2o～3o。一般不宜承受純軸向載荷
2
調(diào)心
滾子軸承
20000
少量
性能、特點與調(diào)心球軸承相同，但具有較大的徑向承載能力，允許內(nèi)圈對外圈軸線偏斜量≤1.5o～2.5o
推力調(diào)心滾子軸承
29000
很大
用于承受以軸向載荷為主的軸向、徑向聯(lián)合載荷，但徑向載荷不得超過軸向載荷的55%。運轉(zhuǎn)中滾動體受離心力矩作用，滾動體與滾道間產(chǎn)生滑動，并導(dǎo)致軸圈與座圈分離。為保證正常工作，需施加一定軸向預(yù)載荷。允許軸圈對座圈軸線偏斜量≤1.5o～2.5o
3
圓錐滾子軸承α=10o～18o
30000
較大
可以同時承受徑向載荷及軸向載荷（30000型以徑向載荷為主，30000B型以軸向載荷為主）。外圈可分離，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。一般成對使用
大錐角圓錐滾子軸承α=10o～18o
30000B
很大
5
推力
球軸承
51000
只能承
受單向的
軸向載荷
只能承受軸向載荷。高速時離心力大，鋼球與保持架磨損，發(fā)熱嚴重，壽命降低，故極限轉(zhuǎn)速很低。為了防止鋼球與滾道之間的滑動，工作時必須加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配
雙向推力球軸承
52000
能承受
雙向的
軸向載荷
6
深溝
球軸承
60000
少量
主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時，可用來承受純軸向載荷。工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量≤8′～16′，大量生產(chǎn)，價格最低
7
角接觸
球軸承
70000C
（α=15o）
一般
可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作。由于一個軸承只能承受單向的軸向力，因此，一般成對使用。承受軸向載荷的能力與接觸角α有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高
70000AC（α=25o）
較大
70000B
（α=40o）
更大
N
外圈無擋邊的圓柱滾子軸承
N0000
無
有較大的徑向承載能力。外圈（或內(nèi)圈）可以分離，故不能承受軸向載荷，滾子由內(nèi)圈（或外圈）的擋邊軸向定位，工作時允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量很?。?′～4′）。此類軸承還可以不帶外圈或內(nèi)圈
內(nèi)圈無擋邊的圓柱滾子軸承
NU0000
內(nèi)圈有擋邊的圓柱滾子軸承
NJ0000
少量
NA
滾針軸承
NA0000
無
在同樣內(nèi)徑條件下，與其他類型軸承相比，其外徑最小，內(nèi)圈或外圈可以分離，工作時允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。有較大的徑向承載能力。一般不帶保持架。摩擦系數(shù)較大
UC
帶頂絲
外球面
球軸承
UC000
少量
內(nèi)部結(jié)構(gòu)與深溝球軸承相同，但外圈具有球形外表面，與帶有凹球面的軸承座相配能自動調(diào)心。常用緊定螺釘、偏心套或緊定套將軸承內(nèi)圈固定在軸上。軸心線允許偏斜5o。
按結(jié)構(gòu)還有帶偏心套軸承（UEL型、UE型）、帶緊定套軸承（UK型、UK+H型）、兩端平頭軸承（UD型）等
4.1.2滾動軸承的代號
滾動軸承代號是用字母加數(shù)字表示其結(jié)構(gòu)、尺寸、公差等級、技術(shù)性能等特征的產(chǎn)品符號。滾動軸承代號的基礎(chǔ)是基本代號，表示軸承的類型、結(jié)構(gòu)和尺寸；為表達其他技術(shù)要求，添加前置代號和后置代號作為補充。
（1）基本代號
基本代號由軸承類型代號、尺寸系列代號和內(nèi)徑代號依次排列組成。
軸承類型代號用阿拉伯數(shù)字或大寫拉丁字母表示。
尺寸系列代號由軸承的寬（高）度系列代號和直徑系列代號組合而成，表示軸承的外形尺寸。直徑系列指對應(yīng)同樣軸承內(nèi)徑變化的外徑尺寸系列。寬度系列指同樣軸承外徑變化的寬度尺寸系列。
滾動軸承的內(nèi)徑代號表示其公稱內(nèi)徑的大小。
（2）前置代號
前置代號用字母表示。
（3）后置代號
后置代號用字母（或加數(shù)字）表示。
4.1.3基本概念及術(shù)語
（1）壽命 指一套滾動軸承，其中一個套圈（或墊圈）或滾動體的材料出現(xiàn)第一個疲勞擴展跡象之前，一個套圈（或墊圈）相對于另一個套圈（或墊圈）的轉(zhuǎn)數(shù)。
（2）可靠度（即軸承壽命的可靠度） 指一組在同一條件下運轉(zhuǎn)的、近于相同的滾動軸承所期望達到或超過規(guī)定壽命的百分率。單個滾動軸承的可靠度為該軸承達到或超過規(guī)定壽命的概率。
（3）靜載荷 當軸承套圈或墊圈的相對旋轉(zhuǎn)速度為零時（向心或推力軸承）或當滾道元件在滾動方向無運動時（直線軸承），作用在軸承上的載荷。
（4）動載荷 當軸承套圈或墊圈相對旋轉(zhuǎn)時（向心或推力軸承）或當滾道元件在滾動方向運動時（直線軸承），作用在軸承上的載荷。
（5）額定壽命 以徑向基本額定動載荷或軸向基本額定動載荷為基礎(chǔ)的壽命的預(yù)測值。
（6）基本額定壽命 與90%可靠性關(guān)聯(lián)的額定壽命。
（7）徑向基本額定動載荷 指一套滾動軸承假想能承受的恒定徑向載荷，在這一載荷作用下的基本額定壽命為一百萬轉(zhuǎn)。對于單列角接觸軸承，該載荷是指引起軸承套圈相互間產(chǎn)生純徑向位移的載荷的徑向分量。
（8）軸向基本額定動載荷 指假想作用于滾動軸承的恒定的中心軸向載荷，在該載荷作用下滾動軸承的基本額定壽命為一百萬轉(zhuǎn)。
（9）徑向（或軸向）當量動載荷 指一恒定的徑向載荷（或中心軸向載荷），在該載荷作用下，滾動軸承具有與實際載荷作用下相同的壽命。
（10）徑向（或軸向）基本額定靜載荷 指與滾動體及滾道的總永久變形量相對應(yīng)的徑向靜載荷（或中心軸向靜載荷）。如果在零載荷下，滾子與滾道（滾子軸承）為或假定為正常母線（全線接觸）時，在最大接觸應(yīng)力下，滾動體與滾道接觸處產(chǎn)生的總永久變形量為滾動體直徑的1/1000。對單列角接觸軸承，徑向額定載荷為引起軸承套圈彼此相對純徑向位移的載荷的徑向分量。
（11）徑向（或軸向）當量靜載荷 該徑向靜載荷（或中心軸向靜載荷）會使受最大應(yīng)力的滾動體和滾道接觸處產(chǎn)生的總永久變形量與實際載荷條件下的總永久變形量相同。
4.2滾動軸承的選擇
4.2.1滾動軸承的使用性能
（1）承載能力
滾動軸承以額定靜載荷C和基本額定動載荷C表示承載能力。額定靜載荷是指軸承承受載荷最大的滾動體與滾道接觸中心處引起最大接觸應(yīng)力值為標準規(guī)定的允許值時，軸承所能承受的靜載荷，反映其靜承載能力；而基本額定動載荷是基本額定壽命為106r時軸承承受的恒定載荷，反映其一定壽命下的動承載能力。
（2）壽命與可靠性（見基本概念及術(shù)語）
（3）速度特性
滾動軸承的極限轉(zhuǎn)速是指一定載荷、潤滑條件下軸承允許的最高轉(zhuǎn)速。常用dn值表示軸承一定圓周線速度下的運轉(zhuǎn)性能（d，n分別為軸承內(nèi)徑mm和轉(zhuǎn)速r/min）。一般dn＞8×10mm·r/min為高速軸承，dn＞1.8×16mm·r/min稱為超高速軸承。
（4）摩擦力矩
軸承的摩擦力矩引起溫度升高和功率損耗，在精密儀表中還影響系統(tǒng)的精度和可靠性。摩擦力矩與軸承類型、結(jié)構(gòu)、尺寸、制造精度等因素有關(guān)，也受載荷、轉(zhuǎn)速、潤滑等工作條件的影響。
軸承載荷約為0.1C，潤滑良好，工作狀態(tài)正常時，其摩擦力矩可按下式計算：
M=0.5μPˊd
式中 —摩擦系數(shù)；
Pˊ—軸承載荷（N），對向心軸承是徑向載荷，對推力軸承是軸承的軸向載荷；
d—軸承內(nèi)徑（mm）。
（5）運轉(zhuǎn)精度
滾動軸承的精度按公差等級分級，公差中包括尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度的允許偏差。一般軸承公差等級有0、6、5、4、2五個等級，而圓錐滾子軸承分為0、6X、5、4四個等級。精度依次由低到高，0級為普通級，應(yīng)用最廣。
滾動軸承游隙大小對運轉(zhuǎn)精度和承載能力都有影響。滾動軸承具有徑向游隙和軸向游隙，徑向游隙又分為原始游隙、安裝游隙和工作游隙。軸承編號中所標柱的1、2、0、3、4、5六組游隙，數(shù)值由小到大，表示其徑向原始游隙（制造出廠時未安裝前的游隙）。正常配合安裝的軸承，在一般使用條件下運行時，選用0組游隙即能滿足使用要求。過盈配合較大，內(nèi)外圈溫差較大，需降低摩擦力矩或改善調(diào)心性能的軸承，宜采用大游隙組；而要求震動噪聲低、回轉(zhuǎn)精度較高或嚴格限制軸向位移等場合，則采用小游隙組。角接觸球軸承、圓錐滾子軸承和內(nèi)圈帶錐孔的軸承，其工作游隙可在安裝或使用過程中調(diào)整。
（6）振動和噪聲
振動和噪聲造成環(huán)境污染，且直接影響主機性能，是滾動軸承重要的性能指標。軸承振動為軸承運轉(zhuǎn)過程中軸承零件偏離理論位置的運動，用振動速度（μm/s）或加速度（μm/s2）衡量。而軸承噪聲以離運轉(zhuǎn)軸承一定距離處的聲壓級（dB）作為衡量指標。
軸承產(chǎn)生振動和噪聲的主要原因是軸承結(jié)構(gòu)和軸承零件的制造誤差。通過改進軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)、改進保持器的設(shè)計、提高鋼球制造精度、降低滾道的波紋度以及改善潤滑條件可有效地降低軸承的振動和噪聲。
（7）調(diào)心性能
軸承的調(diào)心性能是指軸嶙撓曲，兩軸承孔不同軸或其他原因使軸與軸承座孔軸線相對傾斜時軸承內(nèi)外圈之間能自動調(diào)心，保持正常工作的能力。在容許調(diào)心的范圍內(nèi)，軸承中不會產(chǎn)生額外附加應(yīng)力，對壽命沒有明顯影響，但噪聲略有增大。
調(diào)心能力主要取決于軸承的結(jié)構(gòu)。調(diào)心球軸承和調(diào)心滾子軸承外圈滾道為球面，故具有良好的調(diào)心性能。帶座外球面球軸承中，軸承球面外徑與軸承座孔的凹球面相配合，調(diào)心范圍更大。而圓柱滾子軸承，圓錐滾子軸承和滾針軸承幾乎不具有調(diào)心性能。
各類軸承的調(diào)心范圍可參考表4.2。
表4.2 軸承容許的調(diào)心范圍
軸承類型
調(diào)心范圍
帶座外球面球軸承
2o～5o
調(diào)心球軸承
1.5o～3o
調(diào)心滾子軸承
1o～2.5o
推力調(diào)心滾子軸承
≤
2o～3o
＞
＜2o
深溝球軸承
2′～10′
圓柱滾子軸承
3′～4′
圓錐滾子軸承
＜3′
滾針軸承
極小
4.2.2滾動軸承的類型選擇
選擇滾動軸承的類型應(yīng)考慮其工作條件，安裝性能和經(jīng)濟性。
（1）工作條件
①載荷情況
載荷大?。簼L子軸承元件間為線接觸，承載能力大；而球軸承為點接觸，承載能力相對較小。
載荷方向：向心軸承主要承受徑向載荷，推力軸承只能承受軸向載荷。在徑向和軸向載荷的綜合作用下可選用角接觸軸承，隨名義接觸角α的增大，角接觸軸承軸向承載能力提高。
載荷性質(zhì)：受沖擊載荷時宜選用滾子軸承。
②高速性能
球軸承比滾子軸承具有較高的極限轉(zhuǎn)速。圓錐滾子軸承和推力球軸承由于結(jié)構(gòu)原因不宜用于高速。
③調(diào)心性能
軸變形大或兩軸承孔同軸度不好等情況下要求軸承有較好的調(diào)心性能，應(yīng)選用調(diào)心球軸承、調(diào)心滾子軸承或帶座外球面球軸承。
（2）安裝性能
便于裝拆，也是在選擇軸承類型時應(yīng)考慮的一個因素。整體軸承座或頻繁裝拆條件下，考慮安裝方便應(yīng)選用內(nèi)外圈可分離的軸承（如圓錐滾子軸承、內(nèi)圈或外圈分離的圓柱滾子軸承等）以及具有錐孔或帶緊定套的軸承。
（3）經(jīng)濟性
在使用條件差不多的情況下選價格便宜的軸承。
此外，軸承類型的選擇還應(yīng)考慮軸承裝置整體設(shè)計的要求，如軸承的配置使用要求、游動要求等。
由于承載小車所承受的徑向載荷較大，又需承受一定的軸向載荷，并使其在工作過程中滾動體不能從滾道中滑出，綜合考慮選用調(diào)心滾子軸承。根據(jù)輪軸的直徑D=35，選擇選取21307CC型調(diào)心滾子軸承，其尺寸為d×D×B=35mm×80mm×21mm，本額定載荷,。
4.2.3滾動軸承的精度選擇
（1）滾動軸承的公差等級選擇
滾動軸承公差等級由低至高分為普通級、6級、（6Х級）、5級、4級及2級幾種。普通級應(yīng)用最廣泛，只有高精度機械中才選用公差等級較高的軸承。
（2）滾動軸承的游隙選用與調(diào)整
軸承的游隙是指在無載荷的情況下，軸承內(nèi)外環(huán)間所能移動的最大距離，作徑向移動者稱為徑向游隙，作軸向移動者稱為軸向游隙。
軸承的徑向游隙又分為原始游隙、安裝游隙和工作游隙。通常，軸承的原始徑向游隙大于軸承工作時的游隙，軸承的徑向游隙對軸承的壽命、溫升、噪聲等都有很大的影響。嚴格的說，軸承的額定動載荷是隨游隙的大小而變化的，產(chǎn)品樣本中所列的額定載荷（C和）是工作游隙為零時的載荷數(shù)值。決定軸承徑向游隙時，必須考慮如下幾點：
①過盈配合安裝時，內(nèi)圈的膨脹和外圈的收縮導(dǎo)致游隙的減小。
②在運轉(zhuǎn)溫度下，軸承內(nèi)外圈的溫度差及其相關(guān)件的熱膨脹導(dǎo)致游隙的變化。
③在工作時，球軸承通常在運轉(zhuǎn)溫度下，游隙應(yīng)接近于零。對于滾子軸承，在正常工作條件下，通常應(yīng)留有一定的徑向游隙。
④在正常的工作條件下，如果軸承的內(nèi)外圈配合等級在范圍內(nèi)，應(yīng)優(yōu)先采用0組游隙。
⑤按0組游隙制造的軸承在軸承代號中不標注游隙組代號。
⑥對于大沖擊、重載荷、過盈量大的配合，內(nèi)圈環(huán)境溫度高，外圈環(huán)境溫度低等情況的軸承應(yīng)選用游隙較大的軸承；對于內(nèi)、外圈有松動的配合、有震動及對音響有要求、對運轉(zhuǎn)精度有要求、從外殼傳入熱量及組裝后游隙可調(diào)整的軸承選用游隙較小的軸承。
一般非調(diào)整式軸承（如深溝球軸承、圓柱滾子軸承等）的內(nèi)部游隙均有軸承制造廠選配，在使用過程中不再進行游隙的調(diào)整，用戶只選擇合適的游隙等級和配合，就能保證軸承的正常運轉(zhuǎn)。一般圓柱滾子軸承的徑向游隙比深溝球軸承大，因為滾子軸承的剛性比球軸承大，當出現(xiàn)溫差時，易出現(xiàn)徑向夾緊。角接觸球軸承和圓錐滾子軸承等調(diào)整式軸承，安裝時必須根據(jù)使用情況對軸向游隙進行適當調(diào)整。有些支承因結(jié)構(gòu)需要和溫度變化須有一定徑向和軸向游隙，而另一些支承則需使其達到游隙為零，甚至應(yīng)