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1、 第4章 轴、轴承、联轴器与离合器 41轴轴是机器中的重要零件。其主要功用是支承转动零件（如齿轮、带轮、叶轮、蜗轮、链轮以及各种车轮等），并传递运动和动力。411概述 1轴的分类 （1）按轴心线形状不同可分为直轴、曲轴和挠性轴三类。直轴其轴心线为一直线。机器中大部分的轴都是直轴。直轴按其横剖面直径沿轴线是否变化又可分为光轴和阶梯轴。其中阶梯轴便于轴上零件的安装与固定，应用最广。根据芯部结构不同，直轴又可分为实心轴和空心轴（图41）。 图41直轴曲轴其轴心线为折线（图42）。常用于往复式机械中（如内燃机，往复式空气压缩机等）。 图42曲轴 图43挠性轴 挠性轴其轴心线为任意曲线（图43），可将转
2、矩和回转运动传递到任意位置。常用于建筑工地上所用的振动器以及牙科医疗机等机械中。 （2）按轴的受载形式不同又可分为心轴、转轴和传动轴三类。 心轴 只用于支承转动零件，仅承受弯矩的轴。它既可以是固定不动的（图44（a），也可以是转动的（图44（b）。转轴 工作时既承受弯矩又传递转矩的轴。这类轴在机械中最常用，如带轮轴、齿轮轴等（图45）。 图44心轴 图45转轴传动轴 主要用于传递转矩，不承受弯矩或弯矩很小的轴。汽车变速箱与后桥间的轴就是传动轴（图46）。图46汽车传动轴2设计轴的主要问题 设计轴时主要解决的问题是选择轴的适宜材料，合理地确定轴的结构，计算轴的工作能力。一般情况下轴的工作能力取决
3、于轴的强度。为了防止轴的断裂，必须根据工作条件对轴进行强度计算。对于有刚度要求的轴，还要进行刚度计算，以防止产生不允许的变形量。此外，对于高速运转的轴，还应进行振动稳定性计算，以防止共振现象产生。本节将简介轴的结构，并重点讨论轴的强度计算。 3轴的材料 轴在运转中受弯矩和扭矩，且多为变应力作用，因此，轴的材料应具有必要的强度和韧性。当采用滑动轴承作为轴的支承时，轴颈须具有耐磨性。轴的主要材料是碳素钢和合金钢。中、小尺寸的轴采用轧制的圆钢直接车制，大尺寸的轴则以锻件作毛坯。 在一般条件下工作的轴，多用碳素钢制造，尤以用45钢者为多。碳素钢价廉，对应力集中不如合金钢敏感，是其应用最广的原因。 合金
4、钢比碳素钢具有更高的强度和好的热处理性能。受重载荷，较重载荷，且尺寸受限制，以及在高、低温条件下工作的轴，宜采用合金钢制造。 轴断裂将导致重大事故和损失，其材质需作认真的鉴定，不允许有微裂纹和超过限度的夹杂物。 为了改善材料的强度和韧性，宜采用调质处理（即淬火并高温回火）。 为了提高轴的耐磨性，对由中碳钢或中碳合金钢制造的轴可进行高频淬火，也可视需要对轴段作局部淬火。对低碳合金钢制造的轴可进行渗碳并表面淬火，或采用氮化或氰化等处理方法。 我国于本世纪50年代曾研制成功球墨铸铁曲轴，在世界上处于前列。球墨铸铁比钢的滞振性好，比灰铸铁的强度和韧性高，铸造的曲轴毛坯比锻造成本低。 表41列出了轴的常
5、用材料及其机械性能。表41轴的常用材料及其主要力学性能和应用场合材料热处理毛坯直径mm硬度HBS抗拉强度b屈服点s抗弯曲疲劳极限1抗剪切疲劳极限1应用场合MPaQ235440235200105用于不重要或载荷不大的轴35正火100143187520270250125有好的塑性和适当的强度，可做一般曲轴、转轴等正火回火100300500260240120调质10056030026513545正火回火100170217600300275140用于较重要的轴，应用最为广泛100300162217580290270135调质10021725565036030015540Cr调质100241286750
6、550350200用于载荷较大而无很大冲击的重要轴10030024126670034019540MnB调质200241289750500335195性能接近40Cr，可作其代用品35SiMn42SiMn调质10022928980052040020510030021726975045035018535CrMo调质100207269750550390200用于重载荷的轴20Cr渗碳淬火回火60表面5060HRC650400280160用于强度、韧性及耐磨性较高的轴QT450-10160210450310160140多用于铸造形状复杂的曲轴、凸轮轴等QT600-3190270600370215185
7、 412 轴的结构图47是一个两支点的转轴结构图。轴的合理结构，除了根据受力情况设计合理的尺寸以满足强度和刚度（抵抗变形的能力）要求外，还必须满足两点要求：一是轴上零件和轴能实现可靠的定位和紧固，二是便于加工制造、装拆和调整。1零件在轴上的定位和紧固零件在轴上轴向定位和紧固可采用轴肩、弹性档圈、套筒、螺母和圆锥表面等方法。 零件在轴上的周向定位和紧固可采用键联接、花键联接（图48）、销钉联接和过盈配合等方法。 2便于轴的加工制造、装拆和调整 一根形状简单的光轴，最易于加工制造。但为了使零件在轴上装拆方便以及零件能在轴向定位，往往把轴做成阶梯形（图47），并在轴肩及轴端倒角。考虑加工方便，例如为
8、了加工螺纹和磨削轴颈，轴上应留有退刀槽和砂轮越程槽（图49）。当轴上有多个键槽时，应尽可能安排在同一直线上，使加工键槽时无需多次装夹换位。为了减少应力集中，轴肩过渡要缓和，并做成圆角。但这种圆角还须小于装配零件的圆角，零件方能靠紧轴肩（图47）。图47轴的典型结构l倒角；2，5轴肩；3套简齿轮压紧处；4弹性档圈；6平键；7套筒；8，10螺母；9圆锥表面图48花键联接42轴承 轴承的功用，一是支承轴及轴上零件，二是保持轴的旋转精度；三是减少轴与轴承接触面间的摩擦与磨损。 按照轴承工作表面的摩擦性质，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。 按照轴承所受载荷的性质，轴承又可分为三种型式：承受径向载荷的
9、向心轴承；只能承受轴向载荷的推力轴承；可以同时承受径向载荷和轴向载荷的向心推力轴承。421滑动轴承 1整体式向心滑动轴承整体式向心滑动轴承（图4一11）是在机架（或机壳）上直接制孔并在孔内镶以轴瓦做成的。它的优点是结构简单，缺点是轴颈只能从端部装拆，造成安装检修的困难；同时，轴承工作表面磨损后无法调整间隙，必须更换新的轴瓦。整体式向心滑动轴承通常用于轻载、低速或间歇性工作的机器设备中。图411整体式向心滑动轴承2剖分式向心滑动轴承图412所示为一种普通的剖分式向心滑动轴承，它主要由轴承座、轴承盖及剖分的两块轴瓦等组成。轴承座与轴承盖的剖分面做成阶梯形的配合止口，以便定位。剖分面可以放置调整垫片
10、，以便安装时或磨损后调整轴承的间隙。这种轴承克服了整体式轴承的缺点，且装拆方便，故应用较广。图412剖分式向心滑动轴承 3自动调整位滑动轴承当轴承宽度 B较大（Bd 1.5 1.75）时，由于轴的弯曲变形，或由于装配和工艺原因所引起的轴或轴承孔的倾斜，使轴瓦两端与轴颈局部接触（图413（a），致使轴瓦两端急剧磨损。此时宜采用自动调位式滑动轴承（图413（b）。这种轴承的轴瓦可绕配合球面的中心转动而自动调整位置，以保证轴瓦和轴颈的轴线一致，从而保证轴颈与轴瓦均匀接触。图413自动调位滑动轴承 4推力滑动轴承推力滑动轴承通常具有环状支承面（图414（a）。当轴向载荷较大时，可采用多环推力轴承，这时
11、轴颈上应制出相应的轴环，如图414（b）所示。图414推力滑动轴承 5轴瓦 轴瓦是滑动轴承中直接与轴颈相接触的部分，轴承工作好坏常取决于轴瓦。 （1）轴瓦的结构 常见的剖分式轴瓦结构如图415所示。轴瓦两端有凸缘，以防止它在轴承座中作轴向移动。在轴瓦上还做有油孔、油槽（图416），用于输送和分布润滑油。 通常在一般材料制成的轴瓦内壁贴附一层减摩材料，这一减磨材料层称为轴衬，如图415所示。这样的轴瓦，既具有减摩性，又具有一定的刚度。 （2）轴瓦与轴衬的材料作为轴瓦与轴衬的材料，主要要求是：具有良好的减摩、抗磨性，一定的强度，良好的导热性，易于加工。常用的轴瓦与轴衬材料有青铜、轴承合金、粉末冶金
12、（制成含油轴衬）和非金属材料（塑料、尼龙）等。图415轴瓦 图416轴瓦油槽的形式422滚动轴承 1滚动轴承的构造 如图417所示，滚动轴承由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4等组成。内、外圈上的凹槽形成滚动体圆周运动的滚道；保持架的作用是把滚动体均匀隔开，以避免它们相互摩擦和聚在一起；滚动体是滚动轴承的主体，它的大小、数量和形状与轴承的承载能力密切相关。滚动体的形状如图4一18所示，其中图（a），（b），（c），（d），(e），（f）和（g）分别表示滚球、圆柱滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、螺旋滚子、长圆柱滚子和滚针。图417滚动轴承的构造 图418滚动体的形状 l外圈；2内圈；3滚动体；4保持架
13、； 使用时，内圈装在轴颈上，外圈装人机架孔内（或轴承座孔内）。通常内圈随轴一起旋转，而外围固定不动。也有外圈随工作零件旋转而内圈固定不动。 2滚动轴承的优缺点 与滑动轴承相比较，滚动轴承的优点有：（1）摩擦阻力小，因而灵敏、效率高和发热量小，并且润滑简单，耗油量少，维护保养方便；（2）轴承径向间隙小，并且可用预紧的方法调整间隙，以提高旋转精度；（3）轴向尺寸小，某些滚动轴承可同时承受径向载荷与轴向载荷，故可使机器结构简化、紧凑；（4）滚动轴承是标准件，可由专门工厂大批生产供应，使用、更换方便。其缺点是：抗冲击性能差；高速时噪声大；工作寿命较低。 3滚动轴承的类型 通常轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角、滚动体的种类综合分为调心球轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承等。 常用的滚动轴承的类型及特性见表44。表44滚动轴承的主要类型和特点轴承类型结构简图、承载方向类型代码尺寸系列代号特 性调心球轴承1（0）2主要承受径向载荷，也可承受不大的任一方向的轴向载荷。但承受轴向载荷会形成单列滚动体受载而显著影
