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1、第五章 轴系零部件,在机械中，轴、轴承、联轴器、离合器和制动器等统称为轴系零件。它们是机械的重要组成部分，其设计是否正确、选择是否合理将直接影响整台机器的工作性能。下面分别介绍它们的设计、计算和选择问题。 第一节 轴 一、轴的功用 机器工作时，其中的有些零件，如齿轮、蜗轮、带轮和链轮等需作旋转运动。这些零件通常都套装在轴上，而轴又套装在轴承上构成组件，再装到机座或机箱上。由此可见，轴一方面用来支撑旋转零件，传递运动和动力，另一方面又被轴承所支撑，是机器中必不可少的重要零件。 二、轴的类型 按轴的不同用途和受力状况，轴可以分为：心轴、传动轴和转轴三类。,第五章 轴系零部件,1心轴 只承受弯矩（支
2、撑转动零件）而不承受扭矩（不传递转矩）的轴称为心轴。当心轴随转动零件转动时称为转动心轴，如火车车轴（图5-1）；而固定不旋转的心轴称为固定心轴，如自行车轴（图5-2）。 2. 传动轴 主要传递转矩，不承受或很少承受弯矩的轴称为传动轴，如汽车的主传动轴、转向轴等（图5-3）。 3. 转轴 工作时既承受弯矩（支撑转动零件），又承受转矩（传递动力）的轴称为转轴，如减速器中的轴（图5-4）。这是机器中最常见的轴。,图5-1 转动心轴 图5-2 固定心轴,第五章 轴系零部件,按轴线情况的不同，轴还可分为直轴和曲轴（图4-5c）。直轴又分为光轴（图4-5a）和阶梯轴（图4-5b）两种。 此外，还有一些特殊
3、用途的轴，如钢丝软轴（图5-6），这种轴具有良好的挠性，它可不受限制地把旋转运动传递到空间任何位置，常用于机械式远距离控制机构、仪表传动及手持电动小型机具等。,图5-5 轴 图5-6 钢丝软轴,第五章 轴系零部件,三、轴的材料 由于轴通常需具备良好的综合机械性能，所以轴的材料常选用碳素钢和合金钢。 碳素钢 35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，常用来做轴的材料，其中45号钢用得最为广泛。为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，则可采用Q235、Q275等普通碳素结构钢。 合金钢 合金钢具有较高的机械强度和优越的淬火性能，但价格较贵，故多用于要求强度高
4、、尺寸小、重量轻及非常温下工作或有其它特殊要求的轴。 对于强度要求高、重载而无很大冲击的轴，可采用40Cr、40MnB、35SiMn、40CrNi等合金调质钢。轴进行调质处理，获得综合力学性能。 对于要求强度、韧性及耐磨性均较好的轴，可采用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢，进行渗碳、淬火及低温回火热处理。 而对于一些形状复杂的轴，如曲轴等可应用球墨铸铁制造，一方面其成本低廉，吸振性较好，另一方面球墨铸铁对应力集中的敏感性较低，且强度较好。,第五章 轴系零部件,四、轴的计算 轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种：按扭转强度计算和按弯扭组合强度计算。 1
5、按扭转强度计算 这种方法适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。 对于只传递扭矩的圆截面轴，其强度条件为 (5-1) 式中 轴的扭转切应力，单位MPa； 转矩，单位Nmm； 抗扭截面模量，单位mm3，对圆截面轴,第五章 轴系零部件,传递的功率，kW； 轴的转速，r/min； 轴径，mm； 许用扭切应力，MPa。 对于既传递扭矩又承受弯矩的轴，也可用上式初步估算轴的直径，但必须把轴的许用扭切应力 适当降低（见表5-1）以补偿弯矩对轴的影响。将降低后的许用应力代入上式，并改写为设计公式 式中 C由轴的材料和承载情况确定的常数，见表5-1； d轴的直径，mm。,(
6、5-2),第五章 轴系零部件,表5-1 常用材料的 值和C值 2按弯扭组合强度计算 对于转轴，当轴上零件的位置布置妥当后，外载荷和支承反力的作用位置即可确定，由此可作轴的受力分析及绘制弯矩图和转矩图。这时就可按弯扭组合强度计算轴径。具体计算方法参见材料力学课程有关内容。 对于一般的轴，采用式（5-2）来确定轴径就可以了；对于重要的轴，则需根据有关资料进行更精确的强度、刚度计算和校核；对于转速较高、跨度较大而刚性较小或外伸端较长的轴，则还应进行临界转速的校核计算。,第五章 轴系零部件,五、轴的结构设计 轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。主要有以下要求： 1）轴应便于加工，轴上零件
7、要易于装拆； 2）轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）； 3）各零件要牢固而可靠地相对固定； 4）改善受力状况，减小应力集中。 下面逐项讨论这些要求，并结合图5-7所示的单级齿轮减速器的高速轴加以说明。 1. 制造安装要求 为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图5-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为方便轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。,第五章 轴系零部件,图5-7 轴的结构,1. 制造安装要求 为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。对于一般剖分式箱体中的
8、轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图5-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为方便轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。,第五章 轴系零部件,轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽（图5-7中与的交界处）；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。 在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。 2. 轴上零件的定位 阶梯轴上截面变化处叫做轴肩，起轴向定位作用。在图5-7中，、间的轴肩使齿轮在轴上定位；、间的轴肩使带轮在轴上定位；、间的轴肩使右端轴承定位。 3. 轴上零件的固定 轴上零件的轴向固定，常采用轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈等
9、形式。在图5-7中，齿轮能实现双向固定。齿轮受轴向力时，向右通过、间的轴肩，并由、间的轴肩顶在滚动轴承内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承内圈上。无法采用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定，如图5-8所示。图5-7所示带轮的轴向固定是靠、间的轴肩及轴端挡圈。图5-9所示为轴端挡圈的一种型式。,第五章 轴系零部件,图5-8 双圆螺母 图5-9轴端挡圈,采用套筒、轴端挡圈、螺母作轴向固定时，应将装零件的轴段长度做得比零件轮毂短23mm。以保证套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面。 为了保证轴上零件紧 靠定位面（轴肩），轴 肩的圆角半径r必须小于 相配零件的倒角C1或圆 角半径R，轴肩高必须 大于C
10、1或R（图5-10）,图5-10轴肩和圆角,第五章 轴系零部件,轴向力较小时，零件在轴上 的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉（图5-11）。 轴上零件的周向固定，大多采用键、花键或过盈配合等联接形式。采用键联接时，为加工方便，各段轴的键槽应设计在同一加工直线上，并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。如（图5-12）所示。 4减少应力集中 零件截面发生突然变化的地方，受载后都会造成应力集中现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，并尽量避免在轴上、特别是应力大的部位开横孔、切口或凹槽。必须开横孔时，孔边要倒角。,图5-11 弹性挡圈和紧定螺钉 图5-12 键槽分布,第五章 轴系零部件,
11、六、轴的设计步骤 为了保证轴的正常工作，轴必须具有足够的强度、刚度、表面硬度、合理的结构和良好的工艺性。 设计轴的一般步骤是： 1）受力分析； 2）选择材料和热处理； 3）按扭转强度估算最小直径； 4）进行轴的结构设计,确定轴的各段直径、长度,画出结构草图； 5）按弯、扭组合作用验算轴的强度和刚度； 6）绘制轴的工作图(零件图)。,第五章 轴系零部件,第二节 轴 承 一、轴承的功用与分类 1轴承的功用 轴工作时大多数要作旋转运动，因此轴承是用来支撑轴及轴上回转零件，使轴能实现旋转运动的部件。 2轴承的分类 按轴承能承受载荷的方向，可分为可承受径向载荷的向心轴承、可承受轴向载荷的推力轴承和既可承
12、受径向载荷又能承受轴向载荷的向心推力轴承。 按轴承工作时的摩擦性质，可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。 与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点，其缺点是抗冲击能力差，高速时出现噪声，工作寿命也不及滑动轴承。虽然滚动轴承具有一系列优点，获得广泛应用，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合，滑动轴承就显示出它的优异性能。因而，在汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机,第五章 轴系零部件,中多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也常常采用滑动轴承。 滚动轴承是标准件，
13、有专门工厂生产供应。一般滑动轴承也有标准，因此，使用者的任务主要是了解它们的结构、类型、特点等，以便合适地选用。 二、滑动轴承 如图5-13所示，滑动轴承主要由轴承座1（或壳体）和轴瓦2所组成。图5-13a 为承受径向力的向 心轴承，图5-13b 为承受轴向力的推 力轴承，图5-13a 为同时承受径向力 和轴向力的向心推 力轴承。,a） b） c） 图5-13 滑动轴承结构简图 1轴承座 2轴瓦,第五章 轴系零部件,为了减小轴瓦与轴颈表面之间的摩擦力，减轻表面磨损，以保持机器的工作精度，必须在滑动轴承内加入润滑剂，对滑动表面进行润滑。 一般来说，滑动轴承的润滑可能有两种状态：非液体摩擦状态和液
14、体摩擦状态。 非液体摩擦状态如图5-14a所示，在轴颈1和轴瓦2的表面之间形成一层极薄的不完全的油膜，它使轴颈与轴瓦表面有一部分隔开，但还有 一部分直接接触。这 时，滑动面间的摩擦 力大为减小，一般滑 动轴承中的摩擦都处 在这种状态。,图5-14 滑动轴承的润滑状态 a）非液体摩擦状态 b）液体摩擦状态 1轴颈 2轴瓦,第五章 轴系零部件,液体摩擦状态如图5-14b所示，在轴颈1和轴瓦2的表面之间形成一层较厚的油膜，将两相对滑动的表面完全隔开。这时一种理想的润滑状态，它使滑动表面之间的摩擦和磨损降低到最小的程度。为了获得完全的液体摩擦状态，有如下两种方法： 1）动压法 利用油的粘度和轴颈的高速
15、旋转，把润滑油带进轴承的楔形空间（图5-15），形成一个压力油楔而把两摩擦面分开，这种轴承称为液体动压 轴承。 2）静压法 来自油泵的压力经过 节流阀（一种液压元件）后进入轴 承油腔（图5-16），将两摩擦表面 分开，这种轴承称为液体静压轴承。,图5-15 液体动压轴承原理,第五章 轴系零部件,图5-16 液体静压轴承原理 滑动轴承的结构形式甚多，此处介绍两种有标准可查的向心滑动轴承。,第五章 轴系零部件,1整体式滑动轴承 图5-17所示为典型的整体式滑动轴承。它是由轴承座和轴瓦组成。 整体式滑动轴承的特点是结构简单、制造成本低，但无法调整轴颈与轴承孔之间的间隙，当轴瓦磨损到一定程度后，必须更
16、换。此外，在安装和拆卸时只能沿轴向移动轴或轴承才能装拆，很不方便。所以，一般应用于低速、载荷不大及间歇工作而不需要经常装拆的场合，如绞车、手动起重机等。 2剖分式滑动轴承 图5-18所示为典型的剖分式滑动轴承。它是由轴承座、轴承盖、剖分的上、下轴瓦及螺栓等组成。为了使润滑油能够较均匀地分布在整个工作面上，通常在轴瓦不承受载荷的表面上开出油沟和油孔。油沟的形式很多，如图5-19所示。在上、下两半轴瓦之间的结合面上放上几片垫片，这样在轴瓦磨损以后，可按磨损程度调整垫片厚度，使轴颈与轴瓦之间保持适当的间隙。因此，剖分式滑动轴承的最大特点是能够调整轴颈与轴瓦之间的间隙和安装方便，因此得到广泛应用。,第五章 轴系零部件,图5-17 整体式滑
