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,单击此处编辑母版标题样式,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第9章 轴系零部件,9.1.1,轴的类型及设计要求,1,轴的类型,（,1,）按照受力分类, 转轴：工作时既承受弯矩又承受转矩。, 心轴：用来支撑转动零件，只承受弯矩而不传递转矩。, 传动轴：主要用于传递转矩不承受弯矩，或所承受的弯矩很小。,9.1 轴,（,2,）按照形状分类, 直轴：各旋转面具有同一旋转中心，在各种机械上广泛使用。, 挠性轴：由几层紧贴在一起的钢丝层构成，其能把旋转运动和扭矩灵活地传递到空间任何位置，但不能承受弯矩，多用于传递扭矩不大的传动装置。, 曲轴：有几根不重合的轴线，多用于往复式机械中，如各种机械的曲柄连杆机构等。,为了保证轴具有足够的工作能力，需要对其进行强度、刚度计算，以防止工作时产生不允许的断裂和变形，对高速轴还要进行振动稳定性计算，以避免产生共振。,轴是支撑在轴承上的，同时轴上装配有各种零件，除了考虑强度、刚度等问题外，还要根据加工和装配要求，合理地确定轴各部分的形状和尺寸等，这要求通过结构设计来保证,。,2设计要求,9.1.2 轴的材料, 碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较小，还可以用热处理或化学处理的办法改善其综合性能，提高其耐磨性和抗疲劳强度，加工工艺性好，所以应用较为广泛。常用的优质碳素钢有,30,、,35,、,40,、,45,，对于不重要或受力较小的轴也可采用,Q235,、,Q255,、,Q275,等普通碳素钢。, 合金钢具有比碳素钢更好的力学性能和淬火性能，但是对应力集中比较敏感，而且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求、传递大功率的轴。专用的合金结构钢有,20Cr,、,35Cr,、,20CrMnTi,、,35siMn,等。, 由于球墨铸铁和高强度铸铁具有良好的工艺性、吸振性，对应力集中不敏感，便于铸成结构形状复杂的曲轴、凸轮轴等，所以被广泛应用于形状复杂的轴。, 轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此重要的、大尺寸的轴，常用锻造毛坯。, 轴的各种热处理（如高频淬火、渗碳、氮化、氰化等）以及表面强化处理（喷丸、滚压）对提高轴的疲劳强度有显著效果。,2轴的选材原则, 螺纹轴段要有退刀槽。, 磨削段要有砂轮越程槽，退刀槽和越程槽尽可能采用同一尺寸，以便于加工和检验。, 若不同轴段均有键槽时，应布置在同一母线上，以便于装夹和铣销。, 轴端应有倒角，轴上圆角半径应小于零件孔的倒角；同时圆角和倒角也尽可能采用同一尺寸，,9.1.3 轴的加工工艺性要求,1,轴的毛坯,尺寸较小的轴可以用圆钢车制，尺寸较大的轴则需用锻造毛坯。,为了减小质量或结构需要，有一些机器的轴（如水轮机轴和航空发动机主轴等）常采用空心的截面。因为传递转矩主要靠轴的近外表面材料，所以空心轴比实心轴在材料的利用上较经济。,当外直径,d,相同时，空心轴的内直径若取为,d,0,=0.625,d,，则它的强度比实心轴削弱约,18%,，而质量却可减少,39%,。但空心轴的制造比较费力，所以必须从经济和技术指标进行全面分析才能决定是否有利。,9.1.4,轴的结构设计, 轴一般由轴头、轴身、轴颈,3,部分组成。, 轴上与传动零件或联轴器、离合器相配合的部分称为轴头。, 与轴承相配合的部分称为轴颈。, 连接轴头和轴颈的其余部分称为轴身。,2轴的结构要求, 用键连接的固定，以平键应用最广泛，平键对中性好，可用于较高精度、高转速及交变载荷作用的场合。, 用销连接的固定，在轴向、周向均可定位，过载时销被剪断以保护其他零件，不能承受较大载荷。, 紧定螺钉的固定，只能承受较小的周向力，结构简单，可兼作轴向固定，在有冲击和振动的场合应有防松装置。, 过盈配合，结构简单，对中性好，承载能力高，可同时起到轴向固定作用，不宜用于经常拆卸的场合。, 紧定套固定，能轴向调整位置，不削弱轴，多用于光轴上，可同时作轴向和周向固定。,3轴上零件的周向固定,4,轴上零件的轴向固定,1,传动轴的强度计算,圆轴扭转时，为了保证轴能正常工作，应限制轴上危险截面的最大切应力不超过材料的许用切应力,。,传动轴的许用切应力计算主要用于以下情况。, 传递以转矩为主的传动轴。, 初步估算轴径以便进行结构设计。, 不重要的轴。,2,心轴的强度计算,心轴主要是承受弯矩。心轴弯曲变形时，产生最大应力的截面为危险截面。,9.1.5,轴的强度校核计算,3,转轴的强度计算,许用弯曲应力计算必须先知道作用力的大小和作用点的位置、轴承跨距、各段轴径等参数。为此计算顺序如下。, 画出轴的空间受力简图，将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图，求出水平面上和垂直面上的支撑点反作用力。, 分别作出水平面上的弯矩图,M,xy,和垂直面上的弯矩图,M,xz,。, 作出合成弯矩,图。, 作出转矩图。, 应用弯曲应力计算公式。,设计轴的一般步骤如下。, 选择轴的材料、确定许用应力。, 按扭转强度估算轴的最小直径。, 轴的结构设计，包含以下内容。,确定轴上的零件的位置和固定方式。,确定各轴段的直径。,确定各轴段的长度。,确定其余尺寸，如键槽、倒角、圆角、螺纹退刀槽、砂轮越程槽等。, 按弯扭组合校核轴的强度。若不满足要求，必须重新修改轴的结构。, 绘制零件图。,9.1.6 轴的设计计算,9.2.1,滚动轴承,1,滚动轴承的结构,滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。,内外圈均可滚动，滚动体可在滚道内滚动；保持架的作用是使滚动体均匀分开，减少滚动体间的摩擦和磨损,。,9.2,轴承,滚动轴承中套圈与滚动体接触处的法线和垂直于轴承轴心线的平面间的夹角,称为公称接触角。滚动轴承按其所能承受的载荷方向与公称接触角的不同分为两大类。,2滚动轴承的分类,滚动轴承的类型繁多，加上同一系列中有不同的结构、尺寸精度及技术要求，为了便于组织生产和选用，国家标准中规定使用字母加数字来表示滚动轴承的类型、尺寸、公差等级和结构特点，国家标准,GB/T 2721993,滚动轴承代号方法规定了滚动轴承代号的表示方法,3滚动轴承的代号,（1）轴承内圈的固定,4滚动轴承的固定,（2）轴承外圈的固定,为了补偿受热后的伸长，保证轴承不致卡死，轴承端面与轴承盖之间应留有一定的间隙。间隙的大小影响轴承的旋转精度、使用寿命和转动零件工作的平稳性,。,5滚动轴承轴向间隙的调整, 转速较高、载荷较小、要求旋转精度高时宜选用球轴承；转速较低、载荷较大或有冲击载荷时则选用滚子轴承。, 轴承上同时受径向和轴向联合载荷，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；若径向载荷较大、轴向载荷小，可选用深沟球轴承；而当轴向载荷较大、径向载荷小时，可采用推力角接触球轴承。, 轴的中心线与轴承座孔中心线有角度误差、同轴度误差（制造与安装造成误差）或轴的变形大，以及多支点轴，均要求轴承调心性能好，应选用调心球轴承或调心滚子轴承。, 当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内、外圈可分离的轴承（如圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等）。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可选用其内圈孔为,1,12,的圆锥孔轴承。, 选轴承时要注意经济性，一般球轴承比滚子轴承便宜。,6滚动轴承类型的选择,（,1,）滚动轴承的失效,根据工作情况，滚动轴承的失效形式主要有两种。, 点蚀。滚动轴承承受载荷后，各滚动体的受力大小不同，对回转的轴承，滚动体与套圈间产生变化的接触应力，工作若干时间后，各元件接触表面上都可能发生接触疲劳磨损，出现点蚀现象，有时由于安装不当，轴承局部受载较大，更促使点蚀早期发生。, 塑性变形。在一定的静载荷或冲击载荷作用下，滚动体或套圈滚道上将出现不均匀的塑性变形凹坑。这时，轴承的摩擦力矩、振动、噪声都将增加，运转精度也降低。,7滚动轴承的失效和计算准则,（,2,）滚动轴承的计算准则,一般工作条件的回转滚动轴承，应进行接触疲劳寿命计算和静强度计算；对于摆动或转速较低的轴承，只需作静强度计算；高速轴承由于发热而造成的粘着磨损、烧伤常是突出问题，除进行寿命计算外，还需校核极限转速。,（,3,）基本额定寿命和基本额定动载荷,大部分滚动轴承是由于疲劳点蚀而失效的。轴承中任一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的工作小时数称为轴承寿命。在同一条件下运转的一组近于相同的轴承所能达到或超过某一规定寿命的百分率称为可靠度。,（,4,）当量动载荷,滚动轴承若同时承受径向和轴向联合载荷，为了计算轴承寿命时在相同条件下比较，需将实际工作载荷转化为与试验条件相当的载荷，才能和基本额定动载荷进行比较。,换算后的载荷是一种假定的载荷，故称为当量动载荷。在当量动载荷作用下，轴承寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同。,当量动载荷,P,的计算公式为：,P,=,XF,r,+,YF,a,式中，,F,r,为径向载荷，单位为,N,；,F,a,为轴向载荷，单位为,N,；,X,，,Y,为径向动载荷系数和轴向动载荷系数,。,滚动轴承的寿命随载荷增大而降低，寿命与载荷的关系曲线如图所示，其曲线方程为,式中，,P,为当量动载荷，单位为,N,；,L,10,为基本额定寿命，常以,10,6,r,为单位（当寿命为一百万转时，,L,10,=1,）；,为寿命指数，球轴承,=3,，滚子轴承,=10/3,（5）基本额定寿命的计算,（,6,）滚动轴承的静载荷计算,静载荷是指轴承套圈相对转速为零时作用在轴承上的载荷，为了限制滚动轴承在静载荷下产生过大的接触应力和永久变形，需进行静载荷计算。,静强度计算的依据是基本额定静载荷,，它指的是轴承承载区内受载最大的滚动体与滚道的接触应力达到一定值时所对应的载荷；可分为径向,和轴向,。,常用轴承的基本额定静载荷,值通常可由设计手册直接查得。,（,1,）两端单向固定,普通工作温度下的短轴，支点常采用两端单向固定的方式，每个轴承分别承受一个方向的轴向力,。,8滚动轴承的组合结构设计,（,2,）一端双向固定、一端游动,当轴较长或工作温度较高时，轴的热膨胀伸缩量大，宜采用这种方式,。,（,3,）两端游动,要求能左右双向游动的轴，可采用两端游动的轴系结构,。,滚动轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减轻磨损，也有吸振、冷却、防锈和密封等作用。合理的润滑对提高轴承性能，延长轴承的使用寿命有重要意义,。,9滚动轴承的润滑,（,1,）接触式密封, 毛毡密封。, 密封圈密封。,10滚动轴承的密封,（,2,）非接触式密封, 隙缝式密封。, 迷宫式密封。,（1）滚动轴承的配合,滚动轴承的套圈与轴和座孔之间应选择适当的配合，以保证轴的旋转精度和轴承的周向固定。因此，轴承内圈与轴颈的配合采用基孔制，轴承外圈与座孔的配合采用基轴制。,（2）滚动轴承的拆装,设计轴承组合时，应考虑有利于轴承装拆，以便在装拆过程中不至损坏轴承和其他零件。,轴承的拆卸可使用压力机或拆卸器。,11滚动轴承的配合和拆装,1,滑动轴承的类型,滑动轴承按所承受的载荷不同，分为受径向载荷的向心轴承、受轴向载荷的推力轴承和同时承受径向和轴向载荷的向心推力轴承。, 整体式向心滑动轴承。, 剖分式向心滑动轴承。, 推力滑动轴承。,9.2.2,滑动轴承,轴瓦（轴套）是滑动轴承中最重要的零件，与轴颈构成相对运动的滑动副，其结构的合理性对轴承性能有直接的影响。,对应于轴承，轴瓦的形式也做成整体式和剖分式两种结构。,剖分式轴瓦有承载区和非承载区，一般载荷向下，故上瓦为非承载区，下瓦为承载区。,为了有较高的承载性和节省贵重材料，常在轴瓦的工作表面增加一层耐磨性好的材料，称为轴承衬，形成双材料轴瓦。轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。为了使轴承衬与轴瓦结合牢固，可在轴瓦内表面开设一些沟槽。,2轴瓦结构和轴承材料,（,1,）润滑脂及其选择,润滑脂是用矿物油与各种稠化剂（钙、钠、铝等金属）混合制成。其稠度大，不易流失，承载力也比较大，但物理和化学性质不如润滑油稳定，摩擦功耗大，不宜在温度变化大或高速下使用。轴颈速度小于,2m/s,的滑动轴承可以采用脂润滑。,（,2,）润滑油及其选择,选择润滑油时主要考虑轴承工作载荷、相对滑动速度、工作温度和特殊工作环境等条件。压力大、温度高、载荷冲击变动大时选择黏度大的润滑油；滑动速度大时选择黏度较低的润滑油；粗糙或未经跑合的表面应选择黏度较高的润滑油。,3滑动轴承的润滑,（3）润滑方式和润滑装置, 手工加油润滑。, 滴油润滑。, 油环润滑。, 飞溅润滑。, 浸油润滑。, 压力循环润滑。, 脂润滑。,9.3.1,联轴器, 刚性联轴器：适用于两轴能严格对中并在工作中不发生相对位移的地方。, 弹性联轴器：适用于两轴有偏斜时的连接。,9.3,联轴器、离合器和制动器,（,1,）固定式刚性联轴器, 套筒联轴器。结构简单、径向尺寸小、制作方便，但装配拆卸时需作轴向移动，仅适用于两轴直径较小、同轴度较高、轻载荷、低转速、无振动、无冲击、工作平稳的场合。, 凸缘联轴器,。,其由两个带凸缘的半联轴器组成，两个半联轴器通过键与轴连接，用螺栓将两半联轴器联成一体进行动力传递。,1,刚性联轴器, 夹壳联轴器。由纵向剖分的两半筒形夹壳和连接它们的螺栓所组成，靠夹壳与轴之间的摩擦力或键来传递转矩。由于这种联轴器是剖分结构,。,在装卸时不用移动轴，所以使用起来很方便。夹壳材料一般为铸铁，少数用钢,。, 十字滑块联轴器。由两个端面上开有凹槽的半联轴器和一个两面上都有凸榫的十字滑块组成，两凸榫的中线互相垂直并通过滑块的轴线。, 齿式联轴器。由两个具有外齿和凸缘的内套筒和两个带内齿及凸缘的外套筒组成。用螺栓相连，外套筒内储有润滑油。,（2）可移动式刚性联轴器, 万向联轴器。由两个轴叉分别与中间的十字轴以铰链相连而成，万向联轴器两端间的夹角可达,45,。单个万向联轴器工作时，即使主动轴以等角速度转动，从动轴也可作变角速度转动，从而会引起动载荷。, 弹性套柱销联轴器。其结构与凸缘联轴器相似，也有两个带凸缘的半联轴器分别与主、从动轴相连，采用了带有弹性套的柱销代替螺栓进行连接。这种联轴器制造简单、拆装方便、成本较低，但弹性套易磨损，寿命较短，适用于载荷平稳，需正、反转或起动频繁，传递中小转矩的轴。, 弹性柱销联轴器。采用尼龙柱销将两个半联轴器连接起来，为防止柱销滑出，在两侧装有挡圈。这种联轴器与弹性套柱销联轴器结构类似，更换柱销方便，对偏移量的补偿不大，其应用与弹性套柱销联轴器类似,。,2弹性联轴器, 转矩大选择刚性联轴器、无弹性元件或有金属弹性元件的挠性联轴器；转矩有冲击振动时选择有弹性元件的挠性联轴器。, 转速高时选择非金属弹性元件的挠性联轴器。, 对中性好选择刚性联轴器，需补偿时选挠性联轴器。, 考虑装拆方便，选可直接径向移动的联轴器。, 若在高温下工作，不可选有非金属元件的联轴器。, 同等条件下，尽量选择价格低、维护简单的联轴器。,3联轴器的选择原则, 根据机器工作条件与使用要求选择合适的类型。,主要考虑的因素有：被连两轴的对中性、载荷大小及特性、工作转速、工作环境及温度等。此外，还应考虑安装尺寸的限制及安装、维护方便等。, 按轴直径计算转矩、轴的转速和轴端直径，从标准中选定型号和结构尺寸。, 必要时要对易损件进行强度校核计算。,4联轴器的选择步骤,1,牙嵌式离合器,牙嵌式离合器主要由两个半离合器组成，半离合器的端面加工有若干个嵌牙。,牙嵌式离合器结构简单、外廓尺寸小，两轴向无相对滑动，转速准确，转速差大时不易接合,。,9.3.2,离合器, 单片式摩擦离合器。主要是利用两摩擦圆盘的压紧或松开，使两接合面的摩擦力产生或消失，以实现两轴的接合或分离。其结构简单，分离彻底，但径向尺寸较大，常应用于轻型机械中。, 多片式摩擦离合器。多片式摩擦离合器有两组摩擦片，外摩擦片与外套筒，内摩擦片与内套筒，分别用花键相连。外套筒、内套筒分别用平键与主动轴和从动轴相固定。,2摩擦离合器,1,制动器的类型及特点,（,1,）按制动器的工作状态分, 常开式：经常处于松闸状态，必须施加外力才能实现制动。, 常闭式：经常处于合闸即制动状态，只有施加外力才能解除制动状态。起重机械中的提升机构常采用常闭式制动器，而各种车辆的主制动器则采用常开式。,（,2,）按操纵方式分,可分为手动、自动和混合式,3,种。,（,3,）按制动器的结构特征分, 块式制动器。, 带式制动器。,9.3.3 制动器,一般情况下，选择制动器的类型和尺寸，主要考虑以下几点：制动器与工作机的工作性质和条件相配、制动器的工作环境、制动器的转速、惯性矩等。,一些应用广泛的制动器，已标准化，有系列产品可供选择。额定制动力矩是表征制动器工作能力的主要参数，制动力矩是选择制动器型号的主要依据，所需制动力矩根据不同机械设备的具体情况确定。,2制动器的选择,
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