第五章機械基礎(chǔ)

1、第第5 5章章 機械零件機械零件 第五章 機械零件 5.1 5.1 軸軸 軸是組成機器的重要零件之一，主要功用 是支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運動和動力。 一、軸的分類一、軸的分類 根據(jù)承受載荷不同分類根據(jù)承受載荷不同分類： 1 1）轉(zhuǎn)軸）轉(zhuǎn)軸 同時承受扭矩和彎曲載荷的作用， 例如齒輪減速器中的軸。 2 2）心軸）心軸 只需承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)距，例如鐵路 車輛 的軸、自行車的前軸等。按軸旋轉(zhuǎn)與否分 為轉(zhuǎn)動心軸和固定心軸兩種， 3 3）傳動軸）傳動軸 只承受扭矩而不承受彎矩或承受彎矩較小 的軸。例如圖所示的汽車傳動軸。 2 2、根據(jù)軸線的形狀不同分類根據(jù)軸線的形狀不同分類 二、軸的材料二、軸的材料 由于軸

2、工作時產(chǎn)生的應(yīng)力多為變應(yīng)力，所以軸 的失 效多為疲勞損壞，因此軸的材料應(yīng)具有足夠 的疲勞強度、 較小的應(yīng)力集中敏感性和良好的加 工性能等。 曲路傳遞運動或動力 可以穿過鋼絲軟軸：具有撓性， 旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動曲軸：通過連桿可以把 根據(jù)需要可制成空心軸 階梯軸 光軸 直軸 按軸線形狀分類 軸的主要材料是碳鋼和合金鋼。 1、碳鋼：價格低廉，對應(yīng)力集中的敏感性較低，可 以利用熱處理提高其耐磨性和抗疲勞強度。常用的有 35、40、45、50鋼。 2、合金鋼：對于要求強度較高、尺寸較小或有其它 特殊要求的軸，可以采用合金鋼材料。耐磨性要求較 高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金鋼；要求 較

3、高的軸可以使用40Cr 3、對于形狀復(fù)雜的軸，如曲軸、凸輪軸等，也采用 球墨鑄鐵或高強度鑄造材料來進行鑄造加工，易于得 到所需形狀，而且具有較好的吸振性能和好的耐磨性， 對應(yīng)力集中的敏感性也較低。 二、保證軸二、保證軸 上零件的準(zhǔn)確定位上零件的準(zhǔn)確定位 1 1、軸向定位、軸向定位 1）軸肩與軸環(huán)定位 方便可靠、不需要附加零件， 能承受的軸向力大；。這種方法 廣泛用于各種軸上零件的定位。 為了保證零件與定位面靠緊， 軸上過渡圓角半徑應(yīng)小于零件 圓角半徑或倒角，一般定位高 度取為（0.070.1）d ，軸環(huán) 寬度b = 1.4h 。 2）套筒定位 可以簡化軸的結(jié)構(gòu)，減小應(yīng) 力集中結(jié)構(gòu)簡單、定位可靠

4、。 多用于軸上零件間距離較小的 場合。但由于套筒與軸之間存在 間隙，所以在高速情況下不宜使用。 3）彈性擋圈定位 結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、裝拆方便， 但受力較小，且軸上切槽會引起 應(yīng)力集中，常用于軸承的定位。 4）軸端擋圈 工作可靠，能夠承受較大的軸向力，應(yīng)用廣泛。 2 2、周向定位、周向定位 軸上零件的周向定位方法主要有鍵（平鍵、半圓鍵、 楔鍵等）、花鍵、型面、過盈等等 1）平鍵聯(lián)接 制造簡單、裝拆方便。用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大，對 中性要求一般的場合，應(yīng)用最為廣泛。 2）花鍵聯(lián)接 承載能力高，定心好、導(dǎo)向性好，但制造較困難， 成本較高。 適用于傳遞轉(zhuǎn)矩較大，對中性要求較高或零件在 軸上移動時要求導(dǎo)向性良好

5、的場合。 3）過盈配合 結(jié)構(gòu)簡單、定心好、承載能力高和在振動下能可 靠的工作。但裝配困難，且對配合尺寸的精度要求 較高 4）銷聯(lián)接 用于固定不太重要、受力不大，但同時需要周向 或軸向固定的零件。 三、軸的結(jié)構(gòu)工藝性三、軸的結(jié)構(gòu)工藝性 軸的形狀應(yīng)簡單、便于加工。一根軸上的圓角應(yīng) 盡可能取相同的半徑，退刀槽取相同的寬度，倒角 尺寸相同；一根軸上各鍵槽應(yīng)開在同一母線上，以 減少換刀次數(shù)和調(diào)整次數(shù)。 需要磨削的軸段，應(yīng)該留有砂輪越程槽，需要切 制螺紋的軸段，應(yīng)留有退刀槽 ，為了便于裝配，軸 端應(yīng)加工出倒角。 四、減小應(yīng)力集中四、減小應(yīng)力集中 軸上的應(yīng)力集中會嚴重削弱軸的疲勞強度，所以 應(yīng)該在軸剖面發(fā)生

6、突變的地方制成適當(dāng)?shù)倪^渡圓角 ； 相鄰兩軸段直徑差不宜過大等措施。此外改善軸的 表面質(zhì)量降低表面粗糙度可以提高軸的疲勞強度 5.2 5.2 鍵聯(lián)接鍵聯(lián)接 一、鍵聯(lián)接的類型一、鍵聯(lián)接的類型 兩大類型： 1類：松鍵聯(lián)接1）平鍵；2）半圓鍵；3）花鍵 平鍵普通平鍵；導(dǎo)向鍵與滑鍵。 普通平鍵： A型、B型、C型 2類：緊鍵聯(lián)接 1）楔鍵聯(lián)接；2）切向鍵聯(lián)接 1 1平鍵聯(lián)接平鍵聯(lián)接 其特點是：鍵的兩側(cè)面是工作面，靠鍵與鍵槽 的側(cè)面擠壓來傳遞扭矩； 平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中良 好優(yōu)點。 采用B型平鍵時，軸上的鍵槽用盤銑刀銑出， 鍵槽兩的應(yīng)力集中較小。C型平鍵常用于軸 端的聯(lián)接。 導(dǎo)向平鍵用于動

7、聯(lián)接，其特點是鍵較長， 鍵與輪轂的鍵槽采用間隙配合，故輪轂可 以沿鍵作軸向滑動 2 2半圓鍵聯(lián)接半圓鍵聯(lián)接 半圓鍵聯(lián)接，軸上鍵槽用尺寸與 半圓鍵相同的半圓鍵銑刀銑出，因 而鍵在槽中能繞其幾何中心擺動以 適應(yīng)轂上鍵槽的傾斜度。半圓鍵用 于靜聯(lián)接，其兩側(cè)面是工作面。其 優(yōu)點是工藝性好，缺點是軸上的鍵 槽較深，對軸的強度影響較大，所 以一般多用于輕載情況的錐形軸端 聯(lián)接 3 3楔鍵聯(lián)接楔鍵聯(lián)接 楔鍵聯(lián)接的特點是：鍵的上下兩面是 工作面，鍵的上表面和輪轂鍵槽底部各有1： 100的斜度。工作時，主要靠鍵、軸和轂之 間的摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩，其缺點：是楔緊后， 軸和輪轂的配合產(chǎn)生偏心和傾斜。因此主 要用于定心精

8、度要求不高和低速的場合。 三、三、花鍵聯(lián)接花鍵聯(lián)接 由軸和輪轂孔周向均布的 多個鍵齒構(gòu)成的聯(lián)接稱為 花鍵聯(lián)接。在工作時，靠 側(cè)面的擠壓傳遞扭矩。與 普通平鍵相比具有承載力 高、軸和轂受力均勻、定 心性和導(dǎo)向性好等優(yōu)點。 但加工需要專用設(shè)備和工 具，成本較高。 5.3軸承 軸承是機器中支承軸作回轉(zhuǎn)運動的部件。 根據(jù)摩擦性質(zhì)，軸承可分為滑動軸承和滾動 軸承。 5.3.1 5.3.1 滑動軸承概述滑動軸承概述 一、滑動軸承類型： 按承載：向心軸承（受Fr）；推力軸承（受Fa） 按潤滑狀態(tài)：流體潤滑軸承；非流體潤滑軸承；無潤 軸承（不加潤滑劑） 二、滑動軸承的特點 優(yōu)點：1）承載能力高； 2）工作平穩(wěn)

9、可靠、噪聲低； 3）徑向尺寸??； 4）精度高； 5）流體潤滑時，摩擦、磨損較??； 6）油膜有一定的吸振能力 1）非流體摩擦滑動軸承、摩擦較大，磨損嚴重。 2）流體摩擦滑動軸承在起動、行車、載荷、轉(zhuǎn)速比 較大的情況下難于實現(xiàn)流體摩擦； 3）流體摩擦、滑動軸承設(shè)計、制造、維護費用較高。 三、應(yīng)用： 1）轉(zhuǎn)速特高或特低；2）對回轉(zhuǎn)精度要求特別高的軸； 3）承受特大載荷；4）沖擊、振動較大時；5）特 殊工作條件下的軸承；6）徑向尺寸受限制或軸承 要做成剖分式的結(jié)構(gòu) 例：機床、汽輪機、發(fā)電機、軋鋼機、大型電機、 內(nèi)燃機、鐵路機車、儀表、天文望遠鏡等。 一、徑向滑動軸承一、徑向滑動軸承 徑向滑動軸承可以分

10、為整體式和剖分式（對開式） 兩大類。 1 1、整體式徑向滑動軸承、整體式徑向滑動軸承 整體式滑動軸承由軸承 座和軸承套組成。軸承套壓 裝在軸承座孔中，一般配合 為H8/s7。軸承座用螺栓與 機座聯(lián)接，頂部設(shè)有安裝注油油杯的螺紋孔。軸套 上開有油孔，并在其內(nèi)表面開油溝以輸送潤滑油。 這種軸承結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低，但當(dāng)滑動表面磨損后 無法修整。所以，整體式滑動軸承多用于低速、輕載 和間歇工作的場合。 2 2、部分式滑動軸承、部分式滑動軸承 是由軸承蓋、軸承座、剖分 軸瓦和螺栓組成。正滑動軸承 軸承座水平剖分為軸承座和軸 承蓋兩部分，并用二（或四） 個螺栓聯(lián)接。為了防止軸承蓋 和軸承座橫向錯動和便于

11、裝配時對中，軸承蓋和軸承座 的剖分面做成階梯狀。 對開式滑動軸承在裝拆軸時，軸頸不需要軸向移動， 裝拆方便。另外，適當(dāng)增減軸瓦剖分面間的調(diào)整墊片， 可以調(diào)節(jié)軸頸與軸承之間的間隙。 3 3、自動調(diào)心軸承、自動調(diào)心軸承 軸承的結(jié)構(gòu)特點是軸瓦 的外表面做成凸形球面，與軸 承蓋及軸承座上的凹形球面箱 配合，當(dāng)軸變形時，軸瓦可隨 軸線自動調(diào)節(jié)位置，從而保證 軸頸和軸瓦為球面接觸。 二、推力滑動軸承二、推力滑動軸承 推力滑動軸承用于承受軸向載荷。它由軸 承座、套筒、徑向軸瓦、止推軸瓦所組成。 相對滑動端面通常采用環(huán)狀 端面。當(dāng)載荷較大時，可采用多 環(huán)軸頸，這種結(jié)構(gòu)能夠承受雙向 軸向載荷。 三、軸承材料三、

12、軸承材料 滑動軸承的主要失效形式有：磨粒磨損、刮傷、 膠合、疲勞剝落等。 軸承材料性能應(yīng)著重滿足以下主要要求： 1）良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性 2）良好的順應(yīng)性，嵌入性和磨合性 3）足夠的強度和必要的塑性 4）良好的耐腐蝕性、熱化學(xué)性能（傳熱性和 熱膨脹性）和調(diào)滑性（對油的吸附能力） 5) 良好的工藝性和經(jīng)濟性等 常用材料有常用材料有: : 1 1）軸承合金（通稱巴氏合金或白合金）軸承合金（通稱巴氏合金或白合金） 軸承合金是錫、鉛、銻、銅的合金，它以錫或鉛作為基 體，其內(nèi)含有銻錫（Sb-Sn）或銅錫（Cu-Sn）的硬晶粒。 硬晶粒起抗磨作用，軟基體則增加材料的塑性。軸承合金 適用于重載、中

13、高速場合，價格較貴。 2 2）銅合金）銅合金 銅合金具有較高的強度，較好的減磨性和耐磨性，是最常 用的材料。 錫青銅減摩、耐磨性最好，應(yīng)用較廣，強度比軸 合金高，適于重載、中速 鉛青銅抗膠合能力強，適于高速、重載 鋁青銅強度及硬度較高，抗膠合性差，適于低速、 重載傳動 3 3）鑄鐵：）鑄鐵： 灰鐵；球鐵（中有游離的石墨能有潤滑作用） 性能較好，適于輕載、低速，不受沖擊的場合。 4 4）多孔質(zhì)金屬材料）多孔質(zhì)金屬材料 這是不同金屬粉末經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的軸承材 料。這種材料是多孔結(jié)構(gòu)的，孔隙約占體積的10 35。使用前先把軸瓦在加熱的油中浸漬數(shù)小 時，使孔隙中充滿潤滑油，因而通常把這種材料制 成的

14、軸承稱為含油軸承。它具有自潤滑性。 5 5）非金屬材料）非金屬材料 非金屬材料中應(yīng)用最廣的是各種塑料，如酚醛 樹脂、 尼龍、聚四氟乙烯等。聚合物的特性是：與許多化 學(xué)物質(zhì)不起反應(yīng)，抗腐蝕性好。 1 1 概述概述 標(biāo)準(zhǔn)件標(biāo)準(zhǔn)件 1.1 構(gòu)造構(gòu)造 內(nèi)圈：一般隨軸轉(zhuǎn)動，有滾道，限制滾動體的側(cè)向移動內(nèi)圈：一般隨軸轉(zhuǎn)動，有滾道，限制滾動體的側(cè)向移動 外圈：一般不轉(zhuǎn)動，有滾道，限制滾動體的側(cè)向移動外圈：一般不轉(zhuǎn)動，有滾道，限制滾動體的側(cè)向移動 滾動體：核心元件，在滾道中產(chǎn)生滾動摩擦有球、圓柱磙子、圓滾動體：核心元件，在滾道中產(chǎn)生滾動摩擦有球、圓柱磙子、圓 錐磙子等錐磙子等 保持架：將滾動體均勻分開，避免相

15、互碰撞，減小磨損（如果滾保持架：將滾動體均勻分開，避免相互碰撞，減小磨損（如果滾 動體接觸，速度方向相反，是兩倍），減少發(fā)熱動體接觸，速度方向相反，是兩倍），減少發(fā)熱 球球 滾子滾子 圓柱滾子圓柱滾子 滾針滾針 鼓形滾子鼓形滾子 圓錐滾子圓錐滾子 非對稱鼓形滾子非對稱鼓形滾子 螺旋滾子螺旋滾子 5.3.2 5.3.2 滾動軸承滾動軸承 1.2 1.2 材料材料 內(nèi)圈、外圈、滾動體：軸承鉻鋼GCr15， 硬度 6065 HRC 保持架：低碳鋼；銅、鋁、工程塑料 1.3 1.3 優(yōu)缺點優(yōu)缺點 摩擦小，效率高摩擦小，效率高 徑向游隙小，運轉(zhuǎn)精度高徑向游隙小，運轉(zhuǎn)精度高 寬度小，結(jié)構(gòu)緊湊寬度小，結(jié)構(gòu)緊

16、湊 大多可受軸向和徑向載荷，結(jié)構(gòu)簡單大多可受軸向和徑向載荷，結(jié)構(gòu)簡單 易于維護，易于更換易于維護，易于更換 標(biāo)準(zhǔn)件，成本低標(biāo)準(zhǔn)件，成本低 承受沖擊載荷能力差承受沖擊載荷能力差 壽命較低，徑向尺寸大壽命較低，徑向尺寸大 2 滾動軸承的類型和選擇滾動軸承的類型和選擇 2.1 滾動軸承的類型滾動軸承的類型 公稱接觸角公稱接觸角：向心推力軸承滾動體與外圈接觸處的法：向心推力軸承滾動體與外圈接觸處的法 線與半徑方向的夾角線與半徑方向的夾角 滾針軸承：用于徑向尺寸受限的場合滾針軸承：用于徑向尺寸受限的場合P365圖圖18.5 類型：見下頁類型：見下頁，性能和特點性能和特點P360表表18.1 N N 向心

17、軸承向心軸承 徑向接觸軸承徑向接觸軸承 向心角接觸軸承向心角接觸軸承 0 0 主要承受主要承受 r F 球軸承亦能承受較小球軸承亦能承受較小 a F 同時承同時承 受受 r F a F 和和 00 450 ：滾動體同外圈滾道接觸滾動體同外圈滾道接觸 點的法線與垂直于軸承軸心點的法線與垂直于軸承軸心 線的平面之間的夾角線的平面之間的夾角 推力軸承推力軸承 推力角接觸軸承推力角接觸軸承 軸向接觸軸承軸向接觸軸承 00 9045 r F也承受較小也承受較小 主要承受主要承受 a F 0 90 a F 只能承受只能承受 軸向承載能力軸向承載能力 按公稱接觸角按公稱接觸角 分類分類 18.2.2 滾動軸

18、承類型的選擇滾動軸承類型的選擇 轉(zhuǎn)速：高轉(zhuǎn)速選球軸承，低轉(zhuǎn)速大載荷選磙子軸承轉(zhuǎn)速：高轉(zhuǎn)速選球軸承，低轉(zhuǎn)速大載荷選磙子軸承 載荷：同時受徑向和軸向載荷選角接觸軸承或磙子軸承，主要受徑向載載荷：同時受徑向和軸向載荷選角接觸軸承或磙子軸承，主要受徑向載 荷則選深溝球，推力大選推力角接觸軸承荷則選深溝球，推力大選推力角接觸軸承 軸承內(nèi)、外圈間的傾斜角要控制在允許范圍軸承內(nèi)、外圈間的傾斜角要控制在允許范圍 為便于裝拆可選用內(nèi)外圈分離型為便于裝拆可選用內(nèi)外圈分離型 經(jīng)濟上球軸承比磙子軸承便宜經(jīng)濟上球軸承比磙子軸承便宜 球軸承球軸承 滾子軸承滾子軸承 高速、輕載高速、輕載 低速、重載低速、重載 后置代號后置

19、代號 特殊材料 特殊結(jié)構(gòu) C15 AC25 B 40 公差/P2、4、5、6、 6x、0 游隙/C1、2、0、3、 4、50 例:7211C/P5 基本代號基本代號 五 四 三 二 一 類型 內(nèi)徑20480 直徑系列2輕輕3中中4重重 寬度系列多數(shù)正常系列可不標(biāo)多數(shù)正常系列可不標(biāo) 前置代前置代 號號 分部件： 內(nèi)圈L 外圈 保持架 K 滾動體 角接觸球軸承、正常寬度、輕系列、直徑55、接觸角15 5級精度；常用游隙。 3 3滾動軸承代號滾動軸承代號 尺寸系列見P367 軸承內(nèi)徑代號見P368表18.3及其中 的例子 前置代號見p369 后置代號見p369(注意配置代號) 背對背(寬邊對寬邊)、

20、面對面、串聯(lián)（P369） 4 滾動軸承的力分析、失效和計算準(zhǔn)則滾動軸承的力分析、失效和計算準(zhǔn)則 4.1 向心軸承中作用力的分布向心軸承中作用力的分布 推力軸承可以認為載荷平均分擔(dān)，徑向軸承則不然 推力軸承 F0 =Fa /z 向心軸承，在載荷Fr 的作用下, 根據(jù)變形關(guān)系，中間滾動體受力 最大，向兩邊逐漸減小 ) 39 (/6 . 4 ) 29 (/5: max max zFF zFF r r 滾子： 球 ：假設(shè)下半圈滾動體受力 Fa 4.2 角接觸軸承中的附加軸向力角接觸軸承中的附加軸向力 角接觸軸承受徑向力時會產(chǎn)生附加軸向力，計算方法見角接觸軸承受徑向力時會產(chǎn)生附加軸向力，計算方法見P37

21、1表表 18.4 由于會產(chǎn)生軸向力，方向由寬邊指向窄變，故應(yīng)配對使用由于會產(chǎn)生軸向力，方向由寬邊指向窄變，故應(yīng)配對使用 4.3 滾動軸承的失效滾動軸承的失效 點蝕、塑性變形、磨損、元件破裂點蝕、塑性變形、磨損、元件破裂 控制動載荷控制動載荷 控制靜載荷控制靜載荷 動載荷動載荷引起點蝕引起點蝕 limHH 靜載荷靜載荷引起塑性變形引起塑性變形 S 失效形式失效形式計算準(zhǔn)則計算準(zhǔn)則 控制動載荷控制動載荷 控制靜載荷控制靜載荷 疲勞壽命計算疲勞壽命計算 靜強度校核靜強度校核 計算準(zhǔn)則：接觸疲勞壽命計算和靜強度計算，低速軸承可僅僅做 靜強度計算 5 5 滾動軸承的動載荷和壽命計算滾動軸承的動載荷和壽命

22、計算 5.1 基本額定動載荷和基本額定壽命基本額定動載荷和基本額定壽命 軸承壽命：軸承出現(xiàn)點蝕時運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速或小時數(shù)，單個軸承的壽單個軸承的壽 命不能作為同型號的一批軸承的壽命命不能作為同型號的一批軸承的壽命 基本額定壽命 ：一批相同的軸承中90的軸承不發(fā)生疲勞點蝕前 的總轉(zhuǎn)數(shù)（以106為單位）或小時數(shù)?；绢~額定壽命用 L10或 L10h 來表示。（一批相同軸承在試驗條件下，一批相同軸承在試驗條件下，10%的軸承發(fā)生的軸承發(fā)生 疲勞點蝕時所達到的壽命，對單個軸承而言，能達到此壽命的可疲勞點蝕時所達到的壽命，對單個軸承而言，能達到此壽命的可 靠度為靠度為 ） 基本額定動載荷：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基本額定壽

23、命等于106轉(zhuǎn)時軸承所 能承受的載荷稱為基本額定動載荷，用符號Co表示，也就是說在 基本額定動載荷下，軸承可以工作106轉(zhuǎn)，而不點蝕,其可靠度為 。該值越大，承載能力越強。 基本額定動載荷基本額定動載荷 C 軸向軸向 a C 向心軸承向心軸承 純徑向載荷純徑向載荷 推力軸承推力軸承 純軸向載荷純軸向載荷 徑向徑向 r C 5.2 當(dāng)量動載荷：將同時受徑向力和軸向力的軸承力當(dāng)量動載荷：將同時受徑向力和軸向力的軸承力轉(zhuǎn)化 為一個計算載荷，在該載荷作用下的軸承壽命與實際相同 計算公式：P=XFr+YFa X、Y徑向和軸向動載荷系數(shù)見P374表18.7 5.3 基本額定壽命計算 PL10=常數(shù) 載荷壽命曲線（6208） )99(10)( 6 10 r P C L 3/10 3 滾子 球軸承 壽命指數(shù)： )( 10 P C L )( 60 10 6 10 P C n L h N Ln PC h 6 10 60 一磙子軸承，=10/3 問：P變?yōu)?P，C變?yōu)?C及n變?yōu)?n時,L10有何變化，如果同時將P變?yōu)?P， n變?yōu)?n時L10有何變化？ 解： 1、P變?yōu)?P 2、C變?yōu)?C 3、n變?yōu)?n 10 3 10 3 10 10 10 1 2 1 2 L P C P C P C L 1