【正文】 起支持作用的零部件稱為支承零部件。而且有很多的軸上零件需要彼此聯(lián)接，它們的性能互相影響，所以將軸及軸上零部件統(tǒng)稱為軸系零部件。 軸的設(shè)計(jì) 概述軸是組成機(jī)器的重要零件，其功用是支承旋轉(zhuǎn)零件（如齒輪、帶輪等） ，并傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。根據(jù)受載情況，軸可分為三類：(1)心軸。承受彎矩（M） ，不傳遞轉(zhuǎn)矩（T）的軸，如圖 ）所示自行車前輪軸（固定心軸）和圖 ）所示火車車輪軸（轉(zhuǎn)動(dòng)心軸） 。(2)傳動(dòng)軸。以傳遞轉(zhuǎn)矩為主，不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，如汽車的傳動(dòng)軸（圖 ） 。(3)轉(zhuǎn)軸。既傳遞轉(zhuǎn)矩，又承受彎矩的軸，如圖 所示的齒輪軸。2.軸的材料軸的失效多為疲勞破壞，所以軸的材料應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、耐磨性等方面的要求， 圖 汽車的傳動(dòng)軸 圖 齒輪軸 a） b）圖 固定心軸和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸 28 常用的材料有：1).碳素鋼。對(duì)較重要或傳遞載荷較大的軸，常用 345 和 50 號(hào)優(yōu)質(zhì)碳素鋼，其中 45 鋼應(yīng)用最廣泛。這類材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等都比較好。進(jìn)行調(diào)質(zhì)或正火處理可提高其機(jī)械性能。對(duì)不重要或傳遞載荷較小的軸，可用 Q23Q275 等普通碳素鋼。2).合金鋼。合金鋼具有較好的機(jī)械性能和淬火性能。但對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，價(jià)格較高，多用于有特殊要求的軸，如要求重量輕或傳遞轉(zhuǎn)矩大而尺寸又受到限制的軸。常用的低碳合金鋼有 20Cr、20CrMnTi 等，一般采用滲碳淬火處理，使表面耐磨性和芯部韌性都較好。合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多，故不宜用合金鋼來(lái)提高軸的剛度。3).球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有價(jià)廉、吸振性好、耐磨，對(duì)應(yīng)力集中不敏感，容易制成復(fù)雜形狀的軸等特點(diǎn)。但品質(zhì)不易控制，可靠性差。 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是根據(jù)工作條件，確定軸的合理外形，各段軸徑和長(zhǎng)度以及全部結(jié)構(gòu)尺寸。為了便于裝拆，一般的轉(zhuǎn)軸均為中間大、兩端小的階梯軸。軸與軸承配合處的軸段稱為軸頸，安裝輪轂的軸段稱為軸頭，軸頭與軸頸間的軸段稱為軸身。階梯軸上截面尺寸變化的部位，稱為軸肩和軸環(huán)。軸肩和軸環(huán)常用于軸上零件的定位。齒輪由右方裝入，依靠軸環(huán)限定軸向位置，右端的聯(lián)軸器和左端的軸承靠軸肩定位。為了固定軸上的零件，軸上還設(shè)有其他相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如右端制有安裝軸端擋圈用的螺紋孔；軸上開有鍵槽，通過(guò)鍵聯(lián)接實(shí)現(xiàn)齒輪的周向固定。為便于加工和裝配，軸上還常設(shè)有倒角、中心孔和退刀槽等工藝結(jié)構(gòu)。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：①軸上零件定位準(zhǔn)確，固定可靠；②軸上零件便于裝拆和調(diào)整；③具有良好的制造工藝性；④盡量減少應(yīng)力集中。軸的結(jié)構(gòu)形式取決于軸上零件的裝配方案。應(yīng)擬定幾種不同的裝配方案，以便進(jìn)行比較與選擇，以軸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，軸上零件少為佳。初步設(shè)計(jì)時(shí)，還不知道軸上支反力的作用點(diǎn)，故不能按軸的彎矩計(jì)算軸徑。通常按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)初步估算軸的最小直徑，求得最小直徑后可按擬訂的裝配方案，從最小 29 直徑起逐一確定各段軸的直徑和長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮各軸徑應(yīng)與裝配在該軸段上的傳動(dòng)件、標(biāo)準(zhǔn)件的孔相匹配。軸的各段長(zhǎng)度可根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸確定。為保證軸向定位可靠，軸頭長(zhǎng)一般比與之配合的輪轂長(zhǎng)縮短 2～3mm。軸上零件的軸向定位及固定的方式常用軸肩、軸環(huán)、鎖緊擋圈、套筒、圓螺母和止動(dòng)墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈等。軸上零件常用的周向固定方法有鍵聯(lián)接、銷聯(lián)接以及過(guò)盈配合、成型聯(lián)接等，力不大時(shí)，也可采用緊定螺釘作為周向固定方法。各種固定方法如圖（714）所示：軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)便于加工和裝配。如為了便于切削加工，一根軸上的圓角應(yīng)盡可能取相同半徑；退刀槽或砂輪越程槽盡可能取相同寬度；一根軸的各軸段上的鍵槽應(yīng)開在同一母線上。為了便于裝配，軸端應(yīng)加工倒角。1).改進(jìn)軸的結(jié)構(gòu)，降低應(yīng)力集中。應(yīng)力集中多產(chǎn)生在軸截面尺寸發(fā)生急劇變化的地方，要降低應(yīng)力集中，就要 盡量減緩截面尺寸的變化。直徑變化處應(yīng)平 滑過(guò)渡，制成半徑盡可能大的圓角；軸上盡可能不開槽、孔及制螺紋，以免削弱軸的強(qiáng)度；為了減小過(guò)盈配合處的應(yīng)力集中，可采用卸荷槽（圖 ） 。2).提高軸的表面質(zhì)量。因疲勞裂紋常發(fā)生在軸表面質(zhì)量差的地方，故提高軸的表面質(zhì)量有利于提高軸 圖 缷荷槽 a)鍵聯(lián)接 b)銷聯(lián)接 c)成型聯(lián)接圖 軸上零件的周向固定 30 的強(qiáng)度。除控制軸的表面粗糙度外，還可采用表面強(qiáng)化處理，如滲碳、碾壓、噴丸等方法。3).改變軸上零件的位置，減小載荷。如圖 所示，軸上轉(zhuǎn)矩需由兩輪輸出，輸入輪 1 宜置于兩輸出輪 2 和 3 中間。此時(shí)軸的最大扭矩為 T2（圖 b 所示） 。 軸的強(qiáng)度計(jì)算已知：齒輪軸輸出功率 ，?????所以：,wpTNmn??? （71）。tTFNd??? （72）。r?? ?? （73）。costaF??開始設(shè)計(jì)軸時(shí)，由于軸上零件的位置和兩軸承間的距離通常尚未確定，故對(duì)軸所承受的彎矩就無(wú)法進(jìn)行計(jì)算，只能先按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑（根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸與其相配的孔圓整） ，再進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由材料力學(xué)可知，圓軸受扭轉(zhuǎn)時(shí)的強(qiáng)度條件為： ≤ [τ] （74）???式中： τ 為軸的扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力（MPa） ；T 為轉(zhuǎn)矩（Nmm） ；W n 為抗扭截面模量圖 軸上零件的合理布置 31 （mm 3） ；P 為軸傳遞的功率（KW） ；n 為軸的轉(zhuǎn)速（r/min ） ；d 為軸的直徑（mm） ；[τ ]為許用剪應(yīng)力（ MPa） 。將上式改寫為軸徑的計(jì)算公式 ≥ （75）?????式中：A 是由軸的材料并考慮彎曲影響的系數(shù) 。查表得對(duì)于 45Cr????材料的軸 代入得 。??38,T??? 所以 .。.Pdmn??? 應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑 的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大 3%。故10m整合取 。39。 3%,d??min30d?首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，如下圖所示： ω 32 從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面 C 是危險(xiǎn)截面。現(xiàn)將計(jì)算出的截面 C 處的 ， 及 的值列于下表HMV載 荷 水平面 H 垂直面 V支反力 F ????彎矩 M ? ??總彎矩 8282812()()??????扭矩 T ,wpNn?進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強(qiáng)度，根據(jù)上表中的數(shù)據(jù)以及軸單向旋轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取 =。? （76 ）???????????前面已經(jīng)選定軸的材料為 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，查手冊(cè)可知[ ]= 。因?yàn)?＜1??70Paca?，故安全。1??推鋼機(jī)的齒輪軸屬于傳動(dòng)軸，其裝配圖見附圖 1，其具體結(jié)構(gòu)見附圖 5。 軸承的選擇與計(jì)算 概述軸承是支承軸的部件，根據(jù)軸承工作的摩擦性質(zhì)，可分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承兩大 33 類。一般情況下，滾動(dòng)摩擦小于滑動(dòng)摩擦，因此滾動(dòng)軸承應(yīng)用很廣泛，但滑動(dòng)軸承具有工作平穩(wěn)、無(wú)噪聲、耐沖擊、回轉(zhuǎn)精度高和承載能力大等優(yōu)點(diǎn)，所以在汽輪機(jī)、精密機(jī)床和重型機(jī)械中被廣泛地應(yīng)用。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈 外圈 滾動(dòng)體 3 和保持架 4 組成，如圖 所示。內(nèi)、外圈分別與軸頸、軸承座孔裝配在一起。當(dāng)內(nèi)、外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滾動(dòng)體即在內(nèi)外圈的滾道間滾動(dòng)。保持架使?jié)L動(dòng)體分布均勻，減少滾動(dòng)體的摩擦和磨損。滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體一般由軸承鋼制造，工作表面經(jīng)過(guò)磨削和拋光，其硬度不低于 60HRC。保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，也可用有色金屬和塑料制成。 滾動(dòng)軸承的類型和選擇 滾動(dòng)軸承按受載方向分為向心軸承和推力軸承兩大類。向心軸承主要承受徑向載荷，推力軸承主要承受軸向載荷。按滾動(dòng)體形狀，滾動(dòng)軸承又可分為球軸承與滾子軸承兩大類。滾動(dòng)軸承的內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間存在一定的間隙，如圖 所示，因此，內(nèi)外圈可以有相對(duì)位移，最大位移 量稱為軸承游隙。當(dāng)軸承的一個(gè)座圈固定，則另一座圈 沿徑向的最大移動(dòng)量稱為徑向游隙△r ，沿軸向的最大移 動(dòng)量稱為軸向游隙△a。游隙的大小對(duì)軸承的壽命、溫 升和噪聲都有很大的影響。圖 滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)圖 滾動(dòng)軸承的游隙 34 滾動(dòng)軸承選擇的出發(fā)點(diǎn)是：1).軸承工作載荷的大小、方向及性質(zhì)。當(dāng)載荷較小而平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可選用球軸承，反之，宜選用滾子軸承。當(dāng)軸承同時(shí)承受徑向及軸向載荷，若以徑向載荷為主時(shí)可選用深溝球軸承；軸向載荷比徑向載荷大很多時(shí)，可選用推力軸承與向心軸承的組合結(jié)構(gòu)；徑向載荷和軸向載荷均較大時(shí)可選用向心角接觸軸承。2).對(duì)軸承的特殊要求?？缇噍^大或難以保證兩軸承孔同軸度的軸及多支點(diǎn)軸，宜選用調(diào)心軸承。為便于安裝、拆卸和調(diào)整軸承游隙，宜選用內(nèi)外圈可分離的圓錐滾子軸承。3）.經(jīng)濟(jì)性。一般球軸承比滾子軸承價(jià)廉；有特殊結(jié)構(gòu)的軸承比普通結(jié)構(gòu)的軸承貴。同型號(hào)的軸承，精度越高，價(jià)格也越高，一般機(jī)械傳動(dòng)宜選用普通級(jí)（P0）精度。 滾動(dòng)軸承的受載情況和失效形式，若軸承只承受徑向載荷 Fr 作用，由于各元件的彈性變形，軸承上半圈的滾動(dòng)體將不受力，而下半圈各滾動(dòng)體受力的大小則與其所處的位置有關(guān)。故軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承套圈滾道和滾動(dòng)體受變應(yīng)力作用（圖 ） ，滾動(dòng)軸承的主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕。為防止疲勞 點(diǎn)蝕現(xiàn)象的發(fā)生，滾動(dòng)軸承應(yīng)按額定動(dòng)載荷進(jìn)行壽命計(jì) 算。圖 滾動(dòng)軸承受載情況 35 ，可能因過(guò)大的靜載荷或沖擊載荷，使套圈滾道與滾動(dòng)體接觸處產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形。因此，低速重載的滾動(dòng)軸承應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算。，可能因潤(rùn)滑不良等原因引起磨損甚至膠合。因此，除進(jìn)行壽命計(jì)算外，還要校核極限轉(zhuǎn)速。 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算軸承中任一滾動(dòng)體或內(nèi)、外圈滾道上出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕的總轉(zhuǎn)數(shù)或在一定轉(zhuǎn)速下的工作時(shí)數(shù)，稱為軸承壽命。一批相同型號(hào)尺寸的軸承，因材料、熱處理、加工工藝等差異，即使在完全相同的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其壽命也差異很大，最長(zhǎng)壽命和最短壽命可能差幾倍。滾動(dòng)軸承的疲勞壽命是相當(dāng)離散的。因此，計(jì)算軸承壽命時(shí)應(yīng)與一定的破壞率（可靠度）相聯(lián)系。一般用 10%破壞率的軸承壽命作為軸承的基本額定壽命，用 L 表示，單位為 106 r（10 6 轉(zhuǎn)）。 滾動(dòng)軸承的基本額定壽命 L 與承受的載荷 P 有關(guān)，載荷越大，軸承中產(chǎn)生的接觸應(yīng)力也越大，因而發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕破壞前所能經(jīng)受的應(yīng)力變化次數(shù)就越少，即軸承的壽命越短。圖 所示為試驗(yàn)得出的載荷 P 與壽命 L 的關(guān)系曲線，也稱為軸承的疲勞曲線。該曲線可用方程 Pε L=常數(shù)表示。圖 滾動(dòng)軸承的 PL 曲線 36 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基本額定壽命 L=1（10 6 r）時(shí)，軸承所能承受的載荷稱為基本額定動(dòng)載荷，用 C 表示，單位為 N。C 值可由軸承標(biāo)準(zhǔn)中查出，于是有 常數(shù)，即：??1?CLPL=（ C / P） 106 r （77）ε實(shí)際計(jì)算時(shí)常用小時(shí)（h）表示壽命（L h） 。將上式整理后可得 (h) （78）εεPCnn??????????????17601式中：P 為當(dāng)量動(dòng)載荷（N） ； ε 為壽命指數(shù)，球軸承 ε =3，滾子軸承 ε =10/3；n 為軸承轉(zhuǎn)速（r/min） 。若已知當(dāng)量動(dòng)載荷 P 和轉(zhuǎn)速 n，工作使用壽命 Lh＇，則由式（711）可求出待選軸承所需的額定動(dòng)載荷 C＇，從而選擇軸承并使軸承的額定動(dòng)載荷 C≥C＇。軸承工作壽命 Lh＇的推薦值見表 721。表 721 滾動(dòng)軸承預(yù)期壽命推薦值機(jī)器種類 預(yù)期壽命不常使用的儀器和設(shè)備 500航空發(fā)動(dòng)機(jī) 500～2021中斷使用不致引起嚴(yán)重后果的手動(dòng)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等4000～8000間斷使用的機(jī)器 中斷使用會(huì)引起嚴(yán)重后果，如升降機(jī)、運(yùn)輸機(jī)、吊車等8000～12000利用率不高的齒輪傳動(dòng)、電機(jī)等 12021～20000每天工作 8h 的機(jī)器 利用率較高的通訊設(shè)備、機(jī)床等 20210～30000連續(xù)工作 24h的機(jī)器一般可靠性的空氣壓縮機(jī)、電機(jī)、水泵等 50000～60000 37 高可靠性的電站設(shè)備、給排水裝置等 100000 P 的計(jì)算滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷 C 是在特定試驗(yàn)條件下得出的，就受載條件來(lái)說(shuō)，向心軸承是承受純徑向載荷；推力軸承是承受純軸向載荷。而在實(shí)際工作中，作用在軸承上的實(shí)際載荷往往與試驗(yàn)條件不一樣，必須將實(shí)際載荷折算成與上述條件相同的載荷，在此載荷作用下，軸承的壽命與實(shí)際載荷作用下的壽命相同，這種折算后的載荷是假定的載荷，稱為當(dāng)量動(dòng)載荷，用 P 表示。計(jì)算式為P=KP（xF r+yFa） （79）式中：F r 為軸承所承受的徑向載荷（N） ；F a 為軸承所承受的軸向載荷（N） ；x、y分別為徑向載荷系數(shù)和