【正文】 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。 軸的設計 概述軸是組成機器的重要零件，其功用是支承旋轉零件（如齒輪、帶輪等） ，并傳遞運動和動力。根據受載情況，軸可分為三類：(1)心軸。承受彎矩（M） ，不傳遞轉矩（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（轉動心軸） 。(2)傳動軸。以傳遞轉矩為主，不承受彎矩或承受很小彎矩的軸，如汽車的傳動軸（圖 ） 。(3)轉軸。既傳遞轉矩，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，所以軸的材料應滿足強度、剛度、耐磨性等方面的要求， 圖 汽車的傳動軸 圖 齒輪軸 a） b）圖 固定心軸和轉動心軸 28 常用的材料有：1).碳素鋼。對較重要或傳遞載荷較大的軸，常用 345 和 50 號優(yōu)質碳素鋼，其中 45 鋼應用最廣泛。這類材料的強度、塑性和韌性等都比較好。進行調質或正火處理可提高其機械性能。對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械性能和淬火性能。但對應力集中比較敏感，價格較高，多用于有特殊要求的軸，如要求重量輕或傳遞轉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，故不宜用合金鋼來提高軸的剛度。3).球墨鑄鐵。球墨鑄鐵具有價廉、吸振性好、耐磨，對應力集中不敏感，容易制成復雜形狀的軸等特點。但品質不易控制，可靠性差。 軸的結構設計軸的結構設計就是根據工作條件，確定軸的合理外形，各段軸徑和長度以及全部結構尺寸。為了便于裝拆，一般的轉軸均為中間大、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，軸上還設有其他相應的結構，如右端制有安裝軸端擋圈用的螺紋孔；軸上開有鍵槽，通過鍵聯接實現齒輪的周向固定。為便于加工和裝配，軸上還常設有倒角、中心孔和退刀槽等工藝結構。軸的結構設計應滿足：①軸上零件定位準確，固定可靠；②軸上零件便于裝拆和調整；③具有良好的制造工藝性；④盡量減少應力集中。軸的結構形式取決于軸上零件的裝配方案。應擬定幾種不同的裝配方案，以便進行比較與選擇，以軸的結構簡單，軸上零件少為佳。初步設計時，還不知道軸上支反力的作用點，故不能按軸的彎矩計算軸徑。通常按扭轉強度來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度。設計時應考慮各軸徑應與裝配在該軸段上的傳動件、標準件的孔相匹配。軸的各段長度可根據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，軸頭長一般比與之配合的輪轂長縮短 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接、銷聯接以及過盈配合、成型聯接等，力不大時，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：軸的結構應便于加工和裝配。如為了便于切削加工，一根軸上的圓角應盡可能取相同半徑；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開在同一母線上。為了便于裝配，軸端應加工倒角。1).改進軸的結構，降低應力集中。應力集中多產生在軸截面尺寸發(fā)生急劇變化的地方，要降低應力集中，就要 盡量減緩截面尺寸的變化。直徑變化處應平 滑過渡，制成半徑盡可能大的圓角；軸上盡可能不開槽、孔及制螺紋，以免削弱軸的強度；為了減小過盈配合處的應力集中，可采用卸荷槽（圖 ） 。2).提高軸的表面質量。因疲勞裂紋常發(fā)生在軸表面質量差的地方，故提高軸的表面質量有利于提高軸 圖 缷荷槽 a)鍵聯接 b)銷聯接 c)成型聯接圖 軸上零件的周向固定 30 的強度。除控制軸的表面粗糙度外，還可采用表面強化處理，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。此時軸的最大扭矩為 T2（圖 b 所示） 。 軸的強度計算已知：齒輪軸輸出功率 ，?????所以：,wpTNmn??? （71）。tTFNd??? （72）。r?? ?? （73）。costaF??開始設計軸時，由于軸上零件的位置和兩軸承間的距離通常尚未確定，故對軸所承受的彎矩就無法進行計算，只能先按扭轉強度估算軸的最小直徑（根據標準尺寸與其相配的孔圓整） ，再進行軸的結構設計。由材料力學可知，圓軸受扭轉時的強度條件為： ≤ [τ] （74）???式中： τ 為軸的扭轉剪應力（MPa） ；T 為轉矩（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 為軸的轉速（r/min ） ；d 為軸的直徑（mm） ；[τ ]為許用剪應力（ MPa） 。將上式改寫為軸徑的計算公式 ≥ （75）?????式中：A 是由軸的材料并考慮彎曲影響的系數 。查表得對于 45Cr????材料的軸 代入得 。??38,T??? 所以 .。.Pdmn??? 應當指出，當軸截面上開有鍵槽時，應增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑 的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大 3%。故10m整合取 。39。 3%,d??min30d?首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖，如下圖所示： ω 32 從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以看出截面 C 是危險截面?，F將計算出的截面 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?進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度，根據上表中的數據以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取 =。? （76）???????????前面已經選定軸的材料為 40Cr，調質處理，查手冊可知[ ]= 。因為 ＜1??70Paca?，故安全。1??推鋼機的齒輪軸屬于傳動軸，其裝配圖見附圖 1，其具體結構見附圖 5。 軸承的選擇與計算 概述軸承是支承軸的部件，根據軸承工作的摩擦性質，可分為滑動軸承和滾動軸承兩大 33 類。一般情況下，滾動摩擦小于滑動摩擦，因此滾動軸承應用很廣泛，但滑動軸承具有工作平穩(wěn)、無噪聲、耐沖擊、回轉精度高和承載能力大等優(yōu)點，所以在汽輪機、精密機床和重型機械中被廣泛地應用。滾動軸承一般由內圈 外圈 滾動體 3 和保持架 4 組成，如圖 所示。內、外圈分別與軸頸、軸承座孔裝配在一起。當內、外圈相對轉動時滾動體即在內外圈的滾道間滾動。保持架使?jié)L動體分布均勻，減少滾動體的摩擦和磨損。滾動軸承的內外圈和滾動體一般由軸承鋼制造，工作表面經過磨削和拋光，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。 滾動軸承的類型和選擇 滾動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。按滾動體形狀，滾動軸承又可分為球軸承與滾子軸承兩大類。滾動軸承的內外圈與滾動體之間存在一定的間隙，如圖 所示，因此，內外圈可以有相對位移，最大位移 量稱為軸承游隙。當軸承的一個座圈固定，則另一座圈 沿徑向的最大移動量稱為徑向游隙△r ，沿軸向的最大移 動量稱為軸向游隙△a。游隙的大小對軸承的壽命、溫 升和噪聲都有很大的影響。圖 滾動軸承的結構圖 滾動軸承的游隙 34 滾動軸承選擇的出發(fā)點是：1).軸承工作載荷的大小、方向及性質。當載荷較小而平穩(wěn)、轉速較高時，可選用球軸承，反之，宜選用滾子軸承。當軸承同時承受徑向及軸向載荷，若以徑向載荷為主時可選用深溝球軸承；軸向載荷比徑向載荷大很多時，可選用推力軸承與向心軸承的組合結構；徑向載荷和軸向載荷均較大時可選用向心角接觸軸承。2).對軸承的特殊要求?？缇噍^大或難以保證兩軸承孔同軸度的軸及多支點軸，宜選用調心軸承。為便于安裝、拆卸和調整軸承游隙，宜選用內外圈可分離的圓錐滾子軸承。3）.經濟性。一般球軸承比滾子軸承價廉；有特殊結構的軸承比普通結構的軸承貴。同型號的軸承，精度越高，價格也越高，一般機械傳動宜選用普通級（P0）精度。 滾動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，軸承上半圈的滾動體將不受力，而下半圈各滾動體受力的大小則與其所處的位置有關。故軸承運轉時，軸承套圈滾道和滾動體受變應力作用（圖 ） ，滾動軸承的主要失效形式是疲勞點蝕。為防止疲勞 點蝕現象的發(fā)生，滾動軸承應按額定動載荷進行壽命計 算。圖 滾動軸承受載情況 35 ，可能因過大的靜載荷或沖擊載荷，使套圈滾道與滾動體接觸處產生過大的塑性變形。因此，低速重載的滾動軸承應進行靜強度計算。，可能因潤滑不良等原因引起磨損甚至膠合。因此，除進行壽命計算外，還要校核極限轉速。 滾動軸承的壽命計算軸承中任一滾動體或內、外圈滾道上出現疲勞點蝕的總轉數或在一定轉速下的工作時數，稱為軸承壽命。一批相同型號尺寸的軸承，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轉，其壽命也差異很大，最長壽命和最短壽命可能差幾倍。滾動軸承的疲勞壽命是相當離散的。因此，計算軸承壽命時應與一定的破壞率（可靠度）相聯系。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）。 滾動軸承的基本額定壽命 L 與承受的載荷 P 有關，載荷越大，軸承中產生的接觸應力也越大，因而發(fā)生疲勞點蝕破壞前所能經受的應力變化次數就越少，即軸承的壽命越短。圖 所示為試驗得出的載荷 P 與壽命 L 的關系曲線，也稱為軸承的疲勞曲線。該曲線可用方程 Pε L=常數表示。圖 滾動軸承的 PL 曲線 36 標準規(guī)定，基本額定壽命 L=1（10 6 r）時，軸承所能承受的載荷稱為基本額定動載荷，用 C 表示，單位為 N。C 值可由軸承標準中查出，于是有 常數，即：??1?CLPL=（ C / P） 106 r （77）ε實際計算時常用小時（h）表示壽命（L h） 。將上式整理后可得 (h) （78）εεPCnn??????????????17601式中：P 為當量動載荷（N） ； ε 為壽命指數，球軸承 ε =3，滾子軸承 ε =10/3；n 為軸承轉速（r/min） 。若已知當量動載荷 P 和轉速 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載荷 C＇，從而選擇軸承并使軸承的額定動載荷 C≥C＇。軸承工作壽命 Lh＇的推薦值見表 721。表 721 滾動軸承預期壽命推薦值機器種類 預期壽命不常使用的儀器和設備 500航空發(fā)動機 500～2022中斷使用不致引起嚴重后果的手動機械、農業(yè)機械等4000～8000間斷使用的機器 中斷使用會引起嚴重后果，如升降機、運輸機、吊車等8000～12000利用率不高的齒輪傳動、電機等 12022～20000每天工作 8h 的機器 利用率較高的通訊設備、機床等 20220～30000連續(xù)工作 24h的機器一般可靠性的空氣壓縮機、電機、水泵等 50000～60000 37 高可靠性的電站設備、給排水裝置等 100000 P 的計算滾動軸承的基本額定動載荷 C 是在特定試驗條件下得出的，就受載條件來說，向心軸承是承受純徑向載荷；推力軸承是承受純軸向載荷。而在實際工作中，作用在軸承上的實際載荷往往與試驗條件不一樣，必須將實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，稱為當量動載荷，用 P 表示。計算式為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和軸向