第5章机械基础

第5章机械零件第五章机械零件§5.1轴轴是组成机器的重要零件之一，主要功用是支撑回转零件及传递运动和动力。一、轴的分类根据承受载荷不同分类：1）转轴同时承受扭矩和弯曲载荷的作用，例如齿轮减速器中的轴。2）心轴只需承受弯矩而不传递转距，例如铁路车辆的轴、自行车的前轴等。按轴旋转与否分为转动心轴和固定心轴两种，3）传动轴只承受扭矩而不承受弯矩或承受弯矩较小的轴。例如图所示的汽车传动轴。2、根据轴线的形状不同分类曲路传递运动或动力可以穿过钢丝软轴：具有挠性，旋转运动变为直线运动曲轴：通过连杆可以把根据需要可制成空心轴阶梯轴光轴直轴按轴线形状分类二、轴的材料由于轴工作时产生的应力多为变应力，所以轴的失效多为疲劳损坏，因此轴的材料应具有足够的疲劳强度、较小的应力集中敏感性和良好的加工性能等。轴的主要材料是碳钢和合金钢。1、碳钢：价格低廉，对应力集中的敏感性较低，可以利用热处理提高其耐磨性和抗疲劳强度。常用的有35、40、45、50钢。2、合金钢：对于要求强度较高、尺寸较小或有其它特殊要求的轴，可以采用合金钢材料。耐磨性要求较高的可以采用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢；要求较高的轴可以使用40Cr3、对于形状复杂的轴，如曲轴、凸轮轴等，也采用球墨铸铁或高强度铸造材料来进行铸造加工，易于得到所需形状，而且具有较好的吸振性能和好的耐磨性，对应力集中的敏感性也较低。二、保证轴上零件的准确定位1、轴向定位1）轴肩与轴环定位方便可靠、不需要附加零件，能承受的轴向力大；。这种方法广泛用于各种轴上零件的定位。为了保证零件与定位面靠紧，轴上过渡圆角半径应小于零件圆角半径或倒角，一般定位高度取为（0.07～0.1）d，轴环宽度b=1.4h。2）套筒定位可以简化轴的结构，减小应力集中结构简单、定位可靠。多用于轴上零件间距离较小的场合。但由于套筒与轴之间存在间隙，所以在高速情况下不宜使用。3）弹性挡圈定位结构紧凑、简单、装拆方便，但受力较小，且轴上切槽会引起应力集中，常用于轴承的定位。4）轴端挡圈工作可靠，能够承受较大的轴向力，应用广泛。2、周向定位轴上零件的周向定位方法主要有键（平键、半圆键、楔键等）、花键、型面、过盈等等1）平键联接制造简单、装拆方便。用于传递转矩较大，对中性要求一般的场合，应用最为广泛。2）花键联接承载能力高，定心好、导向性好，但制造较困难，成本较高。适用于传递转矩较大，对中性要求较高或零件在轴上移动时要求导向性良好的场合。3）过盈配合结构简单、定心好、承载能力高和在振动下能可靠的工作。但装配困难，且对配合尺寸的精度要求较高4）销联接用于固定不太重要、受力不大，但同时需要周向或轴向固定的零件。三、轴的结构工艺性轴的形状应简单、便于加工。一根轴上的圆角应尽可能取相同的半径，退刀槽取相同的宽度，倒角尺寸相同；一根轴上各键槽应开在同一母线上，以减少换刀次数和调整次数。需要磨削的轴段，应该留有砂轮越程槽，需要切制螺纹的轴段，应留有退刀槽，为了便于装配，轴端应加工出倒角。四、减小应力集中轴上的应力集中会严重削弱轴的疲劳强度，所以应该在轴剖面发生突变的地方制成适当的过渡圆角；相邻两轴段直径差不宜过大等措施。此外改善轴的表面质量降低表面粗糙度可以提高轴的疲劳强度5.2键联接一、键联接的类型两大类型：1类：松键联接——1）平键；2）半圆键；3）花键平键——普通平键；导向键与滑键。普通平键：A型、B型、C型2类：紧键联接1）楔键联接；2）切向键联接1．平键联接其特点是：键的两侧面是工作面，靠键与键槽的侧面挤压来传递扭矩；平键联接具有结构简单、装拆方便、对中良好优点。采用B型平键时，轴上的键槽用盘铣刀铣出，键槽两的应力集中较小。C型平键常用于轴端的联接。导向平键用于动联接，其特点是键较长，键与轮毂的键槽采用间隙配合，故轮毂可以沿键作轴向滑动2．半圆键联接半圆键联接，轴上键槽用尺寸与半圆键相同的半圆键铣刀铣出，因而键在槽中能绕其几何中心摆动以适应毂上键槽的倾斜度。半圆键用于静联接，其两侧面是工作面。其优点是工艺性好，缺点是轴上的键槽较深，对轴的强度影响较大，所以一般多用于轻载情况的锥形轴端联接3．楔键联接楔键联接的特点是：键的上下两面是工作面，键的上表面和轮毂键槽底部各有1：100的斜度。工作时，主要靠键、轴和毂之间的摩擦力传递转矩，其缺点：是楔紧后，轴和轮毂的配合产生偏心和倾斜。因此主要用于定心精度要求不高和低速的场合。三、花键联接由轴和轮毂孔周向均布的多个键齿构成的联接称为花键联接。在工作时，靠侧面的挤压传递扭矩。与普通平键相比具有承载力高、轴和毂受力均匀、定心性和导向性好等优点。但加工需要专用设备和工具，成本较高。5.3轴承轴承是机器中支承轴作回转运动的部件。根据摩擦性质，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承。§5.3.1滑动轴承概述一、滑动轴承类型：按承载：向心轴承（受Fr）；推力轴承（受Fa）按润滑状态：流体润滑轴承；非流体润滑轴承；无润滑轴承（不加润滑剂）二、滑动轴承的特点优点：1）承载能力高；2）工作平稳可靠、噪声低；3）径向尺寸小；4）精度高；5）流体润滑时，摩擦、磨损较小；6）油膜有一定的吸振能力1）非流体摩擦滑动轴承、摩擦较大，磨损严重。2）流体摩擦滑动轴承在起动、行车、载荷、转速比较大的情况下难于实现流体摩擦；3）流体摩擦、滑动轴承设计、制造、维护费用较高。三、应用：1）转速特高或特低；2）对回转精度要求特别高的轴；3）承受特大载荷；4）冲击、振动较大时；5）特殊工作条件下的轴承；6）径向尺寸受限制或轴承要做成剖分式的结构例：机床、汽轮机、发电机、轧钢机、大型电机、内燃机、铁路机车、仪表、天文望远镜等。一、径向滑动轴承径向滑动轴承可以分为整体式和剖分式（对开式）两大类。1、整体式径向滑动轴承整体式滑动轴承由轴承座和轴承套组成。轴承套压装在轴承座孔中，一般配合为H8/s7。轴承座用螺栓与机座联接，顶部设有安装注油油杯的螺纹孔。轴套上开有油孔，并在其内表面开油沟以输送润滑油。这种轴承结构简单、制造成本低，但当滑动表面磨损后无法修整。所以，整体式滑动轴承多用于低速、轻载和间歇工作的场合。2、部分式滑动轴承是由轴承盖、轴承座、剖分轴瓦和螺栓组成。正滑动轴承轴承座水平剖分为轴承座和轴承盖两部分，并用二（或四）个螺栓联接。为了防止轴承盖和轴承座横向错动和便于装配时对中，轴承盖和轴承座的剖分面做成阶梯状。对开式滑动轴承在装拆轴时，轴颈不需要轴向移动，装拆方便。另外，适当增减轴瓦剖分面间的调整垫片，可以调节轴颈与轴承之间的间隙。3、自动调心轴承轴承的结构特点是轴瓦的外表面做成凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面箱配合，当轴变形时，轴瓦可随轴线自动调节位置，从而保证轴颈和轴瓦为球面接触。二、推力滑动轴承推力滑动轴承用于承受轴向载荷。它由轴承座、套筒、径向轴瓦、止推轴瓦所组成。相对滑动端面通常采用环状端面。当载荷较大时，可采用多环轴颈，这种结构能够承受双向轴向载荷。三、轴承材料滑动轴承的主要失效形式有：磨粒磨损、刮伤、胶合、疲劳剥落等。轴承材料性能应着重满足以下主要要求：1）良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性2）良好的顺应性，嵌入性和磨合性3）足够的强度和必要的塑性4）良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力）5)良好的工艺性和经济性等常用材料有:1）轴承合金（通称巴氏合金或白合金）3）铸铁：灰铁；球铁（中有游离的石墨能有润滑作用）性能较好，适于轻载、低速，不受冲击的场合。4）多孔质金属材料这是不同金属粉末经压制、烧结而成的轴承材料。这种材料是多孔结构的，孔隙约占体积的10％～35％。使用前先把轴瓦在加热的油中浸渍数小时，使孔隙中充满润滑油，因而通常把这种材料制成的轴承称为含油轴承。它具有自润滑性。5）非金属材料非金属材料中应用最广的是各种塑料，如酚醛树脂、尼龙、聚四氟乙烯等。聚合物的特性是：与许多化学物质不起反应，抗腐蚀性好。轴承合金是锡、铅、锑、铜的合金，它以锡或铅作为基体，其内含有锑锡（Sb-Sn）或铜锡（Cu-Sn）的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则增加材料的塑性。轴承合金适用于重载、中高速场合，价格较贵。2）铜合金铜合金具有较高的强度，较好的减磨性和耐磨性，是最常用的材料。锡青铜——减摩、耐磨性最好，应用较广，强度比轴合金高，适于重载、中速铅青铜——抗胶合能力强，适于高速、重载铝青铜——强度及硬度较高，抗胶合性差，适于低速、重载传动1概述标准件1.1构造内圈：一般随轴转动，有滚道，限制滚动体的侧向移动外圈：一般不转动，有滚道，限制滚动体的侧向移动滚动体：核心元件，在滚道中产生滚动摩擦有球、圆柱磙子、圆锥磙子等保持架：将滚动体均匀分开，避免相互碰撞，减小磨损（如果滚动体接触，速度方向相反，是两倍），减少发热球滚子圆柱滚子滚针鼓形滚子圆锥滚子非对称鼓形滚子螺旋滚子5.3.2滚动轴承1.2材料内圈、外圈、滚动体：轴承铬钢GCr15，硬度60~65HRC保持架：低碳钢；铜、铝、工程塑料1.3优缺点摩擦小，效率高径向游隙小，运转精度高宽度小，结构紧凑大多可受轴向和径向载荷，结构简单易于维护，易于更换标准件，成本低承受冲击载荷能力差寿命较低，径向尺寸大2滚动轴承的类型和选择2.1滚动轴承的类型公称接触角α：向心推力轴承滚动体与外圈接触处的法线与半径方向的夹角滚针轴承：用于径向尺寸受限的场合类型：见下页NN向心轴承径向接触轴承向心角接触轴承00主要承受rF球轴承亦能承受较小aF同时承受rFaF和00450：滚动体同外圈滚道接触点的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角推力轴承推力角接触轴承轴向接触轴承009045rF也承受较小主要承受aF090aF只能承受轴向承载能力按公称接触角分类2滚动轴承类型的选择转速：高转速选球轴承，低转速大载荷选磙子轴承载荷：同时受径向和轴向载荷选角接触轴承或磙子轴承，主要受径向载荷则选深沟球，推力大选推力角接触轴承轴承内、外圈间的倾斜角要控制在允许范围为便于装拆可选用内外圈分离型经济上球轴承比磙子轴承便宜球轴承滚子轴承高速、轻载低速、重载后置代号特殊材料特殊结构C15AC25B40公差/P2、4、5、6、6x、0游隙/C1、2、0、3、4、50例:7211C/P5基本代号五四三二一类型内径20~480直径系列2轻3中4重宽度系列多数正常系列可不标前置代号分部件：内圈L外圈保持架K滚动体角接触球轴承、正常宽度、轻系列、直径55、接触角155级精度；常用游隙。3滚动轴承代号尺寸系列见课本轴承内径代号前置代号后置代号(注意配置代号)背对背(宽边对宽边)、面对面、串联（P369）4滚动轴承的力分析、失效和计算准则4.1向心轴承中作用力的分布推力轴承可以认为载荷平均分担，径向轴承则不然推力轴承F0=Fa/z向心轴承，在载荷Fr的作用下,根据变形关系，中间滚动体受力最大，向两边逐渐减小)39(/6.4)29(/5:maxmaxzFFzFFrr滚子：球：假设下半圈滚动体受力Fa4.2角接触轴承中的附加轴向力角接触轴承受径向力时会产生附加轴向力，计算方法见P371表18.4由于会产生轴向力，方向由宽边指向窄变，故应配对使用4.3滚动轴承的失效点蚀、塑性变形、磨损、元件破裂控制动载荷控制静载荷动载荷引起点蚀limHH静载荷引起塑性变形S失效形式计算准则控制动载荷控制静载荷疲劳寿命计算静强度校核计算准则：接触疲劳寿命计算和静强度计算，低速轴承可仅仅做静强度计算5滚动轴承的动载荷和寿命计算5.1基本额定动载荷和基本额定寿命轴承寿命：轴承出现点蚀时运转的转速或小时数，单个轴承的寿命不能作为同型号的一批轴承的寿命基本额定寿命：一批相同的轴承中90％的轴承不发生疲劳点蚀前的总转数（以106为单位）或小时数。基本额额定寿命用L10或L10h来表示。（一批相同轴承在试验条件下，10%的轴承发生疲劳点蚀时所达到的寿命，