机械设计基础第16章

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2. 轴上零件的轴向定位及固定
常用的轴向定位及固定方法有： 1) 轴肩与轴环(图16-6) 为了保证零件紧靠定位面，轴肩与轴环的圆角半径r应 小于零件的圆角半径R或倒角高度C1；还应保证零件与定位
面接触处的肩高h大于圆角半径R或倒角高度C1。一般定位轴
肩的高度h=R(C1)+(0.5～2)，轴环宽度b≈1.4h。轴上的倒角和 圆角半径可参考表16-2选取。采用轴肩与轴环可承受较大的
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图16-1 心轴
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图16-2 转轴
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图16-3 传动轴
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按轴线形状的不同，轴可分为直轴(图16-1、图16-2)和
曲轴(图16-4)。曲轴属于专用零件，本章仅介绍直轴。
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图16-18 直径系列
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③ 内径代号表示轴承的内径尺寸，如表16-7所列。
(2) 前置代号和后置代号。前置代号和后置代号是当轴 承的结构形状、公差技术要求等有改变时，在轴承基本代号 左右添加的补充代号，其代号及含义如表16-8所列。
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2. 滚动轴承的类型
为满足机械的各种要求，滚动轴承有多种类型。滚动体 的形状可以是球或滚子；滚动体的列数可以是单列或双列 等。表16-5列出了常用滚动轴承(GB/T 272—93)的类型、代 号及特性。
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16.2.2 滚动轴承类型的选择 滚动轴承是标准件，而且类型很多，在机械设计中，主 要是合理选择轴承的类型和尺寸。选择轴承类型时主要依据 以下原则： (1) 转速较高，载荷不大，宜用点接触的球轴承。 (2) 转速较低、载荷不大或有冲击载荷时，宜选用线接 触的滚子轴承。 (3) 当径向载荷和轴向载荷都较大时，若转速高，宜用 角接触球轴承；若转速较低，宜选用圆锥滚子轴承。 (4) 当径向载荷比轴向载荷大得多且转速较高时，常用 深沟球轴承或角接触球轴承；若转速较低，也可选用圆锥滚 子轴承。
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16.1.3 轴的结构设计
1. 轴的组成
图16-5所示为一圆柱齿轮减速器的低速轴，是一个典型 的阶梯形转轴，主要由轴颈、轴头和轴身三部分组成。
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图16-5 轴的结构
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图16-4 Βιβλιοθήκη Baidu轴
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16.1.2 轴的常用材料及热处理
轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制 圆钢和锻件。锻件的内部组织均匀，强度较好，重要的轴、 大尺寸或阶梯尺寸变化较大的轴，应采用锻制毛坯。对直径 较小的轴，可直接用圆钢加工。
轴的常用材料及其主要力学性能见表16-1。
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第16章 轴 系 零 部 件
16.1 轴 16.2 滚动轴承 16.3 联轴器与离合器
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16.1 轴
16.1.1 轴的功用及分类
1. 轴的功用 轴是组成机器的重要零件之一。轴的主要功用是支承旋 转零件(例如齿轮、蜗轮等)、传递运动和动力。
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图16-13 减速器从动轴设计
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② 确定轴的各段直径和长度。如图16-13所示，将轴分
为6段，分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ表示。
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(5) 按弯、扭组合作用验算轴的强度。
① 绘出轴的空间受力图，求轴上的作用力。 轴的跨度：
3. 滚动轴承的代号(GB/T 272—93)
滚动轴承的类型、尺寸、结构和公差等级等特征用代号 表示。我国在(GB/T 272—93)中规定，一般用途的滚动轴承 代号由基本代号、前置代号和后置代号三部分组成，其排列 顺序为
前置代号
基本代号
后置代号
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(1) 基本代号。基本代号由轴承的类型代号、尺寸系列
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4. 轴的结构工艺性
轴的结构应便于加工与装配。形状力求简单，阶梯轴的 级数尽可能少，而且各段直径不宜相差太大。轴上需磨削的 轴段应设计出砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽， 如图16-11所示，它们的结构尺寸可参考机械设计手册。
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图16-11 螺纹退刀槽和砂轮越程槽
轴段长度，一般应略小于轮毂宽的2 mm～3 mm。
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图16-7 轴端挡圈
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4) 圆螺母(图16-8)
采用圆螺母定位可承受较大的轴向力。这种方法常用于 轴的端部，一般用细牙螺纹，避免过多地削弱轴的强度。通 常可以采用双圆螺母或圆螺母加止动垫圈的固定方式。 除以上轴向定位的方法外，常用的轴向定位方法还有弹
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16.2.3 滚动轴承尺寸的选择
1. 滚动轴承的失效形式 滚动轴承的失效形式主要有以下几种： (1) 疲劳点蚀。 (2) 塑性变形。
(3) 磨损。
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2. 滚动轴承的尺寸选择
1) 基本额定寿命和基本额定动载荷
由式(16-2)可得实心圆轴的设计公式为 (16-3)
常用材料的［τ］值与C值可查表16-3。若轴上有一个键 槽，可将算得的直径增大3%～5%; 如有两个键槽, 可增大 7%～10%。
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2. 转轴的强度计算
转轴同时承受转矩和弯矩，必须按弯曲和扭转组合强度 进行计算。但是，在开始设计轴时，通常还不知道轴上零件 的位置及支点位置，弯矩值不能确定。因此，一般在进行转 轴的结构设计前，先按轴所受的转矩对轴的直径进行估算。
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(5) 当轴向载荷比径向载荷大得多且转速较低时，常采
用推力轴承与圆柱滚子轴承或深沟球轴承两种不同类型的轴 承组合，分别承受轴向载荷与径向载荷。 (6) 支点跨距大，轴的变形大或多支点轴，宜采用调心 轴承。
(7) 经济性原则。球轴承比滚子轴承便宜，精度低的轴
承比精度高的轴承便宜。在能够满足基本工作要求的情况下， 应尽可能选用价格低廉的轴承。
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图16-12 带式输送机传动系统
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解 (1) 求减速器从动轴的转速与功率。
转速为
功率为
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(2) 选择轴的材料和热处理方法。轴的材料采用45钢正
火处理。由表16-1查得σb=600 MPa。 (3) 估算轴的最小直径。因轴的外伸端和联轴器联接， 基本不承受弯矩，因此C可取较小值。由表16-3取C=110， 代入式(16-3)得
轴向力，而且结构简单。
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图16-6 轴肩与轴环
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2) 套筒定位(图16-6(b))
采用套筒定位，既能避免因用轴肩而使轴径增大，又可 减少应力集中源。但若套筒过长，则会增大材料用量及重量。 3) 轴端挡圈(图16-7) 轴端挡圈适用于轴端零件的轴向固定。与轮毂相配装的
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2. 轴的分类
按轴承受的载荷不同，可将轴分为心轴、转轴和传动轴 三种。心轴工作时仅承受弯矩而不传递转矩，如自行车轴 (图16-1)。转轴工作时既承受弯矩又承受转矩，如减速器中 的轴(图16-2)。传动轴则只传递转矩而不承受弯矩，如汽车 中联接变速箱与后桥之间的轴(图16-3)。
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悬臂长度:
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从动轮转矩:
圆周力:
径向力:
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② 垂直平面内的弯矩图。
支承反力：
D点弯矩:
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③ 水平平面内的弯矩图。
支承反力：
D点弯矩:
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④ 合成弯矩图。
最大弯矩在D点所在的剖面上，其值为
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16.1.4 轴的强度计算
1. 传动轴的强度计算 传动轴是只传递转矩而不承受弯矩的轴。只需要知道轴 传递的转矩大小，就可以对传动轴进行强度校核或设计计算。 强度条件为
(16-1)
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对于圆截面的实心轴，若已知轴的转速n(r/min)和传递 的功率P(kW)，上式可写为 (16-2)
［σ－1b］=55 MPa，将以上数值代入式(16-4)得
(6) 绘制轴的零件图, 见图16-14。
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图16-14 轴零件图
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16.2 滚 动 轴 承
16.2.1 滚动轴承的结构、类型和代号 1. 滚动轴承的结构 典型的滚动轴承结构如图16-15、图16-16所示，它一般 由内圈、保持架、滚动体和外圈组成。内圈装在轴颈上，外 圈装在轴承座孔内。轴承内圈、外圈上都有滚道，转动时， 滚动体沿滚道滚动。保持架将滚动体均匀分隔。多数情况下，
由式(16-3)求出的直径作为轴的最小直径。
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根据当量弯矩图，确定危险截面及其当量弯矩值，校核
危险截面的强度。
(16-4)
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例16-1 图16-12为一带式输送机传动系统，试设计减
速器的从动轴。已知减速器主动轴输入功率为P1=2.68 kW， 主动轴转速n1=568 r/min，圆柱齿轮传动效率为0.97，一对滚 动轴承效率为0.99，传动比i=4.2，从动齿轮分度圆直径 d2=282.5 mm，轮毂宽度为55 mm，单向运转，工作载荷平稳， 采用深沟球轴承支承。
代号及内径代号三部分构成。 ① 类型代号用数字或大写字母表示，常用的轴承类型代 号见表16-5。 ② 尺寸系列代号由轴承的宽(高)度系列代号和直径系列
代号组合而成，见表16-6。
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直径系列代号表示内径相同的同类轴承有几种不同的外
径和宽度，如图16-18所示。
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(4) 轴的结构设计及绘制结构草图。
① 轴系各零件的位置和固定方式。齿轮安装在轴的中部， 两侧分别用轴环和套筒作轴向固定，用平键(键14×45 GB
1096－90)联接作周向固定。轴承安装在齿轮两边，左边轴
承用轴肩作轴向固定，轴承孔与轴颈采用过渡配合；右边轴 承用套筒作轴向固定，轴承孔与轴之间也采用过渡配合；两 边轴承的外圈用轴承盖作轴向固定。弹性套柱销联轴器安装 在轴的外伸端，用平键(键10×70 GB 1096－90)联接作周向 固定，用轴肩作轴向固定。 以上各零件布置见图16-13。
性挡圈(图16-9)、紧定螺钉(图16-10)及轴承端盖。
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图16-8 圆螺母
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图16-9 弹性挡圈
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图16-10 紧定螺钉
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3. 轴上零件的周向定位及固定
为了满足机器传递运动和转矩的要求，轴上零件除了需 要轴向定位外，还必须有可靠的周向定位。常用的周向定位 及固定方法有键、花键、销、过盈配合及紧定螺钉(图16-10) 等。 在图16-5中，齿轮与轴之间的周向固定采用了平键联接。
⑤ 作扭矩图。扭矩等于从动轮的转矩，即
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⑥ 作当量弯矩图。因为减速器单向运转，故扭转剪应力
按脉动循环变化，取α=0.6，最大当量弯矩在D点处，其值为
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⑦ 确定危险剖面处的轴径。根据轴所选材料为45钢正
火，σb=600 MPa，查表16-4得许用对称循环弯曲应力
外圈不转动，内圈与轴一起转动。常见的滚动体形状如图
16-17所示，依次为球、圆柱滚子、圆锥滚子、滚针及鼓形 滚子。
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图16-15 深沟球轴承
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图16-16 圆柱滚子轴承
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图16-17 常见的滚动体形状
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