04版机械工程基础教科书解析Word格式.docx
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表4-1列出了轴的常用材料及其机械性能。
表4-1轴的常用材料及其主要力学性能和应用场合
材料
热处理
毛坯直径/mm
硬度
/HBS
抗拉强度
σb
屈服点
σs
抗弯曲
疲劳极限
σ-1
抗剪切
τ-1
应用场合
MPa
Q235
440
235
200
105
用于不重要或载荷不大的轴
35
正火
≤100
143~187
520
270
250
125
有好的塑性和适当的强度,可做一般曲轴、转轴等
回火
>100
~300
500
260
240
120
调质
560
300
265
135
45
170~217
600
275
140
用于较重要的轴,应用最为广泛
162~217
580
290
217~255
650
360
155
40Cr
241~286
750
550
350
用于载荷较大而无很大冲击的重要轴
241~266
700
340
195
40MnB
≤200
241~289
335
性能接近40Cr,可作其代用品
35SiMn
42SiMn
229~289
800
400
205
217~269
450
185
35CrMo
207~269
390
用于重载荷的轴
20Cr
渗碳+
淬火+
≤60
表面50~60HRC
280
160
用于强度、韧性及耐磨性较高的轴
QT450
-10
160~210
310
多用于铸造形状复杂的曲轴、凸轮轴等
QT600
-3
190~270
370
215
4.1.2轴的结构
图4-7是一个两支点的转轴结构图。
轴的合理结构,除了根据受力情况设计合理的尺寸以满足强度和刚度(抵抗变形的能力)要求外,还必须满足两点要求:
一是轴上零件和轴能实现可靠的定位和紧固,二是便于加工制造、装拆和调整。
1.零件在轴上的定位和紧固
零件在轴上轴向定位和紧固可采用轴肩、弹性档圈、套筒、螺母和圆锥表面等方法。
零件在轴上的周向定位和紧固可采用键联接、花键联接(图4-8)、销钉联接和过盈配合等方法。
2.便于轴的加工制造、装拆和调整
一根形状简单的光轴,最易于加工制造。
但为了使零件在轴上装拆方便以及零件能在轴向定位,往往把轴做成阶梯形(图4-7),并在轴肩及轴端倒角。
考虑加工方便,例如为了加工螺纹和磨削轴颈,轴上应留有退刀槽和砂轮越程槽(图4-9)。
当轴上有多个键槽时,应尽可能安排在同一直线上,使加工键槽时无需多次装夹换位。
为了减少应力集中,轴肩过渡要缓和,并做成圆角。
但这种圆角还须小于装配零件的圆角,零件方能靠紧轴肩(图4-7)。
图4-7轴的典型结构
l-倒角;
2,5-轴肩;
3-套简齿轮压紧处;
4-弹性档圈;
6-平键;
7-套筒;
8,10-螺母;
9-圆锥表面
图4-8花键联接
4.2轴承
轴承的功用,一是支承轴及轴上零件,二是保持轴的旋转精度;
三是减少轴与轴承接触面间的摩擦与磨损。
按照轴承工作表面的摩擦性质,轴承可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。
按照轴承所受载荷的性质,轴承又可分为三种型式:
承受径向载荷的向心轴承;
只能承受轴向载荷的推力轴承;
可以同时承受径向载荷和轴向载荷的向心推力轴承。
4.2.1滑动轴承
1.整体式向心滑动轴承
整体式向心滑动轴承(图4一11)是在机架(或机壳)上直接制孔并在孔内镶以轴瓦做成的。
它的优点是结构简单,缺点是轴颈只能从端部装拆,造成安装检修的困难;
同时,轴承工作表面磨损后无法调整间隙,必须更换新的轴瓦。
整体式向心滑动轴承通常用于轻载、低速或间歇性工作的机器设备中。
图4-11整体式向心滑动轴承
2.剖分式向心滑动轴承
图4-12所示为一种普通的剖分式向心滑动轴承,它主要由轴承座、轴承盖及剖分的两块轴瓦等组成。
轴承座与轴承盖的剖分面做成阶梯形的配合止口,以便定位。
剖分面可以放置调整垫片,以便安装时或磨损后调整轴承的间隙。
这种轴承克服了整体式轴承的缺点,且装拆方便,故应用较广。
图4-12剖分式向心滑动轴承
3.自动调整位滑动轴承
当轴承宽度B较大(B/d>1.5~1.75)时,由于轴的弯曲变形,或由于装配和工艺原因所引起的轴或轴承孔的倾斜,使轴瓦两端与轴颈局部接触(图4-13(a)),致使轴瓦两端急剧磨损。
此时宜采用自动调位式滑动轴承(图4-13(b))。
这种轴承的轴瓦可绕配合球面的中心转动而自动调整位置,以保证轴瓦和轴颈的轴线一致,从而保证轴颈与轴瓦均匀接触。
图4-13自动调位滑动轴承
4.推力滑动轴承
推力滑动轴承通常具有环状支承面(图4-14(a))。
当轴向载荷较大时,可采用多环推力轴承,这时轴颈上应制出相应的轴环,如图4-14(b)所示。
图4-14推力滑动轴承
5.轴瓦
轴瓦是滑动轴承中直接与轴颈相接触的部分,轴承工作好坏常取决于轴瓦。
(1)轴瓦的结构
常见的剖分式轴瓦结构如图4-15所示。
轴瓦两端有凸缘,以防止它在轴承座中作轴向移动。
在轴瓦上还做有油孔、油槽(图4-16),用于输送和分布润滑油。
通常在一般材料制成的轴瓦内壁贴附一层减摩材料,这一减磨材料层称为轴衬,如图4-15所示。
这样的轴瓦,既具有减摩性,又具有一定的刚度。
(2)轴瓦与轴衬的材料
作为轴瓦与轴衬的材料,主要要求是:
具有良好的减摩、抗磨性,一定的强度,良好的导热性,易于加工。
常用的轴瓦与轴衬材料有青铜、轴承合金、粉末冶金(制成含油轴衬)和非金属材料(塑料、尼龙)等。
图4-15轴瓦图4-16轴瓦油槽的形式
4.2.2滚动轴承
1.滚动轴承的构造
如图4-17所示,滚动轴承由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4等组成。
内、外圈上的凹槽形成滚动体圆周运动的滚道;
保持架的作用是把滚动体均匀隔开,以避免它们相互摩擦和聚在一起;
滚动体是滚动轴承的主体,它的大小、数量和形状与轴承的承载能力密切相关。
滚动体的形状如图4一18所示,其中图(a),(b),(c),(d),(e),(f)和(g)分别表示滚球、圆柱滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、螺旋滚子、长圆柱滚子和滚针。
图4-17滚动轴承的构造图4-18滚动体的形状
l-外圈;
2-内圈;
3-滚动体;
4-保持架;
使用时,内圈装在轴颈上,外圈装人机架孔内(或轴承座孔内)。
通常内圈随轴一起旋转,而外围固定不动。
也有外圈随工作零件旋转而内圈固定不动。
2.滚动轴承的优缺点
与滑动轴承相比较,滚动轴承的优点有:
(1)摩擦阻力小,因而灵敏、效率高和发热量小,并且润滑简单,耗油量少,维护保养方便;
(2)轴承径向间隙小,并且可用预紧的方法调整间隙,以提高旋转精度;
(3)轴向尺寸小,某些滚动轴承可同时承受径向载荷与轴向载荷,故可使机器结构简化、紧凑;
(4)滚动轴承是标准件,可由专门工厂大批生产供应,使用、更换方便。
其缺点是:
抗冲击性能差;
高速时噪声大;
工作寿命较低。
3.滚动轴承的类型
通常轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角、滚动体的种类综合分为调心球轴承、调心滚子轴承、圆锥滚子轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承等。
常用的滚动轴承的类型及特性见表4-4。
表4-4滚动轴承的主要类型和特点
轴承类型
结构简图、承载方向
类型代码
尺寸系列代号
特性
调心球轴承
1
(0)2
主要承受径向载荷,也可承受不大的任一方向的轴向载荷。
但承受轴向载荷会形成单列滚动体受载而显著影响轴承寿命,所以应尽量避免受轴向载荷。
能自动调心,允许内、外圈轴线相对偏斜20~30。
该类轴承有圆柱孔和圆锥孔(锥度1:
12)两种型式适用于多支点传动轴、刚性较小的轴以及难以对中的轴。
(1)
22
(0)3
23
调心滚子轴承
2
31
32
承受径向载荷能力较大,同时也可承受一定的轴向载荷。
能自动调心,允许内、外同轴线相对偏斜20~30。
常用于需要自动调心且重载的工作情况,如轧钢机、大功率减速器等
圆锥滚子轴承
3
02
03
13
20
能同时承受较大的径向、轴向联合载荷,因系线接触,承载能力大于“7”类轴承。
公称接触角α(滚动体与套图接触处的法线与轴承径向平面之间的夹角)有普通型和加大型两种。
内、外圈可分离,装拆方便,成对使用、反向安装。
内、外圈轴线允许的偏转角<20。
常用于斜齿轮轴、蜗轮减速器轴和机床主轴等
推力球轴承
5
11
12
14
只能承受轴向载荷,且作用线
必须与轴线相重合,不允许有角
偏差。
有单列——承受单向推
力和双列——承受双向推力等
类型高速时,因滚动体离心力大,球与保持架摩擦发热严重,寿命较短。
可用于轴向裁行大,转速不高之处,常用于起重吊钩、蜗杆轴、立式车床主轴等
深沟球轴承
6
18
19
(1)0
(1)2
(1)3
(0)4
结构简单,应用最广。
主要用于承受径向载荷,也可承受不大的任一方向的轴向载荷,承受冲击载荷能力差。
高速时可代替推力轴承承受纯轴向载荷。
允许内、外圈轴线相对偏斜20~100。
适用于刚性较大的轴上。
常用于机床齿轮箱、小功率电机等
角接触球轴承
7
(2)0
(2)2
(2)3
能同时承受径向、轴向联合载
荷,公称接触角a越大,轴向承
载能力也越大。
公称接触角有
150,250和400三种,通常成对使
用、反向安装。
内、外圈轴线允
许的偏转角为20~100
适用于刚性较大、跨距小的轴。
常用于机床主轴、蜗轮减速器等
圆柱滚子轴承(外圈无挡边)
N
10
(0)3
用于承受径向载荷,内、外圈
可分开安装。
对轴的变形敏感,
允许内、外圈轴线相对偏斜仅为
20~40
对轴的挠曲很敏感,故适用于
刚性大、对中良好的轴。
常用于
大功率电机、人字齿轮减速器等
注:
()中的数字在轴承代号中省略,如6(0)200型写成6200型。
因为结构不同,各种类型滚动轴承的使用性能也不相同,现说明如下:
(1)承载能力
外形尺寸相同时,滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.5~3倍。
因此,载荷较大或有冲击载荷时,宜选用滚子轴承。
但当轴承内径d≤20mm时,两者承载能力接近,而球轴承的价格便宜,故应优先选用球轴承。
在角接触球轴承中(表4-4),滚动体与外圈滚道接触点(或线)的法线与轴承径向平面之间的夹角α称为接触角。
正因为这种构造特点,使它能承受径向与轴向载荷的联合作用。
接触角越大,承受轴向载荷的能力也越大。
向心轴承的接触角α为零,所以,它主要用于承受径向载荷。
但有些类型的向心轴承也能承受一定的轴向载荷。
如图4-19所示的深沟球轴承,由于滚动体与滚道间留有微量间隙,受轴向载荷时,轴承内外圈间将产生轴向相对位移,实际上形成一个不大的接触角(图4-19),故能承受一定的轴向载荷。
图4-19深为轴承接触角
(2)极限速度
滚动轴承转速过高会使摩擦面间产生高温造成润滑失效,从而导致胶合破坏。
滚动轴承在一定载荷与润滑条件下所允许的最高转速称为极限转速,用nlim表示;
轴承应在低于极限转速下工作,以免影响轴承寿命。
各类轴承的极限速度具体值见有关手册。
(3)偏位角
由于安装误差或轴的变形等原因都会引起轴在内、外圈中心线发生相对倾斜,其倾斜角θ称为偏位角,如图4-20所示。
能自动适应角偏位并保证正常工作的轴承称为自位轴承。
表4-4列出了各类轴承允许的偏位角值。
图4-20角偏位
4.滚动轴承的代号
为了区别不同类型、结构、尺寸和精度的滚动轴承,国家标准规定了识别符号,即轴承代号,并把它印在轴承的端面上。
对于常用的、结构上无特殊要求的轴承,轴承代号由类型代号、尺寸系列代号、内径代号和公差等级代号组成,并按上述顺序由左至右依次排开。
尺寸系列是轴承的直径系列和宽度(对推力轴承为高度)系列的总称。
直径系列是表示同一类型,内径相同的轴承,其外径有一个递增的系列尺寸;
宽度(高度)系列是表示轴承的内、外径相同,其宽度(高度)有一个递增的系列尺寸。
轴承类型代号用阿拉伯数字或大写拉丁字母表示,尺寸系列代号用阿拉伯数字表示,两者以组合代号形式印在轴承端面上。
轴承的类型代号与尺寸系列代号见表4-4,内径代号见表4-5,公差等级代号见表4-6。
表4-5轴承内径代号
内径代号
00
01
04~09
轴承内径/mm
15
17
代号数×
注:
轴承内径代号用两位阿拉伯数表示。
内径为22、28、32、≥500mm的轴承用内径毫米数直接表示,但与组合代号之间用“/”分开。
例如深沟球轴承62/22,内径d=22mm。
表4-6轴承公差等级及其代号
代号
/P0
/P6
/P6x
/P5
/P4
/P2
公差
等级
0级
6级
6x级
5级
4级
2级
含义
代号中省略不表示
高于0级
高于0级(适用于圆锥滚子轴承
高于6,6x级
高于5级
高于4级
例4-2说明轴承代号6215,30208/P6x,7310C/P5的涵义。
解
62150
公差等级为0级(省略)
轴承内径d=15×
5mm=75mm
尺寸系列,其中宽度系列为0(省略),直径系列为2
深沟球轴承
30208/P6x
公差等级为6x
轴承内径d=8×
5mm=40mm
尺寸系列,其中宽度系列为0,直径系列为2
圆锥滚子轴承
7310C/P5
公差等级为5级
接触角α=150(α=250、400时,分别用AC、B表示)
轴承内径d=10×
5mm=50mm
尺寸系列,其中宽度系列为0(省略),直径系列为3
角接触球轴承
5.滚动轴承的选用
滚动轴承是标准件,使用时可按具体工作条件选择合适的轴承。
表4-4已列出了各类轴承的特点及应用场合,可作为选择轴承类型的参考。
一般来说,选用滚动轴承应考虑以下几方面情况:
(1)轴承所受载荷的大小、方向和性质载荷较小而平稳时,宜用球轴承;
载荷大、有冲击时宜用滚子轴承。
当轴上承受纯径向载荷时,可采用向心轴承;
当同时承受径向载荷和轴向载荷时,可采用角接触轴承;
当承受纯轴向载荷时,可采用推力轴承。
(2)轴承的转速每一型号的滚动轴承都各有一定的极限转速,通常球轴承比滚子轴承有较高的极限转速,所以在高速时宜先采用球轴承。
(3)调心性能的要求如果轴有较大的弯曲变形,或轴承座孔的同心度较低,则要求轴承的内、外圈在运动中能有一定的相对偏位角,应采用具有调心性能的球面轴承。
(4)供应情况、经济性或其它特殊要求。
4.2.3轴承的润滑与密封
润滑的作用是减小摩擦与磨损、冷却散热、防锈蚀及减震等。
显然这对保证机械的正常运转、提高工作效率、延长机械的使用寿命有着很大的意义。
密封主要是为了防止灰尘、水份等污物进人机械的运动部位和防止润滑油漏失。
所以在设计和使用机械时都要对润滑和密封问题予以合理解决。
下面扼要介绍一些轴承的润滑与密封知识:
1.润滑剂
常用的润滑剂有润滑油和润滑脂两种。
而常用的润滑油有10号、20号、30号、40号和50号机油。
油的标号越高,粘度越大。
粘度是润滑油的主要指标,选择润滑油主要是选择具有适当粘度的油。
润滑脂俗称黄油,它的粘度大,不易流失。
润滑油和润滑脂的使用要看具体情况而定,一般来说,轴承载荷越大,工作环境温度越高,采用的润滑油粘度应越大;
速度高则应采用粘度较小的润滑油。
通常在低速、重载、工作环境温度较高、有冲击载荷以及不便于加油的轴承中使用润滑脂。
新型润滑剂——二硫化钼、锂基脂等应用也日益广泛。
各种润滑剂的牌号及性能可查阅有关手册。
2.润滑方法与润滑装置
(1)油润滑
1)手浇润滑即用油壶通过机壳上的油孔人工间歇加油。
为了防止杂物落入油孔,常在油孔口安置压注油杯(图4-21),压下封口的钢球即可加油。
这种方法简单,但要经常注油,只适用于低速、轻载或不重要的轴承。
2)滴油润滑如采用图4-22所示的针阀油杯。
滴油量由针阀控制,而扳动手柄则用以控制钉阀的开闭。
图中手柄直立位置(双点划线位置)表示针阀上提,打开针阀孔即可滴油。
滴出的油可从玻璃管看出。
而图示手柄处于横卧位置,则表示针阀关闭。
拧动螺母可以调节针阀的开启量,以调节滴油量。
图4-21压注油杯
3)油环润滑如图4-23所示,在轴颈上悬挂一油环,其下部垂浸在油中。
当轴旋转时,油环被带动旋转,将油带到转颈上实现润滑。
这种方法只适用于转速范围在50~3000r/mm的水平轴。
转速过高油会被甩掉,过低则带不上油。
图4-22针阀式油杯
4)飞溅润滑使转动零件(例如齿轮、甩油盘等)浸入油面以下适当深度,转动时把油溅到轴承中。
齿轮箱中的轴承润滑常使用这种方法。
5)压力循环润滑利用油泵把油通过油管输入轴承中或喷向润滑点。
这种方法供油充足批较可靠,但设备费用较高,适用于重要的轴承等零件的润滑与冷却。
图4-23油环润滑
(2)脂润滑采用脂润滑时,加一次油脂可使用较长时间,保养比油润滑简单。
对于滚动轴承,如果容易接近和打开轴承端盖,采用脂润滑可不另加润滑装置。
常用的脂润滑装置是挤油杯(图4-24),利用旋盖将油杯内的润滑脂定期挤入轴承内。
如图4—21对所示的压注油杯亦可压注油脂,使用这种油杯时,必须用油枪将油脂向油孔中压注。
3.密封装置
常见的密封装置如图4-25所示。
图(a)为毛毡圈式密封装置,它是在轴承盖(或轴承座)孔内侧的环槽里装入毛毡圈,将轴与轴承盖间的间隙密封住。
图(b)为橡胶圈式密封装置,它是靠橡胶圈本身的弹力保持与轴顿接触而起密封作用。
为使接触可靠,常用环状自紧弹簧将橡胶圈卡紧在轴上。
图(C)为油沟式密封装置,它是利用轴承盖与轴间的细小环形间隙来密封的,多用于脂润滑的密封。
图4-24挤油杯
图4-25常见的轴承密封装置
4.3联轴器与离合器
联轴器和离合器主要是用于联接不同机器(或部件)的两根轴,使它们一起回转并传递转矩。
用联轴器联接的两根轴只有在机器停车时用拆卸的方法才能使它们分离。
用离合器联接的两根轴在机器运转中就能方便地使它们分离或接合。
联轴器和离合器的结构型式很多,下面介绍一些常见的类型。
4.3.1联轴器
按照结构特点,联轴器可分为固定式联轴器和可移式联轴器两大类。
1.固定式联轴器
固定式联轴器可以把两轴牢固地联接起来,构成刚性整体,故又称固定式刚性联轴器。
图4-26凸缘联轴器
图4-26为刚性凸缘联轴器的结构图,它是固定式刚性联接中应用最广泛的一种。
固定式刚性凸缘联轴器主要由两个分别装在两轴端部的凸缘盘和联接它们的螺栓所组成。
为使被联接两轴的中心线对准,可在联轴器的一个凸缘盘上车出凸肩,在另一个凸缘盘上制成相配合的凹槽。
图4-27套筒联轴器
图4-27所示的套筒联轴器也是一种固定式刚性联轴器。
固定式刚性联轴器的优点是结构简单,成本低。
缺点是要求两轴严格对中,无法补偿两轴间的相对位移(偏斜或错位);
同时,联轴器都由刚性零件所组成,缺乏缓冲与减震能力。
2.可移式联轴器
为了克服固定式联轴器的上述缺点,可采用可移式联轴器。
可移式联轴器的特点是允许被联接的两轴有一定的相对位移。
可移式联轴器分为刚性的和弹性的两种,前者利用联轴器中刚性零件间的相对运动来补偿两轴的相对位移,后者则利用联轴器中弹性零件的弹性变形来补偿两轴的相对位移。
(1)可移式刚性联轴器
常用
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- 04 机械工程 基础 教科书 解析
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