轴系零部件课件

第五章轴系零部件在机械中，轴、轴承、联轴器、离合器和制动器等统称为轴系零件。它们是机械的重要组成部分，其设计是否正确、选择是否合理将直接影响整台机器的工作性能。下面分别介绍它们的设计、计算和选择问题。第一节轴一、轴的功用机器工作时，其中的有些零件，如齿轮、蜗轮、带轮和链轮等需作旋转运动。这些零件通常都套装在轴上，而轴又套装在轴承上构成组件，再装到机座或机箱上。由此可见，轴一方面用来支撑旋转零件，传递运动和动力，另一方面又被轴承所支撑，是机器中必不可少的重要零件。二、轴的类型按轴的不同用途和受力状况，轴可以分为：心轴、传动轴和转轴三类。第五章轴系零部件

1．心轴只承受弯矩（支撑转动零件）而不承受扭矩（不传递转矩）的轴称为心轴。当心轴随转动零件转动时称为转动心轴，如火车车轴（图5-1）；而固定不旋转的心轴称为固定心轴，如自行车轴（图5-2）。

2.传动轴主要传递转矩，不承受或很少承受弯矩的轴称为传动轴，如汽车的主传动轴、转向轴等（图5-3）。

3.转轴工作时既承受弯矩（支撑转动零件），又承受转矩（传递动力）的轴称为转轴，如减速器中的轴（图5-4）。这是机器中最常见的轴。

图5-1转动心轴图5-2固定心轴第五章轴系零部件按轴线情况的不同，轴还可分为直轴和曲轴（图4-5c）。直轴又分为光轴（图4-5a）和阶梯轴（图4-5b）两种。此外，还有一些特殊用途的轴，如钢丝软轴（图5-6），这种轴具有良好的挠性，它可不受限制地把旋转运动传递到空间任何位置，常用于机械式远距离控制机构、仪表传动及手持电动小型机具等。图5-5轴图5-6钢丝软轴第五章轴系零部件

三、轴的材料由于轴通常需具备良好的综合机械性能，所以轴的材料常选用碳素钢和合金钢。碳素钢

35、45、50等优质碳素结构钢因具有较高的综合力学性能，常用来做轴的材料，其中45号钢用得最为广泛。为了改善其力学性能，应进行正火或调质处理。不重要或受力较小的轴，则可采用Q235、Q275等普通碳素结构钢。合金钢合金钢具有较高的机械强度和优越的淬火性能，但价格较贵，故多用于要求强度高、尺寸小、重量轻及非常温下工作或有其它特殊要求的轴。对于强度要求高、重载而无很大冲击的轴，可采用40Cr、40MnB、35SiMn、40CrNi等合金调质钢。轴进行调质处理，获得综合力学性能。对于要求强度、韧性及耐磨性均较好的轴，可采用20Cr、20CrMnTi等渗碳钢，进行渗碳、淬火及低温回火热处理。而对于一些形状复杂的轴，如曲轴等可应用球墨铸铁制造，一方面其成本低廉，吸振性较好，另一方面球墨铸铁对应力集中的敏感性较低，且强度较好。第五章轴系零部件四、轴的计算轴的强度计算应根据轴的承载情况，采用相应计算方法。常见的轴的强度计算方法有两种：按扭转强度计算和按弯扭组合强度计算。

1．按扭转强度计算这种方法适用于只承受转矩的传动轴的精确计算，也可用于既受弯矩又受扭矩的轴的近似计算。对于只传递扭矩的圆截面轴，其强度条件为≤

[]

(5-1)

式中

——轴的扭转切应力，单位MPa；

——转矩，单位Nmm；

——抗扭截面模量，单位mm3，对圆截面轴

第五章轴系零部件

——传递的功率，kW；

——轴的转速，r/min；

——轴径，mm；

[]——许用扭切应力，MPa。

对于既传递扭矩又承受弯矩的轴，也可用上式初步估算轴的直径，但必须把轴的许用扭切应力[]适当降低（见表5-1）以补偿弯矩对轴的影响。将降低后的许用应力代入上式，并改写为设计公式式中

C——由轴的材料和承载情况确定的常数，见表5-1；

d——轴的直径，mm。(5-2)

第五章轴系零部件表5-1常用材料的[]值和C值

2．按弯扭组合强度计算

对于转轴，当轴上零件的位置布置妥当后，外载荷和支承反力的作用位置即可确定，由此可作轴的受力分析及绘制弯矩图和转矩图。这时就可按弯扭组合强度计算轴径。具体计算方法参见材料力学课程有关内容。对于一般的轴，采用式（5-2）来确定轴径就可以了；对于重要的轴，则需根据有关资料进行更精确的强度、刚度计算和校核；对于转速较高、跨度较大而刚性较小或外伸端较长的轴，则还应进行临界转速的校核计算。轴的材料Q235，20354540Cr，35SiMn[]/MPa12~2020~3030~4040~52C160~135135~118118~107107~98第五章轴系零部件五、轴的结构设计轴的结构设计就是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。主要有以下要求：

1）轴应便于加工，轴上零件要易于装拆；

2）轴和轴上零件要有准确的工作位置（定位）；

3）各零件要牢固而可靠地相对固定；

4）改善受力状况，减小应力集中。下面逐项讨论这些要求，并结合图5-7所示的单级齿轮减速器的高速轴加以说明。

1.制造安装要求为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图5-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为方便轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。第五章轴系零部件图5-7轴的结构1.制造安装要求为便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯轴。对于一般剖分式箱体中的轴，它的直径从轴端逐渐向中间增大。如图5-7所示，可依次将齿轮、套筒、左端滚动轴承、轴承盖和带轮从轴的左端装拆，另一滚动轴承从右端装拆。为方便轴上零件易于安装，轴端及各轴段的端部应有倒角。第五章轴系零部件轴上磨削的轴段，应有砂轮越程槽（图5-7中⑥与⑦的交界处）；车制螺纹的轴段，应有退刀槽。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。

2.轴上零件的定位阶梯轴上截面变化处叫做轴肩，起轴向定位作用。在图5-7中，④、⑤间的轴肩使齿轮在轴上定位；①、②间的轴肩使带轮在轴上定位；⑥、⑦间的轴肩使右端轴承定位。

3.轴上零件的固定轴上零件的轴向固定，常采用轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈等形式。在图5-7中，齿轮能实现双向固定。齿轮受轴向力时，向右通过④、⑤间的轴肩，并由⑥、⑦间的轴肩顶在滚动轴承内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承内圈上。无法采用套筒或套筒太长时，可采用圆螺母加以固定，如图5-8所示。图5-7所示带轮的轴向固定是靠①、②间的轴肩及轴端挡圈。图5-9所示为轴端挡圈的一种型式。第五章轴系零部件图5-8双圆螺母图5-9轴端挡圈采用套筒、轴端挡圈、螺母作轴向固定时，应将装零件的轴段长度做得比零件轮毂短2~3mm。以保证套筒、螺母或轴端挡圈能靠紧零件端面。为了保证轴上零件紧靠定位面（轴肩），轴肩的圆角半径r必须小于相配零件的倒角C1或圆角半径R，轴肩高必须大于C1或R（图5-10）图5-10轴肩和圆角第五章轴系零部件轴向力较小时，零件在轴上的固定可采用弹性挡圈或紧定螺钉（图5-11）。轴上零件的周向固定，大多采用键、花键或过盈配合等联接形式。采用键联接时，为加工方便，各段轴的键槽应设计在同一加工直线上，并应尽可能采用同一规格的键槽截面尺寸。如（图5-12）所示。

4．减少应力集中零件截面发生突然变化的地方，受载后都会造成应力集中现象。因此对阶梯轴来说，在截面尺寸变化处应采用圆角过渡，并尽量避免在轴上、特别是应力大的部位开横孔、切口或凹槽。必须开横孔时，孔边要倒角。图5-11弹性挡圈和紧定螺钉图5-12键槽分布第五章轴系零部件六、轴的设计步骤为了保证轴的正常工作，轴必须具有足够的强度、刚度、表面硬度、合理的结构和良好的工艺性。设计轴的一般步骤是：

1）受力分析；

2）选择材料和热处理；

3）按扭转强度估算最小直径；

4）进行轴的结构设计,确定轴的各段直径、长度,画出结构草图；

5）按弯、扭组合作用验算轴的强度和刚度；

6）绘制轴的工作图(零件图)。第五章轴系零部件第二节轴承

一、轴承的功用与分类

1．轴承的功用轴工作时大多数要作旋转运动，因此轴承是用来支撑轴及轴上回转零件，使轴能实现旋转运动的部件。

2．轴承的分类按轴承能承受载荷的方向，可分为可承受径向载荷的向心轴承、可承受轴向载荷的推力轴承和既可承受径向载荷又能承受轴向载荷的向心推力轴承。按轴承工作时的摩擦性质，可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑简便和易于互换等优点，其缺点是抗冲击能力差，高速时出现噪声，工作寿命也不及滑动轴承。虽然滚动轴承具有一系列优点，获得广泛应用，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合，滑动轴承就显示出它的优异性能。因而，在汽轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机

第五章轴系零部件中多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击的机器中，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也常常采用滑动轴承。滚动轴承是标准件，有专门工厂生产供应。一般滑动轴承也有标准，因此，使用者的任务主要是了解它们的结构、类型、特点等，以便合适地选用。二、滑动轴承如图5-13所示，滑动轴承主要由轴承座1（或壳体）和轴瓦2所组成。图5-13a为承受径向力的向心轴承，图5-13b为承受轴向力的推力轴承，图5-13a为同时承受径向力和轴向力的向心推力轴承。

a）b）c）图5-13滑动轴承结构简图1—轴承座2—轴瓦第五章轴系零部件为了减小轴瓦与轴颈表面之间的摩擦力，减轻表面磨损，以保持机器的工作精度，必须在滑动轴承内加入润滑剂，对滑动表面进行润滑。一般来说，滑动轴承的润滑可能有两种状态：非液体摩擦状态和液体摩擦状态。非液体摩擦状态如图5-14a所示，在轴颈1和轴瓦2的表面之间形成一层极薄的不完全的油膜，它使轴颈与轴瓦表面有一部分隔开，但还有一部分直接接触。这时，滑动面间的摩擦力大为减小，一般滑动轴承中的摩擦都处在这种状态。图5-14滑动轴承的润滑状态a）非液体摩擦状态b）液体摩擦状态1—轴颈2—轴瓦第五章轴系零部件液体摩擦状态如图5-14b所示，在轴颈1和轴瓦2的表面之间形成一层较厚的油膜，将两相对滑动的表面完全隔开。这时一种理想的润滑状态，它使滑动表面之间的摩擦和磨损降低到最小的程度。为了获得完全的液体摩擦状态，有如下两种方法：

1）动压法利用油的粘度和轴颈的高速旋转，把润滑油带进轴承的楔形空间（图5-15），形成一个压力油楔而把两摩擦面分开，这种轴承称为液体动压轴承。

2）静压法来自油泵的压力经过节流阀（一种液压元件）后进入轴承油腔（图5-16），将两摩擦表面分开，这种轴承称为液体静压轴承。图5-15液体动压轴承原理第五章轴系零部件图5-16液体静压轴承原理滑动轴承的结构形式甚多，此处介绍两种有标准可查的向心滑动轴承。第五章轴系零部件

1．整体式滑动轴承图5-17所示为典型的整体式滑动轴承。它是由轴承座和轴瓦组成。整体式滑动轴承的特点是结构简单、制造成本低，但无法调整轴颈与轴承孔之间的间隙，当轴瓦磨损到一定程度后，必须更换。此外，在安装和拆卸时只能沿轴向移动轴或轴承才能装拆，很不方便。所以，一般应用于低速、载荷不大及间歇工作而不需要经常装拆的场合，如绞车、手动起重机等。

2．剖分式滑动轴承图5-18所示为典型的剖分式滑动轴承。它是由轴承座、轴承盖、剖分的上、下轴瓦及螺栓等组成。为了使润滑油能够较均匀地分布在整个工作面上，通常在轴瓦不承受载荷的表面上开出油沟和油孔。油沟的形式很多，如图5-19所示。在上、下两半轴瓦之间的结合面上放上几片垫片，这样在轴瓦磨损以后，可按磨损程度调整垫片厚度，使轴颈与轴瓦之间保持适当的间隙。因此，剖分式滑动轴承的最大特点是能够调整轴颈与轴瓦之间的间隙和安装方便，因此得到广泛应用。第五章轴系零部件图5-17整体式滑动轴承图5-17剖分式滑动轴承三、滚动轴承图5-19滚动轴承基本构造1．滚动轴承的构造滚动轴承是标准件。为了适应不同的载荷、转速及使用条件等要求，具有多种结构形式。现以图5-19所示的滚动球轴承为例说明滚动轴承的基本构造。滚动轴承是由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。保持架把滚动体彼此隔开并使它们沿圆周均匀分布，避免滚动体之间相互接触而相互制动、摩擦及磨损。第五章轴系零部件常见的滚动体形状如图5-20所示，有球、短圆柱滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、长圆柱滚子和滚针等。

2．滚动轴承的分类接触角是滚动轴承的一个主要参数，滚动轴承的分类以及受力分析都与接触角有关。表5-2列出了各种类型轴承（以球轴承为例）的接触角。图5-19滚动轴承基本构造

a)球形滚子b)短圆柱滚子c)圆锥滚子d)鼓形滚子

e)长圆柱滚子f)滚针图5-21常见的滚动体形状第五章轴系零部件表5-2各类球轴承的公称接触角轴承类型向心轴承推力轴承径向接触向心角接触推力角接触轴向接触公称接触角

图例滚动体与外圈接触处的公法线与垂直于轴承轴线的平面之间的夹角称为公称接触角。公称接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角的不同可分为：（1）向心轴承向心轴承主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角为0º～45º。向心轴承按公称接触角的不同可分为：第五章轴系零部件

1）径向接触轴承=0º2）向心角接触轴承0º≤≤45º

（2）推力轴承推力轴承是主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角为45º≤≤90º。推力轴承按公称接触角的不同，又可分为：轴向接触轴承=90º

推力角接触轴承45º≤≤90º

常用的滚动轴承的主要类型及特性见表5-3。

3．滚动轴承的代号滚动轴承的类型很多，为了便于生产、设计和使用，国家标准规定了轴承的代号，并打印在轴承端面上，以便识别。滚动轴承的代号由基本代号、前置代号和后置代号构成，其排列顺序列于表5-4。第五章轴系零部件表5-4滚动轴承代号的排列顺序或加前置代号基

本

代

号后

置

代

号

轴承分部件代号（

）类型代号内径代号

内部结构改变、公差等级及其他代号尺寸系列代号宽（高）度系列代号直径系列代号

1）基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础。按国家标准生产的滚动轴承的基本代号，由轴承类型代号、尺寸系列代号和内径代号构成，见表5-4。基本代号左起第一位为类型代号，用数字或字母表示，见表5-4第一栏。代号为“0”（双列角接触球轴承）则省略。尺寸系列代号由轴承的宽（高）度系列代号（基本代号左起第二位）和直径系列代号（基本代号左起第三位）组合而成。向心轴承和推力轴承的常用尺寸系列代号如表5-5所列。图5-21所示为内径相同，而直径系列不同的四种轴承的对比，它们分别应用于不同承载情况轴的支撑。注：

代表字母；×代表数字。第五章轴系零部件

图5-21所示为内径相同，而直径系列不同的四种轴承的对比，它们分别应用于不同承载情况轴的支撑。内径代号（基本代号左起第四、五位数字）表示轴承公称内径尺寸，按表5-6的规定标注。表5-5向心轴承和推力轴承的常用尺寸系列代号图5-21直径系列的对比直径系列代号向心轴承推力轴承宽度系列代号高度系列代号（0）1212窄正常宽正常尺寸系列代号01特轻（0）0（0）1101120211011-2轻（0）2122212223中（0）3132313234重（0）4-241424第五章轴系零部件表5-6轴承内径代号

2）前置代号用字母表示成套轴承的分部件。前置代号及含义可参阅GB/T272-1993。

3）后置代号用字母（或加数字）表示，置于基本代号的右边，并与基本代号空半个汉字距离或用：“-”、“/”分隔。轴承后置代号排列顺序列于表5-7。表5-7轴承后置代号排列顺序内径代号0001020304~99轴承内径尺寸/mm10121517数字×5后置代号123456含

义内部结构密封与防尘保持架及材料轴承材料公差等级游隙第五章轴系零部件公差等级代号列于表5-8。

表5-8公差等级代号例5-1试说明轴承代号62203和7312/P6的含义。代号省略/P6/P6x/P5/P4/P2公差等级符合标准规定的等级0级6级6x级5级4级2级示例62036203/P630210/P6x6203/P56203/P46203/P2解：62203轴承内径，直径系列代号，2（轻）系列宽度系列代号，2（宽）系列深沟球轴承第五章轴系零部件

7（0）312/P6公差等级轴承内径，d=12×5=60mm直径系列代号，3（中）系列宽度系列代号，0（窄）系列，不标出角接触球轴承第五章轴系零部件第三节联轴器和离合器联轴器和离合器是机械传动中常用的部件，它们主要用来联接不同部件之间的两轴（或轴与其它回转件），使其一同回转并传递转矩，有时也可作安全装置。用联轴器联接的两根轴在机器运转时不能分开，只有在机器停车后，通过拆卸才能分离。而离合器在机器运转时，可通过操纵机构随时能使两轴（或两回转体）接合或分离。下面介绍几种常用的联轴器和离合器。一、联轴器联轴器可分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。刚性联轴器由刚性传力件组成，又可分为固定式和可移式两种。固定式联轴器不能补偿两轴的相对位移，所以要求被连接的两轴严格对中和工作中不发生移动；可移式联轴器能补偿两轴的相对位移，所以允许两轴有一定的安装误差。第五章轴系零部件弹性联轴器包含有弹性元件，能补偿两轴的相对位移，并具有吸收振动和缓和冲击的能力。

1．固定式联轴器固定式联轴器可以把两轴牢固地连接起来，构成刚性连接，故又称固定式刚性联轴器。这种联轴器要求被连接两轴中心线严格对中，工作时不允许两轴有相对位移。（1）套筒联轴器如图5-22所示的套筒联轴器是一种最简单的联轴器，它由一个套筒和连接件（键或销）组成。套筒式联轴器结构简单，径向尺寸小，制造容易，但拆卸较困难。常用于两轴同轴度高，工作较平稳，无冲击载荷的场合。图5-22套筒联轴器第五章轴系零部件（2）凸缘联轴器如图5-23所示，凸缘联轴器由两个圆盘（半联轴器）和连接件（键和螺栓）组成。两圆盘有凸肩、凹孔，形成对中止口，以保证两轴的同心度。两圆盘用螺栓连成整体，两圆盘又分别用键与轴相连。凸缘联轴器结构简单，对中准确，能传递较大扭矩，但被连接的两轴必须严格对中，不能缓冲和吸振，常用于振动不大，速度较低，两轴能很好对中的场合。图5-23套筒联轴器第五章轴系零部件

2．可移式联轴器可移式联轴器可以补偿两轴的偏移，适用于被联接两轴不能严格对中的场合。被联接的两轴可能发生的偏移有轴向偏移、径向偏移、角偏移和综合偏移，如图5-24所示。图5-24两轴间的相对位移a）轴向位移b）径向位移c）角位移d）综合位移第五章轴系零部件（1）十字滑块联轴器如图5-25所示，它由两个端面开有凹槽的半联轴器1和4及一个两面有方榫3的圆盘2组成。半联轴器1和2分别与主动轴和从动轴相联，圆盘2两面的榫3互成90°，分别嵌入两半联轴器的凹槽中，转动时圆盘随轴转动，榫3在凹槽中滑动。这种联轴器可以补偿径向偏移和角偏移，结构简单，因存在摩擦，仅适用于低速场合。图5-265十字滑块联轴器1—左半联轴器2—中间圆盘3—榫4—右半联轴器第五章轴系零部件（2）万向联轴器万向联轴器又称十字铰链联轴器。如图5-26a所示，两个带叉的半联轴器1和2分别与主动轴和从动轴联接，两个半联轴器之间又以铰链形式与十字形构件3联接起来，这个“十”字形构件的中心与两轴交点重合。因此，当一轴位置固定后，另一轴可以在任意方向偏斜角，角位移=40º～45º。

a）b）图5-26十字滑块联轴器第五章轴系零部件用一个万向联轴器联接成一定角度的两轴，虽然主动轴转一周，从动轴也转一周，但是，当主动轴匀速转动时，从动轴转速不均匀。若要克服这一缺点，可采用两个万向联轴器组合起来安装，安装中必须满足下列两个条件：①主动轴、从动轴与中间轴的夹角相等，即；②中间轴两端的叉面必须位于同一平面内，如图5-26b所示。

3．弹性联轴器弹性联轴器是用弹性零件的弹性来补偿制造及安装过程中的误差，这种能力较可移式联轴器差，但具有较好的缓冲能力与减振能力。（1）弹性柱销联轴器弹性柱销联轴器的结构与凸缘联轴器相似，但用具有弹性的柱销代替螺栓，属于弹性可移式联轴器，如图5-27所示。它依靠柱销的变形，来补偿两轴间相对偏移和偏斜，并可缓冲吸振。它具有结构简单、制造容易维护方便等优点，常用于中等载荷、正反转变化多、起动频繁的高、低速传动。LX型是基本型，LXZ型是带制动轮型。第五章轴系零部件（LX型）（LXZ型）图5-27弹性柱销联轴器（2）弹性圈柱销联轴器如图5-28所示，它的结构与柱销联轴器相似，但用套有橡胶圈1的柱销2代替弹性柱销，弹性更好。它依靠橡胶圈的变形来补偿两轴间相对偏移和偏斜，并可缓冲吸振，常用于变载荷、正反转变化多、起动频繁的高速轴（低速轴不宜使用）传动。LT型是基本型，LTZ型是带制动轮型。第五章轴系零部件（LT型）（LTZ型）图5-28弹性套柱销联轴器1—柱销2—弹性圈二、离合器离合器的形式很多，常用的有牙嵌离合器和摩擦离合器。牙嵌离合器是依靠齿的相互嵌入来传递扭矩，而摩擦离合器是靠摩擦力来传递扭矩。第五章轴系零部件

1.牙嵌离合器牙嵌离合器是由两个端面上有牙的半离合器组成。如图5-29所示，其中一个左半离合器固定在主动轴上，另一个右半离合器用导向键（或花键）与从动轴联接，并可利用操纵机构移动右半离合器，使两个半离合器的牙相互嵌合或分离，从而实现两轴的接合和分离。为使两个半离合器能够对中，在主动轴端的半离合器上装有一个对中环，从动轴可在对中环内自由移动。

牙嵌离合器结构简单，两轴连接后无相对运动。但在接合时有冲击，只能在低速或停车状态下接合，否则易将牙打坏。

图5-29牙嵌离合器1—固定套2—中间环3—滑动套第五章