第十二章　軸系結構設計

機械設計教程第3版機械工業(yè)出版社第十二章軸系結構設計第一節(jié)軸轂連接設計

第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計第三節(jié)軸系的潤滑與密封第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施

第十二章軸系結構設計本章重點分析與傳動系統(tǒng)有關的軸轂連接和滾動軸承軸系結構的設計問題。機械結構在工作中要承擔由于各種原因引起的不同形式的載荷;機械結構執(zhí)行運動傳遞與運動變換功能;機械結構完成對物料運送與加工;機械結構是實現(xiàn)機械功能的物質基礎,是結構分析評價及工作能力設計的依據(jù)。機械結構設計方法與工作能力分析方法有較大差別。結構設計的基本方法是通過對多種已知結構的分析、比較、評價,選擇最合適的結構類型。要能夠正確地進行機械結構設計,需要了解常用的結構設計素材,本章中對常用的結構類型進行分類介紹。每一種結構類型的選擇都會對所設計的機械裝置的多方面性能產(chǎn)生影響,在確定結構類型時要綜合考慮這些影響,針對具體的機械裝置的要求,根據(jù)設計所追求的優(yōu)化目標確定最合理的結構設計方案。選擇結構方案首先應考慮功能的需要,因為“功能”是應首先保證的設計目標。在保證所設計功能可靠實現(xiàn)的基礎上,還必須保證結構可以通過工業(yè)化生產(chǎn)的方法實現(xiàn),零件可以制造,結構可以裝配,零件和裝置整體可以運輸?shù)?保證為實現(xiàn)所設計的裝置必須進行的工藝環(huán)節(jié)的可能性和方便性。經(jīng)濟性原則是處理工程問題必須關注的基本原則,在很多情況下經(jīng)濟性原則是決定性的原則,不但應注意所設計的裝置的一次性制造成本,而且應注意使用成本。在結構設計中還應考慮結構對社會、對環(huán)境的影響。第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接鍵連接是應用非常廣泛的一類軸轂連接形式。鍵連接可實現(xiàn)軸與輪轂之間的周向定位,同時可傳遞轉矩。鍵連接按照鍵的形狀可分為平鍵連接、半圓鍵連接、楔鍵連接和切向鍵連接等類型。以下分析平鍵連接和半圓鍵連接的設計。1.平鍵連接普通平鍵連接結構如圖12-1所示,平鍵的斷面形狀為矩形;平鍵連接中鍵及鍵槽的兩側面為工作面,鍵的上表面與鍵槽頂面間有間隙,工作中靠工作面之間的擠壓傳遞轉矩。平鍵連接不具有軸向承載能力,不具有確定軸與輪轂間軸向位置的功能。平鍵連接結構簡單,拆裝方便,軸與輪轂的對中性好,是應用最為廣泛的軸轂連接形式。在軸與輪轂形成的靜連接中應用的平鍵連接為普通平鍵連接,在軸與輪轂形成的滑動連接中應用的平鍵連接為滑動平鍵(滑鍵)連接或導向平鍵(導鍵)連接。普通平鍵連接按照鍵的軸向截面形狀可分為圓頭平鍵(A型平鍵)連接、方頭平鍵(B型平鍵)連接和單圓頭平鍵(C型平鍵)連接,如圖12-1所示。第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接圖12-1普通平鍵連接a)圓頭平鍵(A型)連接b)方頭平鍵(B型)連接c)單圓頭平鍵(C型)連接1—軸2—輪轂3—工作面第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接采用圓頭平鍵時軸上鍵槽使用面銑刀加工,鍵在軸槽中軸向定位好,安裝方便;但是鍵的圓頭部分不承載,這對于較窄的輪轂的轉矩承載能力有較大影響;軸上鍵槽端部的形狀造成軸的彎曲應力集中嚴重。采用方頭平鍵時軸上鍵槽用盤形銑刀加工,鍵槽對軸所造成的應力集中較小,承載能力大,但是鍵與軸之間的軸向定位不好,為防止鍵的軸向竄動可用緊定螺釘固定。單圓頭平鍵用于軸端部的軸轂連接。當軸與輪轂構成滑動連接時,可采用滑動平鍵連接或導向平鍵連接,如圖12-2所示。圖12-2導向平鍵與滑動平鍵連接a)導向平鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接圖12-2導向平鍵與滑動平鍵連接(續(xù))b)滑動平鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接如果滑動距離較小,可以采用導向平鍵連接。鍵與軸固定,輪轂相對于軸和鍵沿軸向移動。為防止鍵沿軸向竄動,通常用螺釘連接將鍵與軸固定。滑鍵長度近似為輪轂長度與滑動距離之和。如果滑動距離較大,采用導向平鍵結構會造成鍵過長,加工和安裝都很困難,此時通常采用滑動平鍵連接,工作中鍵隨輪轂一起沿軸上鍵槽移動。結構設計中應考慮鍵連接的可裝配性。第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接2.半圓鍵連接半圓鍵連接結構如圖12-3所示,鍵的斷面形狀為圓弧,軸上鍵槽用與鍵的寬度及圓弧直徑相同的盤形銑刀加工。半圓鍵連接的工作原理與平鍵連接相同。由于鍵在軸槽中可自由擺動,安裝較方便,特別適合于錐形軸或軸端的軸轂連接。由于半圓鍵連接中軸上鍵槽較深,對軸的強度削弱較大,所以不宜在軸上應力較大處使用。圖12-3半圓鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接3.鍵連接的參數(shù)選擇在鍵連接的設計中,要根據(jù)工作要求合理選擇鍵連接的類型、尺寸、配合、鍵的數(shù)量、材料及熱處理方式等參數(shù)。(1)鍵連接的類型選擇不同的鍵連接形式各有特點,設計中應綜合考慮連接類型(靜、動)、載荷情況、軸的轉速等因素,合理選擇鍵連接的類型。(2)鍵連接的尺寸選擇首先應根據(jù)軸的直徑合理選擇鍵的斷面尺寸(寬度和高度),可以參考正確的設計實例,也可以參考其他有關資料的推薦數(shù)據(jù)。國家標準中規(guī)定了不同斷面尺寸鍵連接的相關尺寸(鍵寬b、鍵高h、軸槽深t1、輪轂槽深t2、倒角尺寸r)、尺寸公差、幾何公差、表面粗糙度及鍵的長度系列。通常選擇普通平鍵的長度略短于所在的軸段長度。為減少應力集中,軸上鍵槽端部與軸上臺階之間應留有適當?shù)木嚯x,所確定的長度應符合國家標準規(guī)定的長度系列值。第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接

第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接圖12-4平鍵連接受力圖第一節(jié)軸轂連接設計

一、鍵連接

第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接1.花鍵連接的類型和特點花鍵連接由分布在軸外表面的外花鍵和分布在孔內表面上的內花鍵構成,內、外花鍵結構如圖12-5所示。圖12-5內花鍵與外花鍵第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接花鍵連接按鍵的斷面形狀分為矩形花鍵連接和漸開線花鍵連接等。花鍵連接工作中依靠多個鍵的工作面間的擠壓傳遞轉矩,由于在圓周上均勻分布的多個鍵承擔載荷,因此花鍵連接具有較強的承載能力。根據(jù)國家標準,矩形花鍵連接中的內、外花鍵以小徑定心。由于小徑配合具有較高的配合精度,因此矩形花鍵連接具有較高的定心精度。但是,由于花鍵連接結構需要專門的設備加工,因此成本較高。矩形花鍵連接如圖12-6所示。內花鍵可用拉床或插床加工,經(jīng)熱處理硬化后可磨內孔(小徑),提高定位表面精度;外花鍵可用銑床加工,經(jīng)熱處理硬化后可磨大徑、小徑(定位表面)和齒側。圖12-6矩形花鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接漸開線花鍵連接如圖12-7所示。花鍵齒形為漸開線,為減少不根切的最小齒數(shù),漸開線花鍵采用的壓力角為30°、37.5°及45°。漸開線花鍵連接以齒側面定心,有利于齒間均載,因而承載能力較大。圖12-7漸開線花鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接

第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接

圖12-8花鍵受力分析第一節(jié)軸轂連接設計

二、花鍵連接第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接過盈連接結構如圖12-9所示,軸與孔形成過盈配合,裝配后孔被撐緊,直徑增大,軸被壓縮,直徑減小,在配合面間產(chǎn)生徑向擠壓應力,在有軸向力或轉矩作用時,配合面間產(chǎn)生摩擦力,承擔外載荷。過盈連接結構簡單,軸與輪轂定心好,可同時承受軸向力和轉矩載荷。但過盈連接對零件的加工精度要求較高,連接的承載能力和零件強度都對加工精度(過盈量)很敏感,過盈連接的裝配和拆卸也都較困難。圖12-9過盈連接第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接過盈連接可采用壓入法或溫差法裝配。壓入法裝配使配合面的微觀凸起被部分壓平,實際過盈量減小,并可能擦傷配合面,影響承載能力。為方便裝配,應在配合面的裝入端設置引導錐,并在裝配過程中對配合面進行潤滑。當配合面較長,或過盈量較大時應采用溫差法裝配。裝配前對孔零件加熱使其膨脹,同時可對軸零件冷卻使其收縮,然后進行裝配,由于溫度變化,裝配過程在實際無過盈的狀態(tài)下進行。對于需要多次裝拆、重復使用的過盈連接,可設置輔助拆卸結構。圖12-10所示為帶有液壓輔助拆卸結構的過盈連接,拆卸時可擰開螺塞,向配合面通入高壓油。圖12-10液壓輔助拆卸結構第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接過盈連接裝配后在配合面間產(chǎn)生擠壓應力,在軸和孔材料內產(chǎn)生徑向應力和周向應力,應力分布如圖12-11所示。其中,圖12-11a所示為空心軸過盈連接的應力分布,圖12-11b所示為實心軸過盈連接的應力分布。圖12-11過盈連接應力分布1、2—徑向應力(壓)

3—周向應力(壓)

4—周向應力(拉)第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接

第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接

第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接表12-3列出了一些常見工況下的摩擦因數(shù)值,供設計時參考。第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接

第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接

第一節(jié)軸轂連接設計

三、過盈連接

第一節(jié)軸轂連接設計

四、脹緊套連接脹緊套連接如圖12-13所示。通過螺旋壓緊結構的作用,使脹緊套相互貼合的內、外環(huán)沿軸向相對移動,由于錐面的作用,內環(huán)向內收縮抱緊軸,外環(huán)向外膨脹撐緊輪轂,在環(huán)與軸和輪轂接觸的表面上產(chǎn)生徑向擠壓應力,當有外載荷(軸向力或轉矩)作用時,接觸面上產(chǎn)生摩擦力,承擔外載荷。脹緊套連接的承載原理與過盈連接相似,但是過盈連接裝配中有過盈,裝配困難,對加工精度要求高,而脹緊套連接裝配開始時無過盈,裝配和拆卸都較容易,且裝配和拆卸不會對配合面造成傷害,零件可以重復使用;脹緊套連接對軸和輪轂的加工精度要求低,安裝和拆卸都很方便,可承受重載,連接過載時可使結構免受破壞。與過盈連接相比,脹緊套連接所占用的軸向和徑向空間較大。當單級脹緊套連接的承載能力不能滿足要求時,可采用多級串聯(lián)安裝方式以提高承載能力。脹緊套連接有多種結構形式,如圖12-13b~e所示。脹緊套連接的其他結構形式、規(guī)格尺寸和選用計算方法可參考GB/T28701—2012。第一節(jié)軸轂連接設計

四、脹緊套連接圖12-13脹緊套連接a)ZJ1型脹緊套b)ZJ1型脹緊套連接c)ZJ2型脹緊套連接d)ZJ3型脹緊套連接e)ZJ5型脹緊套連接第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計滾動軸承軸系是應用較多的一類組合結構,其主要設計任務包括確定軸系結構的組成,確定各零部件的相對位置及連接關系。軸系結構設計在保證軸系運動功能的前提下,需要綜合協(xié)調多種技術、經(jīng)濟及社會的因素,合理地確定多種結構參數(shù)。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法軸系結構設計要使軸系與機座之間具有確定的相對位置關系,這種位置關系不因軸系工作中的受力及溫度變化而被破壞。雙支點滾動軸承軸系常用的軸向固定方法有以下幾種。1.兩端單向固定在這種軸系結構中,位于軸系兩支點上的軸承各限制軸系在一個方向的軸向移動,軸系所受某個方向的軸向載荷也通過相應支點傳遞給箱體。圖12-14所示為兩端單向固定軸系結構。其中,圖12-14a所示結構中的左支點軸承限制軸系向左移動,軸系所受的向左的軸向力通過這一端的端蓋傳遞給箱體,右端的軸承限制軸系向右移動,同時傳遞向右的軸向力。這種軸系結構稱為正安裝結構,也稱為面對面結構,其實際支點跨距小于軸承間距,當徑向載荷作用在兩支點間時軸系具有較大的剛度。這種軸系結構簡單,安裝和調整都很方便,是應用最多的軸系結構形式。為使軸系正常運轉,在軸系裝配時應使其具有適當?shù)妮S向間隙。軸向間隙過大,會影響軸系的旋轉精度,還會因軸承內承載的滾動體數(shù)量減少而影響承載能力;間隙過小,會使在軸受熱伸長時出現(xiàn)過盈,使旋轉阻力矩增大。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法圖12-14b所示為反安裝結構,也稱為背靠背結構。在這種結構中,左端支點軸承限制軸系向右移動,右端支點軸承限制軸系向左移動,軸系的支點跨距大于軸承間距,當徑向載荷作用在兩支點之外時,軸系具有較大的剛度,當軸受熱伸長時軸系的軸向間隙增大。這種軸系結構的裝配和軸向間隙調整都很復雜,使用較少。兩端單向固定軸系結構的最大軸向間隙大于軸的受熱伸長量,因此適用于軸系的支點跨距較小或溫升較低的情況。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法圖12-14兩端單向固定軸系結構a)正安裝結構b)反安裝結構第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法2.一端固定、一端游動圖12-15所示為一端固定、一端游動的軸系結構。這種軸系結構中的一個支點(固定端)上的軸承相對于箱體雙向固定,兩個方向的軸向載荷均通過這個支點傳遞給箱體。軸受熱伸長時,另一支點(游動端)軸承可相對于箱體沿軸向自由移動,這種移動不會改變軸系的軸向間隙,軸系可以有較高的旋轉精度。這種軸系結構較復雜。一端固定、一端游動的軸系結構,適用于軸系的支點跨距較大且溫升較高的場合。軸系的固定端應選用具有雙向軸向定位能力的軸承或軸承組合,如深溝球軸承、調心球軸承、調心滾子軸承,或兩個向心角接觸軸承(角接觸球軸承、圓錐滾子軸承)反向組合,或雙向推力軸承與徑向接觸軸承組合。游動端可選用內、外圈不可分離的徑向接觸軸承,使外圈相對于箱體可雙向自由移動,也可選用內、外圈可分離的徑向接觸軸承,使內圈相對于外圈移動。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法圖12-15一端固定、一端游動的軸系結構a)深溝球軸承固定端結構b)角接觸軸承固定端結構第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計一、滾動軸承軸系的軸向固定方法3.兩端游動圖12-16所示的軸系中傳動零件為雙斜齒輪,這種齒輪傳動具有確定兩軸軸向相對位置的功能。在相互嚙合的一對齒輪中,如果其中的一個軸系通過軸承確定了軸系與箱體的軸向位置,另一軸系與箱體的軸向位置也就隨之確定,軸系兩端的軸承都應采用游動端結構。圖12-16兩端游動軸系結構第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法為保證軸系功能的實現(xiàn),滾動軸承及軸上零件要保持與軸的正確的相對位置關系。下面介紹常用的滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法。1.軸肩與軸環(huán)軸肩與軸環(huán)(圖12-17)是通過軸上臺階端面確定與之接觸的軸上零件軸向位置的方法。為使軸上零件與定位面可靠接觸,軸上臺階處的過渡圓角尺寸應小于軸上零件相應位置的倒角或圓角尺寸。為保證定位面的工作能力,定位面應具有足夠的實際接觸高度(圖中尺寸c),軸環(huán)應具有適當?shù)膶挾?圖中尺寸b)。與滾動軸承端面接觸的臺階高度可參考有關國家標準。為保證定位精度,應合理確定定位面的形狀與位置公差。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法圖12-17軸肩與軸環(huán)a)軸肩b)軸環(huán)第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法2.圓螺母圖12-18所示的圓螺母軸向固定方法用以限制軸上零件向定位臺階相反方向移動。軸上的螺紋和退刀槽對軸的強度削弱較大,應避免在載荷較大的軸段上使用。為防止圓螺母松動,圖12-18a采用雙螺母防松結構,圖12-18b采用圓螺母用止動墊圈防松結構。圖12-18圓螺母軸向固定第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法3.套筒圖12-19所示的套筒固定方法適用于確定軸上相距較近的兩個零件之間的軸向位置。使用套筒固定方法有利于簡化軸的結構,簡化對軸上臺階的數(shù)量、高度及精度的要求。圖12-19套筒固定第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法4.軸用彈性擋圈圖12-20所示為軸用彈性擋圈固定,這種軸向固定方式結構簡單,使用方便。在軸上加工的擋圈槽較深,對軸的強度影響較大,而且彈性擋圈的軸向承載能力較小,適用于無軸向載荷的軸向固定結構,常用于軸端部的軸向固定。圖12-21所示為其他常用的軸上零件軸向固定結構。其中,圖12-21a所示的緊定螺釘結構可同時實現(xiàn)軸向和周向固定,但承載能力較小;圖12-21b所示的緊定套結構常用于滾動軸承內圈與軸的軸向固定;圖12-21c所示軸端擋圈結構用于軸端零件的軸向固定;圖12-21d所示的銷連接結構可同時實現(xiàn)軸向和周向固定,承載能力較大,但結構對軸的強度削弱也較大。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法圖12-20軸用彈性擋圈固定第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計二、滾動軸承及軸上零件的軸向固定方法圖12-21其他軸向固定結構第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計三、軸承間隙及軸上零件位置的調整方法影響滾動軸承軸向間隙的尺寸要素較多,如果通過控制所有這些尺寸要素的公差以保證正確的軸承間隙,將會對這些尺寸提出過高的精度要求,有些要求甚至無法實現(xiàn)。在軸系結構設計中,通常在影響軸承間隙的尺寸鏈中設置一個可以方便調整的尺寸環(huán)節(jié),在裝配過程中,通過調整這個尺寸環(huán)節(jié)可以得到所需要的軸承間隙。例如圖12-14a中位于軸承端蓋與箱體之間墊片、圖12-14b中位于齒輪右側的墊圈就是起調整作用的尺寸環(huán)節(jié)。軸承在工作中的磨損會使軸承間隙發(fā)生變化,在設備維修過程中也可以通過調整這些環(huán)節(jié)的尺寸恢復正確的軸承間隙。有些軸系對軸上零件的軸向位置有較高的精度要求,如蝸桿傳動要求蝸輪的中心平面與蝸桿軸線重合,錐齒輪傳動要求兩齒輪的節(jié)圓錐頂點重合,這些精度要求也可以通過在軸系結構中設置調整環(huán)節(jié)的方法實現(xiàn)。在同一軸系中如果有多個軸向位置參數(shù)需要調整,就需要在軸系結構中設置多個可獨立調整的尺寸環(huán)節(jié)。圖12-22所示的錐齒輪傳動中,兩個軸系都同時需要調整軸承間隙和節(jié)圓錐頂點位置。在小錐齒輪軸系中,通過套杯與箱體之間的墊片1厚度可以調整錐頂位置,通過改變兩軸承間套筒2的長度可調整軸承間隙;在大錐齒輪軸系中,通過兩端軸承端蓋與箱體之間的兩組墊片3、4厚度之和可調整軸承間隙,通過兩組墊片厚度之差可調整錐頂位置。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計三、軸承間隙及軸上零件位置的調整方法圖12-22錐齒輪傳動1、3、4—墊片2—套筒第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計四、滾動軸承的配合滾動軸承的配合指滾動軸承內圈與軸的配合及滾動軸承外圈與軸承孔之間的配合。滾動軸承的配合影響軸承的工作間隙,因而影響軸承的旋轉精度、工作溫升、工作阻力矩及支點剛度。(一)滾動軸承配合的特點滾動軸承是標準件,設計中只能通過改變與之配合的零件的公差以獲得不同的配合效果,所以滾動軸承內圈與軸的配合采用基孔制,滾動軸承外圈與孔之間的配合采用基軸制。國家標準中規(guī)定,滾動軸承的內、外圈的尺寸公差均采用上極限偏差為零,下極限偏差為負值的分布,這使得與滾動軸承內圈相配合的軸在采用相同的公差的條件下,與滾動軸承內圈所形成配合比與其他基準孔所形成的配合更緊密。圖12-23所示為0級軸承及其與之配合的零件的公差帶關系圖。由于滾動軸承是標準件,在裝配圖中不標注滾動軸承的公差,只需標注與之配合的軸和孔零件的公差。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計四、滾動軸承的配合圖12-23

0級公差軸承及其與之配合的零件的公差帶關系圖a)滾動軸承內圈與軸的配合第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計四、滾動軸承的配合圖12-23

0級公差軸承及其與之配合的零件的公差帶關系圖(續(xù))b)滾動軸承外圈與孔的配合第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計四、滾動軸承的配合(二)滾動軸承配合的選擇選擇滾動軸承的配合應綜合考慮滾動軸承的功能要求、工作條件和工藝條件。當載荷相對于座圈擺動或旋轉時,座圈容易松動,應選擇較緊的配合;當載荷相對于座圈的方向固定時,可選擇較松的配合;當載荷較大時應選擇較緊的配合。滾動軸承的發(fā)熱所引起的溫升使得座圈的溫度高于相鄰零件,溫升使內圈配合變松,使外圈配合變緊,所以在溫升較大的場合,應將內圈的配合選擇得稍緊,外圈的配合稍松。軸系中游動支點上軸承的外座圈如果需要相對于箱體移動,應選擇間隙配合;如果游動支點采用內圈或外圈無擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承,內、外座圈均可采用過盈配合。對于要求旋轉精度較高的軸承應避免采用間隙配合。對于需要經(jīng)常拆卸的軸承,特別是在安裝位置操作困難的場合應采用較松的配合。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計五、軸的結構設計軸是機械結構中的重要零件,軸上零件(傳動件、支承件)所受各種形式的載荷通過軸在零件之間傳遞,軸上零件通過軸確定它們與同軸系或相鄰軸系中其他零件之間的相對位置關系。軸的結構設計應保證軸和軸上零件具有較好的加工工藝性,應使結構便于安裝、拆卸和調整。1.軸的設計過程軸的設計需要滿足多方面的要求。設計要求不同,已知條件不同,設計的方法和過程也不相同。軸的結構設計沒有固定的設計過程,通常按以下步驟進行:1)根據(jù)扭轉強度估算軸的最小直徑。2)進行軸系結構設計,確定軸系相對于箱體的定位方案,確定軸上零件相對于軸的定位方案,確定軸的形狀輪廓。3)確定各軸段的長度、直徑和表面粗糙度。4)確定各相鄰軸段之間的過渡結構。5)校核軸及軸承的工作能力。在實際設計中,為了提高設計效率,減少設計失誤,以上各步驟在設計中穿插進行。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計五、軸的結構設計2.軸段直徑設計為了方便軸上零件的安裝,方便軸的加工,通常將軸的結構設計為階梯軸。階梯軸上的臺階可以方便軸上零件的軸向定位,使緊配合結構的裝配更加方便,而且階梯軸結構縮短了各軸段的長度,更有利于提高精加工軸段的加工精度。根據(jù)強度條件確定的軸段直徑應圓整;有配合要求的軸段直徑應選擇標準直徑;與標準零部件(如滾動軸承、聯(lián)軸器、密封圈、彈性擋圈等)配合的軸段直徑應選擇相應的標準零部件直徑系列值;采用標準結構(如螺紋、花鍵等)的軸段直徑應選擇相應標準結構的直徑系列值。有配合要求的軸段對軸的加工精度和表面粗糙度都要提出較高的要求,軸設計中應根據(jù)功能需要確定零件之間的配合關系,不設置不必要的配合軸段。確定軸段直徑要保證與軸有相對運動的非配合面之間不發(fā)生接觸,如軸的外伸段與軸承端蓋內孔表面無配合關系,不應接觸。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計五、軸的結構設計3.軸段長度設計為保證軸上零件定位可靠,與輪轂配合的軸段長度應比輪轂長度略短。例如,在圖12-14所示的軸系結構中,安裝齒輪的軸段長度比齒輪輪轂略短,以保證齒輪與軸之間軸向定位可靠。為了方便軸上零件的裝配和拆卸,與軸上零件之間有過盈配合的軸段長度不宜過長。為方便加工,對加工精度要求較高的軸段,其長徑比(長度與直徑之比)不宜過大。確定軸段長度時,應保證有相對運動的零件在運動中不發(fā)生意外接觸。例如,在圖12-14所示的軸系結構中,應使齒輪端面與箱體內壁不接觸、軸承內圈與端蓋不接觸、聯(lián)軸器端面與端蓋端面不接觸等。有些結構的安裝和調整過程、易損零件的更換過程需要必要的操作空間,在確定軸段長度時應保證這些必要的操作過程所需要的空間。例如楔鍵連接和切向鍵連接裝配過程中需要移動輪轂或楔鍵,需要預留必要的安裝空間;彈性套柱銷聯(lián)軸器更換彈性套的過程中需要預留必要的拆卸和裝配空間。第二節(jié)滾動軸承軸系結構設計五、軸的結構設計4.軸段過渡結構設計軸段之間的過渡結構對軸段功能的實現(xiàn)、對方便軸的加工都有重要的作用。軸肩或軸環(huán)定位方法簡單、可靠。如果臺階過高會使軸直徑增大,應力集中加劇,臺階端面與軸頸的垂直度不容易保證;臺階過低使定位面承受應力大,定位不可靠。臺階的合理高度和寬度可參考有關設計資料確定。為減輕軸臺階處的應力集中,軸段過渡結構可采用圖12-33所示的凹切圓角、肩環(huán)、特殊形狀圓角或減載槽結構。為緩解過盈配合軸段端部存在的應力集中,在配合面端部可設置減載槽結構。需要磨削加工的軸段應在臺階處設置砂輪越程槽(圖12-18安裝滾動軸承的軸段);應用螺紋連接件定位的軸段應在螺紋根部設螺紋退刀槽(圖12-18);為方便裝配,軸端通常應設置倒角;為方便配合較緊的軸段裝配,應在軸段端部設引導錐。第三節(jié)軸系的潤滑與密封一、滾動軸承軸系的潤滑潤滑是保證滾動軸承正常運轉、提高其工作能力的重要技術手段。滾動軸承軸系結構設計中,要根據(jù)軸承的工作情況合理選擇潤滑方式。以下分析常用的滾動軸承潤滑方式。1.人工定期加油(脂)潤滑對于轉速較低的滾動軸承,可以采用人工定期加油(脂)的方式潤滑,將油(脂)直接加注到潤滑部位。圖12-24所示為常用于手工加油的潤滑油杯。其中,圖12-24a所示油杯用于加注潤滑油,圖12-24b~d所示油杯用于加注潤滑脂,圖12-24e所示油杯可通過手工按動手柄進行定量加油。第三節(jié)軸系的潤滑與密封一、滾動軸承軸系的潤滑圖12-24常用于手工加油的潤滑油杯第三節(jié)軸系的潤滑與密封一、滾動軸承軸系的潤滑2.連續(xù)滴油潤滑有些潤滑部位需要連續(xù)少量加注潤滑油,圖12-24f所示的針閥式油杯可通過針閥孔向下連續(xù)滴油,通過調整上面的調節(jié)螺母和手柄可以改變針閥的開啟程度,調節(jié)供油量;圖12-24g所示的油繩式油杯通過油繩的虹吸作用實現(xiàn)連續(xù)供油,油繩同時起到對潤滑油的過濾作用,但是調節(jié)供油量不方便。3.浸油潤滑對轉速不高的滾動軸承,可以將滾動軸承的局部浸入潤滑油中,通過滾動軸承的旋轉使所有滾動體都得到潤滑。為防止?jié)L動體劇烈攪動潤滑油造成能量損失,油面位置應不高于最低位置的滾動體中心。4.油環(huán)與油鏈潤滑有些滾動軸承工作中需要連續(xù)供油,但是無法直接接觸油面,此時可以通過套在軸上的油環(huán)或油鏈將潤滑油帶到工作位置。圖12-25a所示為油環(huán)潤滑結構,圖12-25b所示為油鏈潤滑結構。為增大油環(huán)攜帶的潤滑油量,可在油環(huán)上加工出槽或孔。第三節(jié)軸系的潤滑與密封一、滾動軸承軸系的潤滑圖12-25油環(huán)與油鏈潤滑第三節(jié)軸系的潤滑與密封一、滾動軸承軸系的潤滑通常根據(jù)滾動軸承的dn值[d為滾動軸承內徑(mm);n為滾動軸承轉速(r/min)]選擇適當?shù)臐櫥椒?具體選擇方法參考表12-4。第三節(jié)軸系的潤滑與密封二、滾動軸承軸系的密封密封是防止介質有害泄漏的技術手段。介質既包括機械裝置中的潤滑劑,也包括裝置外的水分、灰塵等物質。防止介質從相對靜止的零件之間泄漏的密封措施稱為靜密封,防止介質從相對運動的零件之間泄漏的密封措施稱為動密封,通過零件之間保持接觸的方法防止介質泄漏的密封措施稱為接觸式密封,在零件之間不接觸的條件下防止介質泄漏的密封措施稱為非接觸式密封。以下分析滾動軸承軸系常用的密封結構。1.墊片密封在相對靜止的結合面間加入質地較軟的墊片,通過向接觸面施加壓緊力,使墊片變形,填充表面間縫隙,起到密封作用,如圖12-14所示軸承端蓋與箱體之間采用的墊片密封。墊片材料可采用橡膠、皮革、鋼板紙等;當工作溫度較高時應選用耐熱材料,如石棉紙等;如果墊片除起密封作用外還要起到調整作用,應選用彈性模量較大的材料,如銅、鋁、低碳鋼等。第三節(jié)軸系的潤滑與密封二、滾動軸承軸系的密封2.密封圈密封墊片密封的接觸面積較大,當需要的密封壓力較大時,要求對接觸面施加的壓緊力也較大。例如圖12-26a所示的液壓缸端蓋采用墊片密封,要求對連接螺栓施加較大的預緊力,當液壓缸內的壓力變化時,連接螺栓承受較大的交變載荷;將密封結構改為圖12-26b所示的密封圈密封結構,由于橡膠密封圈的作用,很容易形成較窄的一圈高壓密封區(qū),獲得良好的密封效果,同時避免連接螺栓承受較大的交變載荷。密封圈通常采用橡膠制造,除可制成圓形截面(O形)以外還可以根據(jù)需要制成V形或其他形狀。這種密封方式也可用于滾動軸承軸系的密封。第三節(jié)軸系的潤滑與密封二、滾動軸承軸系的密封圖12-26墊片密封與密封圈密封第三節(jié)軸系的潤滑與密封二、滾動軸承軸系的密封3.氈圈密封氈圈密封(圖12-27)是用于相對旋轉的零件之間的接觸式動密封方式,將矩形截面的毛氈填入梯形截面的氈圈槽中,使其與軸頸表面保持接觸,防止?jié)櫥瑒┬孤?也可以防止灰塵進入。氈圈密封結構簡單,裝拆方便。由于氈圈與軸頸的接觸面積大,接觸壓力大,所以摩擦功耗較大,發(fā)熱嚴重,通常用于低速、脂潤滑條件。圖12-27氈圈密封第三節(jié)軸系的潤滑與密封二、滾動軸承軸系的密封4.唇形密封圈密封唇形密封圈是標準件,主體采用橡膠材料,用于旋轉零件之間的接觸式動密封。密封圈與軸之間通過一圈或幾圈較窄的環(huán)形區(qū)域接觸,接觸區(qū)域可以形成較大的壓力,但接觸面積小,摩擦功耗小,可用于高速旋轉的零件。由于油封內有彈簧箍緊,可以自動補償磨損,使油封與軸頸保持緊密接觸,有些油封可以與軸頸有多個接觸唇。無骨架油封剛度較差,裝配時需要用壓蓋壓緊,如圖12-28a所示。為提高油封自身剛度,可在油封上加裝鋼套,也可在油封內放置鋼制骨架,如圖12-28b所示。圖12-28唇形密封圈密封第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施一、提高軸系旋轉精度的結構設計方法在滾動軸承軸系承受工作載荷之前對其施加預加載荷的方法稱為預緊,圖12-29所示為一組滾動軸承軸系預緊結構。其中,圖12-29a所示為軸系在預緊前的狀態(tài),圖12-29b所示為預緊后的狀態(tài)。通過預緊,使軸承承受預加載荷,產(chǎn)生預加變形,由于滾動軸承剛度的非線性特征,使得它在預加載荷的基礎上承受工作載荷時,能夠表現(xiàn)出更大的剛度;施加到未經(jīng)預緊的滾動軸承軸系的軸向載荷由單個軸承承受,而經(jīng)過預緊的軸系上的軸向載荷由兩個軸承共同承受?；谝陨戏治隹芍?預緊可以有效地提高滾動軸承軸系的剛度,因而也有利于提高軸系的旋轉精度。圖12-29滾動軸承軸系預緊結構第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施一、提高軸系旋轉精度的結構設計方法預緊使?jié)L動軸承承受的總載荷增大,因而使其承受工作載荷的能力降低,故預緊結構通常應用在以旋轉精度為主要設計目標的場合。預緊滾動軸承上的預加載荷對預緊量(預變形)非常敏感,滾動軸承預緊結構設計應保證操作人員能夠精確控制預緊量。圖12-30所示為常用的控制預緊量的設計方法。其中,圖12-30a所示為一對正安裝的角接觸球軸承,可通過修磨外圈內側的方法控制預緊量;圖12-30b所示為一對反安裝的角接觸球軸承,可通過修磨外圈外側的方法控制預緊量;圖12-30c、d所示分別通過在組合軸承外圈或內圈之間加墊片的方法控制預緊量;圖12-30e、f所示適用于對分別安裝在軸系兩個支點的一組角接觸球軸承進行預緊,可通過改變內圈與外圈間的套筒長度控制預緊量;圖12-30g所示為圓錐滾子軸承的預緊結構,通過減薄外圈厚度來預緊。第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施一、提高軸系旋轉精度的結構設計方法圖12-30常用的控制預緊量的設計方法第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施二、提高軸強度的結構設計方法通過正確的結構設計,可以有效地降低軸上最危險位置處的應力,從而提高軸的強度。1.合理安排軸上載荷的傳遞路線在圖12-31a所示的方案中,軸上最大轉矩為T1+T2,通過改變輸入齒輪在軸上的位置,圖12-31b所示的方案中軸上最大轉矩變?yōu)門1,有效地降低了最大載荷處的載荷。圖12-31合理安排軸上載荷第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施二、提高軸強度的結構設計方法2.改變輪轂結構圖12-32所示為改善輪轂結構。圖12-32a所示結構的載荷可以簡化為作用在軸中間的一個集中力,則軸的最大彎矩值為FL/4,如果將輪轂中部設計成圖12-32b所示的中空結構,一個長輪轂變?yōu)閮蓚€短輪轂,載荷F/2分別作用在兩個短輪轂的中心,軸上的最大彎矩值降低。圖12-32改善輪轂結構第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施二、提高軸強度的結構設計方法3.減小應力集中軸類零件通常承受交變應力,應力集中是影響軸疲勞強度的重要因素,通過結構設計來緩解應力集中是提高軸的承載能力的有效措施。軸段尺寸突然變化會引起引力集中,應盡量緩解尺寸變化的程度,減小應力集中對軸強度的影響。圖12-33所示為可緩解軸上臺階處應力集中的結構。在軸上應力較大處應盡量減少可能削弱軸強度的結構及其對軸強度的削弱程度。圖12-34所示分別為用面銑刀和盤形銑刀加工的平鍵鍵槽結構,由于用盤形銑刀加工的鍵槽端部尺寸變化較緩,所以當軸受彎矩作用時鍵槽端部應力集中較小。多個引起應力集中的結構出現(xiàn)在同一截面處會加劇應力集中,結構設計中應設法避免,如鍵槽端部和軸上臺階的位置應避免重合。4.改變支承方式圖12-35b所示結構與圖12-35a所示結構的載荷、跨距均相同,但是由于改變了軸的支承方式,將轉動心軸變?yōu)楣潭ㄐ妮S,軸上的彎曲應力從交變應力變?yōu)殪o應力,雖然應力相同,但是極限應力得到提高,有利于提高軸的承載能力。第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施二、提高軸強度的結構設計方法圖12-33緩解軸上臺階處應力集中的結構a)凹切圓角b)肩環(huán)c)橢圓形圓角d)減載槽圖12-34用面銑刀和盤形銑刀加工的鍵槽a)用面銑刀加工的鍵槽b)用盤形銑刀加工的鍵槽第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施二、提高軸強度的結構設計方法圖12-35改變軸的支承方式a)改變前b)改變后第四節(jié)提高滾動軸承軸系性能的措施三、改善工藝性的結構設計方法機械結構設計的結果要通過工業(yè)化生產(chǎn)的方式實現(xiàn),設計工作在考慮結構的功能要求的同時,也要考慮結構實現(xiàn)的可能性和方便程度。下面分析在結構設計中方便各個工藝環(huán)節(jié)的設計原則。1.方便加工設計中,設法減少被加工的結構要素的數(shù)量、種類、尺寸等措施都有利于減少加工的工作量。例如在軸上需要加工兩個鍵槽,圖12-36a所示的方案將兩個鍵槽設計成沿圓周表面相距9