《机械基础》课件（下）

机械基础授课教师:XXX

授课日期:2020年X月X日连接学习目标了解蜗杆传动的特点、类型和应用。了解蜗杆传动的主要参数和几何尺寸。会计算蜗杆传动的传动比。会判定蜗杆传动中蜗轮的转向。了解蜗杆传动的失效形式。了解蜗轮蜗杆的结构和常用材料。熟悉蜗杆传动的维护措施。9.1概述概述蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动，两轴线间的夹角可为任意值。这种传动结构紧凑、传动比大、传动平稳、自锁性好，广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械及其他机器或设备中。图9-1所示为蜗轮蜗杆减速器，它是一种具有结构紧凑、传动比大，以及在一定条件下具有自锁功能的传动机械，是最常用的减速器之一。9.2蜗杆传动的组成、特点及分类蜗杆传动的组成蜗杆传动由蜗杆、蜗轮和机架组成，用来传递空间两交错轴的运动和动力，如图9-2所示。通常两轴交错角为90°，蜗杆为主动件。蜗杆传动的特点1）传动比大，结构紧凑。单级传动比一般为10～40（＜80），只传递运动时（如分度机构），传动比可达1000。2）传动平稳，噪声小。由于蜗杆上的齿是连续的螺旋线，故传动平稳，噪声小。3）有自锁性。当蜗杆导程角小于当量摩擦角时，蜗轮不能带动蜗杆转动，呈自锁状态。手动葫芦和浇注机械常采用蜗杆传动满足自锁要求。4）传动效率低。蜗杆蜗轮啮合处有较大的相对滑动，摩擦剧烈、发热量大，故效率低。一般传动效率η＝0.7～0.9，具有自锁性能的蜗杆效率仅为0.4。5）蜗轮造价较高。为了减摩和耐磨，蜗轮常用青铜制造，材料成本较高。蜗杆传动的分类按蜗杆齿的旋向，可分为左旋蜗杆和右旋蜗杆；按蜗杆的头数，可分为单头蜗杆和多头蜗杆；按蜗杆的外形，蜗杆又可分为圆柱蜗杆（图9-3a）、环面蜗杆（图9-3b）及锥面蜗杆（图9-3c）。圆柱蜗杆传动，按蜗杆轴面齿形又可分为普通蜗杆传动和圆弧齿圆柱蜗杆传动。蜗杆传动的分类如图9-4所示，车制阿基米德蜗杆时切削刃顶平面通过蜗杆轴线。该蜗杆轴向齿廓为直线，端面齿廓为阿基米德螺旋线。阿基米德蜗杆易车削难磨削，通常在无需磨削加工情况下被采用，广泛用于转速较低的场合。如图9-5所示，车制渐开线蜗杆时，切削刃顶平面与基圆柱相切，两把刀具分别切出左、右侧螺旋面。9.3普通圆柱蜗杆传动的主要参数和几何尺寸计算普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择普通圆柱蜗杆传动的主要参数有模数m、压力角α、蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i等。进行蜗杆传动的设计时，首先要正确地选择参数。1．模数m和压力角α和齿轮传动一样，蜗杆传动的几何尺寸也以模数为主要计算参数。2．蜗杆的分度圆直径d1和导程角β如图9-6所示，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端平面的夹角γ称为蜗杆的导程角普通圆柱蜗杆传动的主要参数及其选择3．蜗杆头数z1、蜗轮齿数z2和传动比i蜗杆头数z1，即为蜗杆螺旋线的数目。4．中心距a蜗杆传动中，当蜗杆节圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动。蜗杆传动的几何尺寸计算标准阿基米德蜗杆传动的主要几何尺寸计算见表蜗轮旋转方向的判定蜗轮旋转方向的判断方法可分两步：蜗杆蜗轮旋向的判断，以及根据蜗杆蜗轮的相对位置关系和蜗杆的旋向判断蜗轮的转向。1．蜗杆蜗轮旋向的判断旋向分为左旋和右旋，将蜗杆或蜗轮的轴线垂直放置，螺旋线左高右低为左旋，右高左低为右旋。如图9-7所示，蜗杆螺旋线左高右低，故为左旋。蜗轮旋转方向的判定2．蜗轮的转向判断蜗杆蜗轮传动中，主动蜗杆的轴向力Fa1与从动蜗杆的圆周力Ft2为一对作用力与反作用力。在获得蜗杆轴向力方向的前提下，可得到蜗轮的圆周力方向，而此力恰为推动蜗轮转动的力，进而得到蜗轮的转向。如图9-7所示，蜗杆为左旋，借助“左右手螺旋法则”，左旋用左手握住蜗杆，四指代表蜗杆的转向，大拇指指向即为蜗杆的轴向力方向（水平向左），因此蜗轮节点处圆周力的方向水平向右，由此可知蜗轮应是顺时针转动。9.4蜗杆传动的失效形式、材料及结构蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似，有轮齿折断、齿面点蚀、齿面磨损和胶合等，但由于蜗杆、蜗轮的齿廓间相对滑动速度较大、发热量大而效率低，因此蜗杆传动的主要失效形式为胶合、磨损和点蚀。由于蜗杆的齿是连续的螺旋线，且蜗杆的强度高于蜗轮，因而失效多发生在蜗轮轮齿上。在闭式传动中，蜗轮的主要失效形式是胶合与点蚀；在开式传动中，蜗轮的主要失效形式是磨损。蜗杆、蜗轮的材料1．蜗杆材料蜗杆一般用碳钢或合金钢制造。对高速重载传动常用15Cr、20Cr、20CrMnTi等，经渗碳淬火，表面硬度56～62HRC，需经磨削。2．蜗轮材料蜗轮材料可参考相对滑动速度vs来选择。蜗杆、蜗轮的结构1．蜗杆的结构蜗杆常和轴做成一体，称为蜗杆轴，如图9-8所示（只有df/d≥1.7时才采用蜗杆齿圈套装在轴上的型式）。蜗杆、蜗轮的结构2．蜗轮的结构蜗轮结构分为整体式和组合式两种，如图9-9所示。9.5蜗杆传动的润滑蜗杆传动的润滑润滑对蜗杆传动特别重要。由于摩擦产生的热量大，因此要求工作时有良好的润滑条件，以提高蜗杆传动的效率，防止胶合及减少磨损。闭式蜗杆传动的润滑油黏度和润滑方法，主要根据相对滑动速度和载荷类型进行选择。应注意，对于青铜蜗轮不允许采用抗胶合能力强的活性润滑剂，以免腐蚀青铜齿面。对于开式蜗杆传动，则采用黏度较高的齿轮油或润滑脂进行润滑。连接学习目标了解轮系的分类和应用。会计算定轴轮系的传动比。了解周转轮系的基本类型。了解周转轮系的传动比计算。了解减速器的类型、结构、应用及维护。10.1轮系的类型轮系的分类在机器中，由一系列齿轮组成的传动系统称为轮系。轮系的形式很多，通常根据轮系在运动过程中各个齿轮的轴线在空间的位置是否固定，将轮系分类如下。1．定轴轮系轮系运动时，所有齿轮轴线都固定的轮系，称为定轴轮系，如图10-1所示。轮系的分类2．周转轮系轮系运动时，若组成轮系的齿轮中至少有一个齿轮的几何轴线相对机架位置不是固定的，而是绕另一根齿轮的几何轴线回转，这样的轮系称为周转轮系，如图10-2所示。轮系的应用1）用轮系传动就可以达到很大的传动比，如航空发动机的减速器。2）轮系可作较远距离的传动。3）轮系可实现变速、换向要求，采用轮系组成各种机构，将运转速度分为若干等级进行变换，并变换运转方向。4）轮系可合成或分解运动，如汽车传动轴。10.2定轴轮系轮系的应用所谓轮系的传动比，是指该轮系中首轮的角速度（或转速）与末轮的角速度（或转速）之比，用i1k表示，即1．定轴轮系传动比的计算图10-1所示的平面定轴轮系全部由圆柱齿轮组成轮系的应用所谓轮系的传动比，是指该轮系中首轮的角速度（或转速）与末轮的角速度（或转速）之比，用i1k表示，即1．定轴轮系传动比的计算图10-1所示的平面定轴轮系全部由圆柱齿轮组成2．定轴轮系转向关系的确定定轴轮系各对啮合齿轮的相对转向可以通过标注箭头的方法来确定。10.3周转轮系周转轮系的应用最基本的周转轮系由行星轮、支持它的行星架和与行星轮相啮合的两个（有时只有一个）太阳轮构成。行星架与太阳轮的几何轴线必须重合，否则便不能传动。周转轮系的传动比计算由于周转轮系中有行星轮，故其传动比不能直接用定轴轮系传动比的公式进行计算。在图10-5所示的周转轮系中，设nH为行星架H的转速。10.4减速器简介齿轮减速器的类型齿轮减速器是主动机与工作机之间的齿轮传动装置，用来降低或增加转速，以适应工作机的需要。由于减速器使用维护方便，因此在机械中应用广泛。常用齿轮减速器的类型如图10-7所示。齿轮减速器的类型齿轮减速器是主动机与工作机之间的齿轮传动装置，用来降低或增加转速，以适应工作机的需要。由于减速器使用维护方便，因此在机械中应用广泛。常用齿轮减速器的类型如图10-7所示。齿轮减速器的类型齿轮减速器是主动机与工作机之间的齿轮传动装置，用来降低或增加转速，以适应工作机的需要。由于减速器使用维护方便，因此在机械中应用广泛。常用齿轮减速器的类型如图10-7所示。减速器的特点齿轮减速器的特点是效率高、寿命长、使用维护方便，因此应用十分广泛。蜗杆减速器的特点是在外廓尺寸不大的情况下获得很大的传动比，同时工作平稳、噪声很小，但传动效率低，应用最广的是单蜗杆减速器。设计时应尽可能地选用下置式蜗杆的结构，以便解决润滑和冷却等问题。减速器的结构图10-8所示为单极圆柱齿轮减速器的结构。它由箱体、轴承、轴、齿轮（或蜗杆蜗轮）和附件等部分组成。减速器的润滑减速器的润滑主要包括齿轮副（或蜗杆蜗轮副）啮合处的润滑及轴承的润滑。齿轮副的润滑见第8章齿轮传动的润滑。轴承的润滑方法可根据齿轮的圆周速度来选择。1）圆周速度在2m/s以上时，可采用飞溅润滑。将飞溅到箱盖上的油，汇集到箱体剖分面上的油沟中，然后流进轴承进行润滑。飞溅润滑简单，在减速器中应用最广。2）圆周速度在2m/s以下时，飞溅的油量不能满足轴承的需要，可采用刮油润滑，或根据轴承转动座圈速度的大小选用脂润滑或滴油润滑。刮油润滑是指利用刮板刮下齿轮端面的油，并导入油沟和注入轴承进行润滑的方法。3）转速很高的轴承需要采用压力喷油润滑。连接学习目标了解键连接的功用与分类。会正确选用键连接。了解销连接的类型、特点和应用。了解常用螺纹的类型、特点和应用。熟悉螺纹连接的主要类型、应用和结构。了解螺纹连接预紧及防松方法。了解弹簧的类型、特点和应用。了解联轴器的功用、类型、特点和应用。了解离合器的功用、类型、特点和应用。11.1键连接键的用途键是一种标准件，它的作用是将装配在旋转轴上的机件，如齿轮、带轮、曲柄、联轴器等，使其与轴紧固在一起，以传递动力。使用时，键的一部分嵌入轴内，另一部分则嵌于轮毂的凹槽中。轴与轮毂上的凹槽均称为键槽，如图11-1所示。键是一种连接机件，多用抗压及抗剪强度较高的中碳钢制成。安装时，键的各棱线必须与轴的中心线平行，且键的两侧必须与键槽紧密配合。键的种类1．普通平键普通平键按其结构可分为圆头（A型，见图11-2b）、方头（B型，见图11-2c）和单圆头（C型，见图11-2c）三种型式。键的种类2．楔键为使键与键槽有紧密配合，并能承受振动而不致脱落，将方头平键的一端约一键宽起至另一端制成倾斜状，斜度通常为1:100，如图11-3所示。为便于拆卸楔键，可将键较厚的一端制成钩头的开头，称为“钩头楔键”，如图11-4所示。键的种类3．半圆键半圆键又称“半月键”，外形呈半圆形，如图11-5所示。轴上的键槽为半圆形，轮毂上的键槽为直槽，这种键配合时具有自动调心的作用。由于轴必须铣切较深的键槽，会影响轴的强度与刚度，因此适用于传递转矩较小的场合。键的种类4．花键花键是将轴制成周向均布的多个键，轮毂则制成与键配合的槽，如图11-6所示。传动时可使转轴与轮毂作周向与轴向运动。花键强度大，可传递极大的扭矩，广泛用于汽车及其他机械中需要传递极大扭力的场合，如离合器及汽车前轮驱动轴等。花键连接按其齿形不同，有矩形花键（图11-7a）和渐开线花键（图11-7b）两种。键的种类5．滑键滑键又称为“活键”，可固定于轮毂或利用埋头螺钉连接于轴上，键及键槽均无斜度，如图11-8所示。这种键可使键和轮毂间作轴向滑动，用于传递大的动力。键的种类6．切向键切向键又称为“路易氏键”，由两个形状相同的楔键相对组合而成，其斜度为1∶100，如图11-9所示。这种键安装时，键的对角线必须在轴的周缘上，以承受剪力，若要传递双向动力时，则需同时装置两组互成120°~135°的切向键。这种键适合承受冲击载荷。键的材料及选用1．键的材料键的材料采用强度极限不低于600MPa的碳素钢，通常用45钢。当轮毂用非铁金属或非金属材料时，键可用20钢或Q235钢。2．键的主要失效形式在静连接中，平键连接的主要失效形式是工作面的压溃。除非有严重过载，一般不会发生键被剪断的现象。3．键的选用按照轴结构设计的结果，根据轮毂的长度L1来确定键的长度L，键长L略短于轮毂的宽度，一般比轮毂宽度短5~10mm。11.2销连接按销连接的功能分类1．定位销定位销一般不承受载荷或只能承受很小的载荷，用于固定两个零件间的相对位置，一般成对使用，并安装在两个零件接合面的对角处，以加大两销间的距离，增加定位精度。定位销如图11-10a、b所示。按销连接的功能分类2．连接销连接销只能承受不大的载荷，用于轴与轴毂的连接或其他零件的连接，适用于轻载和不很重要的场合，例如汽车的活塞销。连接销如图11-10c所示。3．安全销安全销是在安全装置中的过载剪断元件。安全销如图11-10d所示。按销的形状分类1．圆柱销圆柱销是一直径相同的圆柱体，两端倒角或倒圆，由淬火钢经研磨制成。它主要用于定位，也可用作连接。圆柱销与销孔之间是过盈配合的关系，为了保证其定位精度和连接的紧固性，不宜经常拆卸。圆柱销如图11-11a所示。按销的形状分类2．圆锥销圆锥销如图11-11b所示，是一圆锥体，两端成圆角，有1∶50的锥度，小头直径为标准值（图11-12a），具有自锁性能，便于拆卸，定位精度比圆柱销高，大多用于经常装拆的场合。按销的形状分类3．开口销开口销以断面为半圆的退火钢或黄铜制成，如图11-11c所示。开口销经常与槽形螺母配合使用，使用时将开口销贯穿机件的小孔，并将销端弯曲，以防脱落。图11-13所示为开口销应用于汽车传动轴上。11.3螺纹螺纹各部分名称螺纹各部分名称如图11-14所示。1）外螺纹：在圆柱或圆锥机件外表面加工而成的螺纹。2）内螺纹：在机件内孔加工而成的螺纹。3）大径：又称“公称直径”，是螺纹的最大直径。4）小径：是螺纹的最小直径。5）中径：是介于大径和小径间的假想圆柱直径，即螺纹的平均直径。6）牙顶：螺纹的顶部。螺纹各部分名称7）牙底：螺纹的底部。8）螺距：为相邻两螺纹牙对应点的轴向距离。9）导程：螺纹旋转一圈，沿轴向的移动距离。10）螺纹深度：螺纹牙顶与牙底之间沿径向的垂直距离。11）牙型角：相邻两螺纹牙间所成的槽角。12）螺纹开角（导程角）：螺旋线切线与轴线间的夹角。螺纹的功用1．连接或固定机件机械中某些需要随时拆卸的零件，可利用螺纹加以连接或固定。2．传递动力或运动用于输送动力或运动的螺纹应具备较高的机械效率，以减少传动时的动力损失。3．调节距离或测微机件间的相对位置需要改变时，可利用螺纹加以调整，如滑动轴承中的剖分式轴承，此类螺纹大都使用三角形螺纹。螺纹的种类1．按螺纹的旋向分（1）右旋螺纹由轴端方向看，顺时针旋转时旋入的螺纹，称为“右旋螺纹”，如图11-17所示。一般使用的螺纹，如果没有特别标示，均为右旋螺纹。螺纹的种类（2）左旋螺纹由轴端方向看，逆时针旋转时旋入的螺纹，称为“左旋螺纹”，如图11-18所示。左旋螺纹只用在较特殊的场合，如砂轮机械侧砂轮的轴使用左旋螺纹锁紧砂轮。螺纹的种类2．按螺纹线数分（1）单线螺纹由一条螺旋线绕于基柱上所制成的螺纹，其导程Ph恰好等于螺距P，这种螺纹称为“单线螺纹”,如图11-19所示。（2）多线螺纹基柱体上刻有多条螺旋线的螺纹称为“多线螺纹”。若由两条螺旋线在轴端相隔180°，绕于基柱上所制成的螺纹，称为“双线螺纹”，其导程为螺距的两倍，如图11-20a所示。螺纹的种类3．按螺纹用途分（1）连接用螺纹1）普通螺纹。我国国家标准中，将由国际标准组织（ISO）所制定的国际公制标准螺纹称为普通螺纹。此类螺纹牙型角为60°，牙顶为平面，牙底呈弧形，如图11-21所示。螺纹的种类3．按螺纹用途分（1）连接用螺纹2）管螺纹。管螺纹为英制螺纹，除了细牙普通螺纹外，常用的还有非螺纹密封的管螺纹，又称圆柱管螺纹，牙型角为55°，如图11-22a所示；用螺纹密封的管螺纹，又称圆锥管螺纹，牙型角为55°或60°，如图11-22b所示。螺纹的种类（2）传动螺纹1）矩形螺纹。如图11-23所示，矩形螺纹的断面呈矩形。矩形螺纹主要用于传递运动和动力，传递效率与其他螺纹相比要较高些，可传递较大的动力。2）梯形螺纹。如图11-24所示，其断面呈梯形。一般常用的是米制梯形螺纹，牙型角为30°3）锯齿形螺纹。如图11-25所示螺纹的种类4）滚珠螺纹。滚珠螺纹的牙顶为平面，牙根呈半圆形，如图11-26所示。杆与螺母之间放置若干钢珠，可改变一般螺杆与螺母间的滑动摩擦而成为滚动摩擦，因此摩擦因数小、传动效率高，且可避免因滑动摩擦生热所产生热胀冷缩后形成间隙，因此传递精密度高。此种螺纹常用于数控工具机及机械手等精密度要求较高的传动。11.4螺纹连接件及螺纹连接的基本类型常用螺纹连接件螺纹连接件品种很多，大都已标准化。常用的标准螺纹连接件有螺栓、螺钉、双头螺柱、紧定螺钉、螺母和垫圈。（1）螺栓螺栓头部形状很多，最常用的有六角头（图11-27a）和小六角头（图11-27b）两种。常用螺纹连接件（2）螺钉螺钉的结构形式与螺栓相同，但头部形式较多（图11-28），以适应对装配空间、拧紧程度、连接外观和拧紧工具的要求。有时也把螺栓作为螺钉使用。常用螺纹连接件（3）双头螺柱双头螺柱没有钉头，两端制有螺纹。结构有A型（有退刀槽，见图11-29a）与B形（无退刀槽，见图11-29b）之分。（4）紧定螺钉紧定螺钉的头部和尾部制有各种形状。常见的头部形状有一字槽（图11-30a）等。常用螺纹连接件（5）螺母螺母的结构形式很多，最常用的是六角螺母（图11-31a）。螺母的制造精度与螺栓相同，也分为粗制和精制两种，以便与同精度的螺栓配用。图11-31b所示的圆螺母常用作轴上零件的轴向固定，并配有止动片。常用螺纹连接件（6）垫圈垫圈的主要作用是增加被连接件的支承面积，避免拧紧螺母时擦伤被连接件的表面及防止螺母松脱的作用。常用的有平垫圈（图11-32a）和斜垫圈（图11-32b）。当被连接件表面有斜度时，应使用斜垫圈。螺纹连接的基本类型根据结构特点，螺纹连接有下列四种基本类型。（1）螺栓连接被连接件的孔中不切制螺纹，装拆方便。（2）双头螺柱连接如图11-34所示，双头螺柱的两端都有螺纹，其中一端旋紧在一个被连接件的螺孔孔内；另一端则穿过另一个被连接件的孔，与螺母旋合而将被连接件连接。螺纹连接的基本类型（3）螺钉连接螺钉直接旋入被连接件的螺纹孔中，如图11-35所示，结构较简单，适用于被连接件之一较厚，或另一端不能装螺母的场合。（4）紧定螺钉连接如图11-36所示，将紧定螺钉旋入被连接件之一的螺纹孔中，其末端顶住另一被连接件的表面或顶入相应的坑中，常用于固定两个零件的相对位置，并可传递不大的力或转矩。11.5螺纹连接的预紧、防松及结构设计螺纹连接的预紧1．预紧的概念绝大多数螺纹连接在装配时都必须拧紧，使连接在承受工作载荷之前，预先受到的作用力称为预紧力。2．控制预紧力的方法控制预紧力的方法很多，通常借用测力矩扳手（图11-37）或定力矩扳力（图11-38），利用控制力矩的方法来控制预紧力的大小。螺纹连接的防松松动是螺纹连接最常见的失效形式之一。在静载荷条件下，普通螺栓由于螺纹的自锁性一般可以保证螺栓连接的正常工作，但在冲击、振动或者变载荷作用下，或温度变化很大时，螺纹副间的摩擦力可能减少或者瞬时消失，致使螺纹连接产生自动松脱现象，为保证螺纹连接的安全可靠，许多情况下螺栓连接都采取一些必要的防松措施。螺栓连接的结构设计在进行螺栓的设计之前，先要进行螺栓组结构设计。1．接合面的形状设计接合面应尽量设计成轴对称的简单几何形状，尽量对称布置螺栓，使螺栓组的几何中心与接合面的形心重合，这样便于加工和装配，接合面受力也比较均匀，如图11-39所示。螺栓连接的结构设计2．螺栓的布置使螺栓组能承受较大的载荷，如弯矩或转矩，应尽量将螺栓布置在靠近接合面的边缘。同一螺栓组中各螺栓的材料、直径和长度应相等。3．支承面的平整若被连接件支承表面不平或倾斜，螺栓将受到偏心载荷作用，产生附加弯曲应力，从而使螺栓剖面上的最大拉应力可能比没有偏心载荷时的拉应力大得多。螺栓连接的结构设计4．扳手空间如图11-42所示，设计螺纹连接时，要注意留有扳手扳动的必要空间，否则就无法装拆。各种结构情况下的扳手空间尺寸可参考机械设计手册。螺栓连接的结构设计5．承受横向载荷的减载装置对于承受较大横向载荷的螺栓组连接，可采用销、套筒、键等抗剪零件来承受部分横向载荷，以减少螺栓的预紧力及其结构尺寸，如图11-43所示。11.6弹簧弹簧的功用弹簧是利用金属的复原力将振动能予以吸收的一种弹性体，具有高度的弹性，其主要用途如下。1．吸收振动弹簧可吸收突然的负载或冲击，缓和机件的振动。2．产生作用力利用弹簧产生适当的作用力，以维持两机件的接触。3．储存能量借弹簧可储存能量的特性，在需要时释放，作为机件的动力来源。4．测量力的大小利用弹簧变形量与外力的特定函数关系。弹簧的种类弹簧的种类很多，若按用途分类，可分为压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧及特种弹簧四种。1．压缩弹簧（1）螺旋压缩弹簧如图11-44所示，螺旋压缩弹簧主要承受压力，弹簧线的断面为圆形。弹簧的种类弹簧的种类很多，若按用途分类，可分为压缩弹簧、拉伸弹簧、扭转弹簧及特种弹簧四种。1．压缩弹簧（1）螺旋压缩弹簧如图11-44所示，螺旋压缩弹簧主要承受压力，弹簧线的断面为圆形。弹簧的种类（2）锥形弹簧锥形弹簧是由圆钢线或钢片卷成的锥状物，如图11-46a、b所示。由于弹簧上下线圈直径不同，当压缩时大圈部分变形量较大，小圈部分变形量较小，且小圈可收缩进大圈平面内，可节省空间。弹簧的种类（3）圆盘形弹簧圆盘形弹簧是具有弹性的垫片，由薄片材料冲压而成，如图11-47所示。弹簧的种类2．拉伸弹簧如图11-48所示，各线圈之间绕成紧贴的螺旋圈，受外力时向外伸长。这种弹簧通常在两端制成环状或钩状，以供挂钩用。拉伸弹簧应用于制动踏板、弹簧秤、健身器材及自行车的脚架等。图11-49所示为自行车的脚架弹簧。弹簧的种类3．扭转弹簧（1）螺旋扭转弹簧各线圈之间可绕成分开或紧贴的螺旋圈，在螺旋圈的两端或中间沿切线方向制成直臂状，如图11-50a、b所示。当弹簧受扭力变形时，以弹簧轴心为轴产生一扭转力矩。弹簧的种类（2）蜗旋扭转弹簧由薄钢片或钢带绕成蜗线开头，且各圈均在同一平面内，但各圈面间互不接触，如图11-51a所示。常用于钟表上的发条（可储存能量供给动力）及钻床的进刀把手（钻完孔后把手能自动，如图11-51b所示）。弹簧的种类4．特种弹簧（1）板簧板簧又称为叠板弹簧，由数片长短不同的弹簧板组成，并弯成半椭圆形，如图11-52a所示，当弹簧受压力时，叠板变成较平直状态而吸收振动，能承受较大的负载，多用于汽车、火车等机动车辆的避振器。板簧设计时每片弹簧板都制成三角形或梯形，目的是使整组弹簧每一切面的弯曲应力都相等。图11-52b所示为汽车的避振器所用的板簧。弹簧的种类（2）扣环扣环是具有弹性的开口圈环，嵌在轴的外径沟槽或轮毂内孔沟槽，用以防止机件发生轴向运动。扣环的种类依形式主要分为C形扣环和E形扣环两种，按其嵌入轴或孔内可分为轴用扣环和孔用扣环两种。C形扣环如图11-53所示，轴用与孔用皆适宜。E形扣环如图11-54所示，为轴用扣环。弹簧的种类（3）单片弹簧单片弹簧为单一金属片制成的弹簧，当弹簧的一端固定，另一端受力时，便会产生反作用力，如图11-55所示。弹簧常用材料弹簧在机械中常承受具有冲击性的变载荷，故弹簧材料应具有高的弹性极限和疲劳极限，同时应具有一定的冲击韧性、塑性和良好的热处理性能等。常用的弹簧材料有优质碳素弹簧钢、合金弹簧钢和有色金属合金等。1．优质碳素弹簧钢2．合金弹簧钢3．有色金属合金11.7联轴器联轴器与离合器概述联轴器和离合器用来连接不同部件之间的两根轴或轴与其他回转零件，使之一起回转并传递转矩。用联轴器连接的两轴在工作时不能分开，只有在机器停止运转时，通过拆卸的方法才能把两根轴分离；而用离合器连接的两轴，在机器运转时，能方便地将两轴分开和接合。此外，它们有的还起到过载安全保护作用。联轴器、离合器是机械传动中的通用部件，而且大部分已标准化。联轴器的使用条件在正常情况下，轴的使用以整体制造为原则，但实际使用时常因下列原因必须将轴分段制造，再利用联轴器连接后使用。（1）由于材料或加工上的限制（2）传动轴前后左右两段转速不同（3）两转轴不在同一中心线上联轴器的类型联轴器的类型很多，按是否具有补偿轴线偏移的能力，可分为刚性联轴器和挠性联轴器两大类。1．刚性联轴器刚性联轴器不能补偿两根轴的轴线偏移，只能用于两根轴之间能够严格对中并在工作中不发生相对偏移的场合。（1）套筒联轴器套筒联轴器是利用套筒及连接零件（键或销）将两轴连接起来的，如图11-57所示。联轴器的类型（2）凸缘联轴器凸缘联轴器的构造简单、成本低，是最常使用的一种刚性联轴器。使用时轴必须对正，两凸缘分别用键和轴连接，再用螺栓锁紧，如图11-58所示。轴旋转时，螺栓受剪力作用而传递动力。联轴器的类型2．挠性联轴器挠性联轴器具有一定的补偿两根轴的轴线偏移的能力。根据补偿偏移的方法不同又可分为无弹性元件联轴器和弹性联轴器。（1）无弹性元件联轴器1）滑块联轴器。2）齿式联轴器。联轴器的类型3）万向联轴器。为了避免这种现象，可采用两个万向联轴器成对使用，如图11-62所示，使两次角速度变化的影响相互抵消，从而使主、从动轴同步转动。万向联轴器的材料常用合金钢制造，以获得较高的耐磨性和较小的尺寸。联轴器的类型（2）弹性联轴器弹性联轴器因有弹性元件，不仅可以补偿两轴间的偏移，而且具有缓冲减振的作用。它适用于起动频繁、经常正反转、变载荷及高速运转的场合。1）弹性套柱销联轴器。2）弹性柱销联轴器。11.8离合器离合器的性能要求离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合。对离合器的要求是接合平稳，分离迅速彻底，调节和修理方便，工作可靠，外廓尺寸小，质量小；对摩擦离合器，还要求其耐磨性和散热性好，操纵方便省力。离合器的结构和特点1．牙嵌离合器如图11-65所示，牙嵌离合器由两个端面带牙的半离合器组成。其中一个半离合器固定在主动轴上，另一个半离合器用导键（或花键）与从动轴连接，并可由操纵机构使其作轴向移动，以实现离合器的分离与接合，它靠牙的相互嵌合传递运动和转矩。离合器的结构和特点牙嵌离合器常用的牙型有三角形、矩形、梯形和锯齿形，如图11-66所示。三角形牙接合、分离方便，但牙尖强度低，故多用于轻载的情况。矩形牙不便于接合和分离，牙根强度低，故应用较少。离合器的结构和特点2．摩擦离合器摩擦离合器是借两机件间的摩擦力传递动力的，传动时所产生的冲击与振动较小，且负载过大时，接触面间会产生滑动而不致损坏机件，如图11-67所示。离合器的结构和特点3．超越离合器超越离合器只允许主动轴在单一方面旋转时将动力传至从动轴，若主动轮反向旋转，则从动轴不发生运动。图11-68所示为滚珠式超越离合器，由行星轮、外圈、滚柱和弹簧顶杆组成。轴学习目标了解轴的分类及应用。了解轴的常用材料。了解轴的结构。了解轴上零件的固定方法。了解轴的结构工艺性。了解轴的强度计算的基本方法。12.1轴的分类按轴的功用和承载情况分类1．传动轴传动轴主要是用来传递扭矩而不承受弯矩，或承受弯矩很小的轴。图12-1所示为汽车中连接变速器与后桥的传动轴。2．心轴心轴是只承受弯矩，不传递扭矩的轴，按其是否转动又分为转动心轴和固定心轴两种。按轴的功用和承载情况分类3．转轴转轴是同时承受弯矩和扭矩的轴。图12-3所示为齿轮减速器的输出轴，它是机械中最常见的轴。按轴线形状不同分类1．直轴直轴是轴线为一直线的轴。直轴应用最广。按其外形不同，直轴可分为光轴（图12-4a）和阶梯轴（图12-4b）。2．曲轴曲轴是轴线为折线的轴。常用于往复式机械（如内燃机）中，用以将旋转运动与往复运动相互转变，如图12-5所示。按轴线形状不同分类3．挠性轴挠性轴能把回转运动和扭矩灵活地传到空间任何位置。如图12-6所示，挠性轴常用于医疗器械、汽车里程表和电动的手持小型机具（如铰孔机等）的传动中。12.2轴的材料轴的材料轴的失效多为疲劳破坏，所以对轴材料的主要要求是：①具有足够的疲劳强度；②对应力集中的敏感性小；③与滑动零件接触的表面应有足够的耐磨性。在选择轴的材料时，还需注意应按经济性和制造的工艺性等要求合理地选择轴的材料。轴的常用材料是优质碳素钢和合金钢，球墨铸铁也有应用。对于强度和耐磨性要求较高的轴，或在调温或腐蚀性介质等条件下工作的轴，须采用合金钢。对于耐磨性和韧性要求较高的轴，可选用20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，轴颈部位还要进行渗碳淬火处理。对于在高速和重载下工作的轴，可选用40CrNi、30CrMoAlA等合金钢。对于中碳合金结构钢，一般采用调质处理，以提高其综合力学性能。12.3轴的结构轴结构的基本要求轴的结构主要取决于轴上载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴与轴上零件、轴承和机架等相关零件的接合关系；轴的加工和装配工艺等。因此，轴的结构应满足如下条件。1）轴的结构合理，有利于提高轴的强度和刚度。2）轴和装在轴上的零件能可靠地定位和固定。3）轴上零件装拆方便，轴应便于加工。4）尽量减小应力集中，并节省材料、减小质量。轴及轴上零件的定位与固定1．轴及轴上零件的定位轴的定位通常是靠轴承来实现的。轴上零件的定位一般是靠轴肩或轴环来实现。2．轴上零件的轴向固定轴上零件轴向固定的目的是使其准确而可靠地固定在规定的位置。轴上零件的轴向定位及固定可以用轴肩、套筒、圆螺母、轴端挡圈等来保证。3．轴上零件的周向定位与固定周向定位与固定的目的是为了将轴上零件准确定位并固定于轴的圆周方向，使轴与轴上零件同步转动，以满足机器传递扭矩和运动的要求。常用的周向固定方法有键连接、花键连接、销连接和过盈配合等。扭矩较大时采用花键连接，也可采用平键连接和过盈配合；扭矩较小时采用紧定螺钉、销钉连接等。轴的结构工艺性轴的结构工艺性能指能够以低生产成本，利用目前可以使用的设备和方法，加工出符合图样和技术要求规定的轴。同时轴的结构形状和尺寸应尽量满足装配和维修的要求。因此，轴经常采用以下工艺结构。1）当某一轴段需车制螺纹或磨削加工时，应留有螺纹退刀槽（图12-7）或砂轮越程槽（图12-8），以便于退刀，保护刀具和保证零件加工质量。轴的结构工艺性2）轴上所有键槽应沿轴的同一母线布置（图12-9），以方便加工，降低加工成本。3）为了便于装配零件并去掉毛刺，轴及轴肩端部一般均应制出45º的倒角。过盈配合轴段的装入端应加工出半锥角为30º的导向锥面（图12-9）。4）为便于加工，应使轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽、退刀槽和越程槽等尺寸一致。5）装有轴上零件的轴段的宽度应小于轴上零件的宽度，以使轴上零件能够可靠地定位和固定。6）轴直径应尽量采用标准系列12.4轴的强度计算轴的强度计算对于传动轴，因只受扭矩，可只按扭矩计算轴的直径；而在转轴设计中，轴受弯矩和扭矩联合作用，弯矩与轴上载荷的大小及轴上零件相互位置有关，但轴的结构尺寸未确定前，轴上零件的位置和支承点位置都未确定，因此无法确定轴的受力，轴所受的弯矩就无法求出。因此转轴设计时，只能按强度或经验公式估算轴的直径，然后进行轴的结构设计，最后进行较精确的强度计算，结构设计作为重点。1．传动轴的强度计算（只承受扭矩的轴）对于圆截面的传动轴，扭转时的强度条件为τ=T/WT≤[τ]，式中轴所传递的扭矩T=9.55×106P/n，WT为抗扭截面系数（mm3）。轴的强度计算2．转轴的强度计算由于转轴承受弯扭组合作用，同时轴上零件的位置与轴承和轴承支承的距离通常都未确定，所以对转轴的设计，只能先按扭转强度初步估算轴的最小直径，等轴系结构确定后，轴上所受载荷大小、方向、作用点及支承跨距已确定，再按弯扭组合强度校核。第13章轴承学习目标了解轴承的分类及用途。熟悉滚动轴承的类型、特点及应用。熟悉滚动轴承的代号及选择原则。了解滚动轴承的配合及装拆方法。了解滑动轴承的特点、主要结构和应用。了解滑动轴承的轴瓦结构、失效形式及常用材料。13.1轴承概述轴承概述轴承可用于支承机器中作回转运动或摆动运动的构件，是一种最常用的机械零件。可分为以下两大类。其可以使回转件或摆动件保持一定的旋转精度，承受这些零件作用的载荷，减少这些零件作回转运动时由于摩擦带来的功率损失和摩擦表面的磨损。按轴承元件摩擦表面的运动情况，轴承1．滚动轴承图所示为减速器中所应用的滚动轴承，当用滚动轴承支承轴时，轴安装在轴承孔内，轴运转时，轴与轴承内圈同步转动，轴承内圈与滚动体、外圈与滚动体之间作的是相对滚动。轴承概述2．滑动轴承图所示为滑动轴承实物，当用滑动轴承支承轴时，轴颈表面与滑动轴承内孔表面之间作的是相对滑动，因而，其属于滑动摩擦。13.2滚动轴承的主要类型、特点及应用滚动轴承的结构和材料1．滚动轴承的结构如图所示，滚动轴承一般由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4组成。2．常用滚动体的类型如图所示，常用的滚动体按其外形分为球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针。3．滚动轴承的材料由于滚动体与内外圈之间是点或线接触，接触应力较大。因此，滚动体与内外圈均用强度高、耐磨性好、接触疲劳强度高的的滚动轴承钢（如GCr15、GCr15SiMn等）制造，经热处理后，硬度一般为60~65HRC，工作表面需经过磨削和抛光。滚动轴承的分类1．按滚动体的形状分类（1）球轴承常用滚动体如图所示，滚动体为球体的轴承称为球轴承。（2）滚子轴承滚动体为圆柱或圆锥体的轴承都称为滚子轴承。2．按承载方向分类（1）向心轴承向心轴承主要承受径向载荷1）径向接触轴承：主要承受径向载荷，也可承受较小的轴向载荷2）角接触向心轴承：能同时承受径向载荷和轴向载荷的联合作用滚动轴承的分类有的向心轴承不能承受轴向载荷，只能承受径向载荷。（2）推力轴承推力轴承只能或主要承受轴向载荷，其分类如下。1）轴向推力轴承：只能承受轴向载荷，如推力圆柱滚子轴承等。2）角接触推力轴承：主要承受轴向载荷，也可承受较小的径向载荷，如推力调心滚子轴承等。滚动轴承的分类3．按调心性分类按轴承工作时能否调心，可以将滚动轴承分为以下两种。（1）刚性轴承刚性轴承指轴承的内外圈轴线之间允许偏斜角很小或为零。（2）调心轴承调心轴承指轴承的内外圈轴线之间的允许偏斜角较大。滚动轴承常用的类型和特性滚动轴承的主要类型和特性见表。滚动轴承常用的类型和特性滚动轴承的主要类型和特性见表。滚动轴承常用的类型和特性滚动轴承的主要类型和特性见表。滚动轴承常用的类型和特性滚动轴承的主要类型和特性见表。滚动轴承的失效由于滚动轴承中的各滚动体与外圈和内圈之间都是滚动摩擦，其失效形式主要发生在各元件的接触面上。失效形式一般为磨损、疲劳点蚀、塑性变形。1．磨损在开式传动或润滑不良的条件下，滚动体的表面与内、外圈滚道的工作面会产生磨损。2．疲劳点蚀轴承元件在循环变化的接触载荷和接触应力的作用下工作一段时间后，滚动体和内外圈滚道表面将产生疲劳点蚀，使轴承出现较强烈的振动和噪声。3．塑性变形低速轴承和间隙摆动轴承，一般不会产生疲劳点蚀破坏，但在过大的冲击载荷或静载荷下，滚道和滚动体会出现不均匀的永久塑性变形和凹坑，增大摩擦，降低运转精度。13.3滚动轴承的代号及类型选择滚动轴承的代号GB/T272—1993规定了滚动轴承代号的表示方法。国家标准中规定，使用字母加数字来描述滚动轴承的类型、尺寸、公差等级和结构特点。轴承的代号通常都打印在轴承的端面上。滚动轴承的代号组成见表。滚动轴承的代号1．基本代号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。基本格式如下。（1）内径代号右起第一、第二位数字表示轴承内径，其表示方法见表。（2）尺寸系列代号直径系列代号和宽（高）度系列代号统称为尺寸系列代号。直径系列代号表示同一内径，不同外径的轴承系列。滚动轴承的代号2．前置代号前置代号在基本代号的左面，用字母表示，是用以说明成套轴承的分部件特点的补充代号。3．后置代号后置代号在基本代号的右面，表示轴承内部结构、密封防尘与套圈变型、保持架及其材料、轴承材料、公差等级、游隙组别、配置安装代号等要求。滚动轴承类型的选择1．滚动轴承类型的选择原则选择滚动轴承类型时主要考虑如下原则。（1）载荷条件载荷条件是指载荷的方向、大小和性质，该条件是选择轴承类型的重要依据。（2）转速条件球轴承的极限转速高于滚子轴承，因此在高速以及要求有较高的运转精度时宜选用球轴承。（3）调心和安装要求当轴的支点跨度较大、工作中弯曲变形较大或两轴承座孔的同轴度较差时，应选用内外圈有较大相对角位移的调心轴承。（4）安装、调整条件（5）成本条件一般情况下，球轴承比滚子轴承的价格便宜。同型号轴承，精度越高，价格越昂贵。滚动轴承类型的选择2．选择滚动轴承类型时要注意的问题（1）成对使用圆锥滚子轴承（30000型）和角接触球轴承（70000型）（2）成对使用自动调心轴承（10000型、20000型）在轴的一个支点采用自动调心轴承，则在轴的另一个支点上也采用自动调心轴承，否则轴承就不能起到调心作用。（3）多支点细长轴对于多支点上的细长轴，各支点都应采用自动调心轴承。滚动轴承的配合滚动轴承的周向固定是通过选择适当的配合来实现的。由于滚动轴承是标准件，所以其内圈与轴颈的配合采用基孔制，外圈与座孔的配合采用基轴制。转动圈整圈受载，配合应选紧些，固定圈局部受载，为使工作时受载部位有所变化以提高寿命，配合应松一些。载荷大、转速高、工作温度高时采用紧一些的配合，经常装拆或游动圈则采用较松的配合。一般机械，轴颈的公