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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯） 第 7 頁
軸、聯(lián)軸器、材料的選擇及傳動方式
June, 1992 by Keith Briere
軸和聯(lián)軸器
實(shí)際上, 幾乎所有的機(jī)器中都裝有軸。 軸的最常見的形狀是圓形,其截面可以是實(shí)心的,也可以是空心的(空心軸可以減輕重量).有時(shí)也采用矩形2軸,例如,螺絲起子的頭部, 套筒扳手和控制旋鈕的桿。
為了在傳遞扭矩時(shí)不發(fā)生過載，軸應(yīng)該具有適當(dāng)?shù)目古ぞ囟取］S還應(yīng)該具有足夠的抗扭剛度，以使在同一個(gè)軸上的兩個(gè)傳動零件之間的相對轉(zhuǎn)角不會過大。一般說來，在長度等于軸的直徑的202倍時(shí)，軸的扭轉(zhuǎn)角不應(yīng)該超過1度。軸安裝在軸承中，通過齒輪，皮帶輪，凸輪和離合器等零件傳遞動力。通過這些零件傳來的力可能會使軸產(chǎn)生彎曲變形。因此，軸應(yīng)該有足夠的剛度以防止支撐軸承受力過大?？偠灾趦蓚€(gè)軸承支撐之間，軸在每英尺長度上的彎曲變形不應(yīng)該超過0.01英寸。
此外，軸還必須能夠承受彎矩和扭矩的組合作用。因此。要考慮扭矩與彎矩的當(dāng)量載荷。因?yàn)榕ぞ睾蛷澗貢a(chǎn)生交變應(yīng)力，在需用應(yīng)力中也應(yīng)該有一個(gè)考慮疲勞現(xiàn)象的安全系數(shù)。
直徑小于3英寸的軸可以采用含炭量大約為0.4％的冷軋鋼，直徑在3～5英寸之間的軸卡一采用冷軋鋼或鍛造毛坯。當(dāng)直徑大于5英寸時(shí)，則要采用鍛造毛坯，然后機(jī)械加工到所要求得尺寸。輕載時(shí)，廣泛采用塑料軸。由于塑料是電的不良導(dǎo)體，在電器中采用塑料比較安全。
齒輪和皮帶輪等零件通過鍵聯(lián)接在軸上。在鍵及軸上與之相對應(yīng)的鍵槽的設(shè)計(jì)中。必須進(jìn)行認(rèn)真的計(jì)算。例如，軸上的鍵槽會引起應(yīng)力集中，由于鍵槽的存在會使軸的橫截面積減小，會進(jìn)一步減弱軸的強(qiáng)度。
如果軸以臨界速度傳動，將會發(fā)生強(qiáng)烈的振動，可能會毀壞整臺機(jī)器。知道這些臨界速度的大小是很重要的，因?yàn)檫@樣可以避開它。一般憑經(jīng)驗(yàn)來說，工作速度與臨界速度之間至少應(yīng)該相差20％
許多軸需要三個(gè)或更多的軸承來支撐，這就意味著它是一個(gè)超靜定問題。材料力學(xué)教科書介紹了求解這類問題的方法。但是，設(shè)計(jì)工作應(yīng)該與特定場合的經(jīng)濟(jì)性相符合。例如，需要一根由三個(gè)或更多個(gè)軸承來支撐的主傳動軸，可以對力矩做出保守的假定，按照靜定軸對其進(jìn)行設(shè)計(jì)，其成本可能會更低一些。由于軸的尺寸增加的成本可能會比進(jìn)行復(fù)雜，精細(xì)的設(shè)計(jì)分析工作所多花費(fèi)的成本要低一些。
軸的設(shè)計(jì)工作中的另一個(gè)重要方面是一根軸與另一根軸之間的直接聯(lián)接方法。這是由剛性或者彈性聯(lián)軸來實(shí)現(xiàn)的。
聯(lián)軸器是用來把相鄰的兩個(gè)軸端聯(lián)接起來的裝置。在機(jī)械機(jī)構(gòu)中，聯(lián)軸器被用來實(shí)現(xiàn)相鄰的兩根軸之間的半永久性聯(lián)接。在機(jī)器的正常使用期間內(nèi)，這種聯(lián)接一般不必拆開，在這種意義上，可以說聯(lián)軸器的聯(lián)接是永久性聯(lián)接。但是在緊急情況下 或者在需要更換已磨損的零件時(shí)，可以先把聯(lián)軸器拆開，然后再聯(lián)接上。
聯(lián)軸器有幾種類型，它們的特性隨其用途而定。如果制造工廠中或者船舶的螺旋槳需要一根特別長的軸，可以采用分段的方式將其制造出來，然后采用剛性聯(lián)軸器將各段聯(lián)接起來。一種常用的聯(lián)軸器是由兩個(gè)配對的法蘭盤組成。這兩個(gè)法蘭盤借助靠鍵傳動的軸套聯(lián)接到相鄰兩節(jié)軸的兩端。然后用螺栓穿過法蘭盤聯(lián)接起來形成剛性接頭。相互聯(lián)接的兩根軸通常是靠法蘭面上的槽口來對準(zhǔn)的。
在把屬于不同的設(shè)備（例如一個(gè)電動機(jī)和一個(gè)變速箱）的軸聯(lián)接起來的時(shí)候，要把這些軸精確地對準(zhǔn)是比較困難的，此時(shí)可以采用彈性聯(lián)軸器聯(lián)接軸的方式可以把由于被聯(lián)接的軸之間的軸線的不重合所造成的有害影響減少到最低程度。彈性聯(lián)軸器也允許被聯(lián)接的軸在它們各自的載荷系統(tǒng)作用下產(chǎn)生偏斜或在軸線方向自由移動（浮動）而不致于產(chǎn)生相互干擾。彈性聯(lián)軸器也可以用來減輕從一根軸到另一根軸的沖擊載荷和振動的強(qiáng)度。
滾動軸承
對于求軸承和滾子軸承，一個(gè)機(jī)器設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮下面五個(gè)方面：（a）壽命與載荷的關(guān)系；（b）剛度，也就是在載荷作用下的變形；（c）摩擦；（d）磨損；（e）噪聲。對于中等載荷和轉(zhuǎn)速，根據(jù)額定負(fù)荷選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)軸承，通常都可以保證其具有令人滿意的工作性能。當(dāng)載荷較大時(shí)，軸承零件的變形，盡管它通常小于軸和其他與軸承一起工作的零部件的變形，將會變的重要起來。在轉(zhuǎn)速高的場合需要有專門的冷卻裝置，而著可能會增大摩擦阻力。磨損主要是由于污染物的進(jìn)入引起的，必須選用密封裝置以防止周圍環(huán)境的不良影響。因?yàn)榇笈可a(chǎn)這種方式就決定了球軸承和滾子軸承不但質(zhì)量高而且價(jià)格低，因而機(jī)器設(shè)計(jì)人員的任務(wù)是選擇而不是設(shè)計(jì)軸承。滾動接觸軸承通常是采用硬度約為900HV、整體淬火的鋼來制造。但在許多機(jī)構(gòu)上不使用專門的套圈，而將相互作用的表面淬硬到600HV。滾動軸承由于在工作中會產(chǎn)生高的壓力，其主要失效形式是金屬疲勞，這一點(diǎn)并不奇怪，目前正在進(jìn)行大量的工作以求改進(jìn)這種軸承的可靠性。軸承設(shè)計(jì)可以基于能夠被人們所接受的壽命值來進(jìn)行。在軸承行業(yè)中，通常將軸承的承載能力定義為這樣的值，即所承擔(dān)載荷小于這個(gè)值時(shí)，一批軸承中將會有90%的軸承具有超過一百萬轉(zhuǎn)的壽命。
盡管球軸承和滾子軸承的基本設(shè)計(jì)責(zé)任在生產(chǎn)廠家，機(jī)器設(shè)計(jì)人員必須對軸承所要完成的任務(wù)進(jìn)行正確的評價(jià)，不僅要考慮軸承的選擇，而且還要考慮軸承的正確的安裝條件。軸承套圈與軸或軸承座的配合非常重要，因?yàn)樗鼈冎g的配合不僅應(yīng)該保證所需的過盈量，而且也應(yīng)該保證軸承的內(nèi)部間隙。不正確的過盈量會產(chǎn)生微動腐蝕從而導(dǎo)致嚴(yán)重的故障。內(nèi)圈通常是通過緊靠在軸肩上進(jìn)行周詳定位的。軸肩處的圓弧半徑主要是未了避免應(yīng)力集中。在軸承內(nèi)圈上加工一個(gè)圓弧或倒角，用來提供軸肩處圓弧半徑的空間。
在使用壽命不是設(shè)計(jì)中決定因素的場合，統(tǒng)稱根據(jù)軸承受災(zāi)何時(shí)產(chǎn)生的變形量來確定其最大載荷。因此“靜態(tài)載荷能力”這個(gè)概念可以理解為對處于靜止?fàn)顟B(tài)或進(jìn)行緩慢轉(zhuǎn)動的軸承所能夠施加的載荷。這個(gè)載荷在軸承隨后進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)的質(zhì)量沒有不利影響。按照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定，靜載承載能力是這樣一個(gè)載荷，當(dāng)他作用在軸承時(shí)，滾動體與滾道在一個(gè)接觸點(diǎn)處的總變形量不超過滾動體直徑的0.01%。這相當(dāng)于直徑為25 mm 的球產(chǎn)生0.0025mm的永久變形。
只有將軸承與周圍的環(huán)境適當(dāng)?shù)母綦x開，許多軸承才能成功地實(shí)現(xiàn)他們的功能。在某些情況下，必須保護(hù)環(huán)境，使其不受潤滑劑和軸承表面摩擦生成物的污染。軸承設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分實(shí)施密封裝置起到應(yīng)有的作用。此外，對摩擦學(xué)研究人員來說，未料任何目的而應(yīng)用于運(yùn)動零部件上的密封裝置都是他們感興趣的。因?yàn)槊芊庋b置是軸承的一部分，只有根據(jù)適當(dāng)?shù)妮S承理論才能使基礎(chǔ)令人滿意的密封系統(tǒng)。雖然他們很重要，與軸承其它方面的研究工作相比，在密封裝置研究方面所作的工作還是比較少的。
齒輪
齒輪是從一個(gè)軸相另一個(gè)軸傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動在幾乎所能想象的每一種機(jī)器都存在。齒輪便是能夠用來傳遞這種運(yùn)動的最好方法之一。
齒輪實(shí)際上是帶有精確成型齒的輪子。這些齒與另一個(gè)齒輪的齒嚙合，因而就提供拉強(qiáng)制運(yùn)動的驅(qū)動。裝有一對齒輪的軸間的傳速比取決于齒輪的齒數(shù)。例如，一個(gè)２０齒的齒輪，驅(qū)動一個(gè)５０齒的齒輪，較小的齒輪轉(zhuǎn)２.５圈，可使較大的齒輪轉(zhuǎn)一圈。
為了不同的用途，人們已經(jīng)研制不同類型的齒輪。如果兩個(gè)軸平行可采用直齒圓柱齒輪、斜齒輪或人字齒輪三類齒輪中任意一種。直齒圓柱齒輪是最簡單和最便宜的，它一般用在需要中速驅(qū)動的裝置。錐齒輪用在兩個(gè)交叉軸之間的傳遞動力。在希望一個(gè)零件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為其他零件的線性運(yùn)動時(shí)采用齒條和小齒輪驅(qū)動，反之亦然。
直齒圓柱齒輪用于平行軸之間傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，他們通常是圓柱形的，且齒是直的并且平行與旋轉(zhuǎn)軸。
齒輪常用術(shù)語定義：
（１） 分度圓是一個(gè)假想圓柱的正截面（節(jié)圓柱），帶齒的齒輪要考慮替換。分度圓的直徑為節(jié)徑。
（２） 齒頂圓是經(jīng)過所有齒端的圓，齒頂高是齒頂圓與分度圓之間的徑向距離。
（３） 齒根高和齒根圓限制拉齒間的間隙，分度圓和齒根圓之間的距離成為齒根高。
（４） 一個(gè)齒輪的齒根高和嚙合齒輪的齒頂高之間的公差是間隙配合。
（５） 一個(gè)齒的頂面、底面分別稱為頂端面、底端面。
（６） 齒面是分度圓柱和齒頂圓柱之間的齒的一部分沿齒向?qū)挾确Q為齒面寬。
（７） 齒的齒根面是節(jié)圓柱和齒根圓柱之間的齒的一部分。
（８） 齒厚是沿著節(jié)度圓弧測量的齒的厚度。
（９） 齒槽寬是沿著節(jié)圓測量的兩連續(xù)齒間的齒距。
（１０） 齒隙是一個(gè)齒輪的齒槽寬與配合齒輪齒厚之間的間隙。
（１１） 周節(jié)距ＰＣ是沿著節(jié)圓測量的齒厚與齒槽寬之和。如果Ｄ表示節(jié)圓直徑，Ｔ是一個(gè)齒輪的齒數(shù)， 周節(jié)距Ｐc由（３－１）來計(jì)算。
ＰＣ＝３.１４Ｄ/Ｔ ?。ǎ常保?
（１２）分度周節(jié) Ｐd是單位分度圓直徑齒輪的齒數(shù)，由式（３－２）計(jì)算。
Ｐd＝Ｔ/Ｄ ?。ǎ常玻?
分度周節(jié) Ｐd的倒數(shù)是齒輪模數(shù)m。
由上兩式可知節(jié)圓和直徑節(jié)圓之間的關(guān)系由（３－３）獲得。
ＰＣＰd＝３.１４ ?。ǎ常常?
（１３）小齒輪是嚙合齒輪副小的齒輪。
（１４）節(jié)點(diǎn)是一對嚙合節(jié)圓相切的點(diǎn)，公切線是在節(jié)點(diǎn)處切于節(jié)圓的一條切線。
（１５）嚙合線是接觸點(diǎn)處兩嚙合輪廓的法線。
（１６）接觸嚙合路徑是連接接觸節(jié)點(diǎn)的路徑。
（１７）壓力角是公切線與嚙合線之間的角度。
材料的選擇
近些年來，工程材料的選擇已經(jīng)顯得非常重要。此外，選擇過程應(yīng)該是一個(gè)對材料的連續(xù)不斷得重新評價(jià)過程。新材料不斷出現(xiàn)，而一些原有的材料的可以被利用的數(shù)量可能會減少。環(huán)境污染，材料的回收利用，工人的健康及安全等方面經(jīng)常會對材料的選擇附加新的限制條件。為了減輕重量或者節(jié)約能源，可能要求使用不同的材料。來自國內(nèi)和國際的競爭，對產(chǎn)品維修保養(yǎng)方便性要求的提高和顧客的反饋等方面的壓力，都會促使人們對材料進(jìn)行重新評價(jià)。由于材料選擇不當(dāng)造成的產(chǎn)品責(zé)任訴訟，已經(jīng)產(chǎn)生深刻的影響。此外，材料與材料加工之間的相互依賴關(guān)系已經(jīng)被人們認(rèn)識的更清楚。新的加工方法的出現(xiàn)，通常會促使人們對被加工材料進(jìn)行重新評價(jià)。因此，為了能在合理的成本和確保質(zhì)量的前提下，獲得滿意的結(jié)果，設(shè)計(jì)工程師和制造工程師都必須認(rèn)真仔細(xì)的選擇，確定和使用材料。
制造任何產(chǎn)品的第一部工作都是設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)通?？梢苑譃閹讉€(gè)明確的階段：（a）概念設(shè)計(jì)；(b)功能設(shè)計(jì)；（c）生產(chǎn)設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者著重考慮產(chǎn)品應(yīng)該具有的功能。 通常要設(shè)想和考慮幾個(gè)方案做進(jìn)一步的改進(jìn)。在此階段，關(guān)于材料選擇唯一需要考慮的問題是：是否有性能符合要求的材料可供選擇；如果沒有的話，是否有較大的把握在和時(shí)間都允許的限度內(nèi)研制出一種新材料。
在功能設(shè)計(jì)或工程設(shè)計(jì)階段，要做出一個(gè)切實(shí)可行的設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段需要繪制相當(dāng)完整的圖紙，選擇并且確定各種零件的材料。通常要制造出樣機(jī)或者實(shí)物模型，并對其進(jìn)行試驗(yàn)，評價(jià)產(chǎn)品的功能，可靠性，外觀和維修保養(yǎng)性等。雖然這種試驗(yàn)可能表明，在產(chǎn)品進(jìn)入生產(chǎn)階段之前，應(yīng)該更換某些材料，但是，絕對不能將這一點(diǎn)作為不認(rèn)真選擇材料的借口。應(yīng)該結(jié)合產(chǎn)品的功能，認(rèn)真仔細(xì)的考慮產(chǎn)品的外觀，成本和可靠性。一個(gè)很有成就的公司在制造所有樣機(jī)時(shí)，所選用的材料應(yīng)該和其在生產(chǎn)中使用的材料相同，并盡可能使用同樣的技術(shù)。這樣做，對公司是很有好處的。功能完備的樣機(jī)如果不能根據(jù)預(yù)期的銷售量經(jīng)濟(jì)地制造出來，或者樣機(jī)與正式生產(chǎn)的裝置在質(zhì)量和可靠性方面有很大不同，則這種樣機(jī)就沒有多大的價(jià)值。設(shè)計(jì)工程師最好能在這一階段全部完成材料的分析，選擇和確定工作，而不是將其留到生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段去做。因?yàn)椋谏a(chǎn)設(shè)計(jì)階段材料的更換是由其他人進(jìn)行的，這些人對產(chǎn)品的所有功能的了解可能不如設(shè)計(jì)工程師。
在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段中，與材料有關(guān)的主要問題是應(yīng)該把材料完全確定下來，使他們與現(xiàn)有的設(shè)備相適應(yīng)，能夠利用現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行加工，而且材料的數(shù)量能夠比較容易地保證供應(yīng)。在制造過程中，不可避免地會出現(xiàn)對使用中的材料做一些更改的情況。經(jīng)驗(yàn)表明，可以采用某些便宜材料作為替代品。然而，大多數(shù)情況下，在進(jìn)行生產(chǎn)以后改換材料比在開始生產(chǎn)前改換材料所花費(fèi)的代價(jià)要高。在生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段做好材料選擇工作，可以避免大多數(shù)的這種材料更換情況。在生產(chǎn)制造開始后出現(xiàn)了可供使用的新材料是更換材料的最常見的原因。當(dāng)然，這些新材料可能降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品性能。但是，必須對新材料進(jìn)行認(rèn)真的評價(jià)，以確保其所有性能都被人們所了解。應(yīng)當(dāng)時(shí)刻牢記，新材料的性能和可靠性很少能像現(xiàn)有的材料那樣為人們所了解。大部分的產(chǎn)品失效和產(chǎn)品責(zé)任事故案件是由于在選用新材料作為替代材料之前，沒有真正了解它們的長期使用性能而引起的。
產(chǎn)品的責(zé)任訴訟迫使設(shè)計(jì)人員和公司在選材料時(shí)，采用最好的程序。在材料選擇過程中，五個(gè)最常見的問題：（a）不了解或者未能利用關(guān)于材料應(yīng)用方面的最新和最好的信息資料；（b）未能預(yù)見和考慮產(chǎn)品可能的合理用途（若有可能，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)進(jìn)一步預(yù)測和考慮由于產(chǎn)品使用方法不當(dāng)造成的后果。在近年來的許多產(chǎn)品責(zé)任訴訟案件中，由于錯(cuò)誤的使用產(chǎn)品而受到傷害的原告控告生產(chǎn)廠家， 并且贏得判決）；（c）所使用的材料的數(shù)據(jù)不全或者有些數(shù)據(jù)不確定，尤其當(dāng)其長期性能數(shù)據(jù)是如此的時(shí)候；（d）質(zhì)量控制方法不適當(dāng)和未經(jīng)驗(yàn)證；（e）由一些完全不稱職得人員選擇材料。
通過對上述五個(gè)問題的分析，可以得出這些問題是沒有充分理由存在的結(jié)論。對這些問題的分析和研究可以給避免這些問題的出現(xiàn)指明方向。盡管采用最好的材料選擇辦法爺不能避免發(fā)生產(chǎn)品責(zé)任訴訟，設(shè)計(jì)人員和工作界按照適當(dāng)?shù)某绦蜻M(jìn)行材料選擇，可以大大減少訴訟的數(shù)量。
從上面的討論可以看出，選擇材料的人們應(yīng)該對材料的性質(zhì)，特點(diǎn)和加工方法有一個(gè)全面而基本的了解。
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