Lesson 4 轴和联轴器

　　实际上，几乎所有的机器中都装有轴。轴的最常见的形状是圆形的，横截面可以是实心的，或者是空心的（空心轴可以减少重量）。有时候也会使用方轴，例如，螺丝起子的头部，套筒扳手和控制旋钮的杆。

　　为了在传递扭矩时不发生过载，轴应该具有适当的抗扭强度。轴还应该具有足够的抗扭刚度，以使在同一个轴上的两个传动零件之间的相对转角不会过大。一般来说，在长度等于轴的直径的20倍时，轴的扭转角不应该超过1°。

　　轴安装在轴承中，通过齿轮、皮带轮、凸轮和离合器等零件传递动力。通过这些零件传来的力可能会使轴发生弯曲变形。因此，轴应该有足够的刚度以防止支撑轴承受力过大。总而言之，在两个轴承支撑之间，轴在每英尺长度上的弯曲变形不应该超过0.01英寸。

　　此外，轴还必须能够承受弯矩和扭矩的组合作用。因此，要考虑扭矩和弯矩的当量载荷。因为扭矩和弯矩会产生交变应力，在许用应力中也应该有一个考虑疲劳现象的安全系数。

　　直径小于3英寸的轴可以采用含碳量大约为0.4%的冷轧钢，直径在3-5英寸之间的周可以采用冷轧钢或锻造毛坯。当轴的直径大于5英寸时，则要采用锻造毛坯，然后经过机械加工达到所要求的尺寸。轻载时，广泛采用塑料油。由于塑料是电的不良导体，在电器中采用塑料比较安全。

　　齿轮和皮带轮等零件通过键连接在轴上。在键及轴上与之相对应的键槽的设计中，必须进行认真的计算。例如，轴上的键槽会引起应力集中，由于键槽的存在会使轴的横截面积减少，会进一步减弱轴的强度。

　　如果轴以临界速度转动，将会发生强烈的振动，可能会毁坏整台机器。知道这些临界速度的大小是很重要的，因为这样可以避开它。一般凭经验来说，工作速度与临界速度之间至少应该相差20%。

　　许多轴需要三个或更多的轴承来支撑，这就意味着它是一个超静定问题。材料力学教科书中介绍求解这类问题的方法。但是，设计工作应该与特定场合的经济型相符合。例如，需要一根由三个或更多个轴承来支撑的主传动轴，可以对力矩做出保守的假定，按照静定轴对其进行设计，其成本可能会更低一些。由于轴的尺寸增大所增加的成本可能会比进行复杂。精细的设计分析工作所多花费的成本要低一些。

　　轴的设计工作中的另一个重要方面是一根轴与另一根轴之间的直接连接方法。这是由刚性或者弹性联轴器来实现的。

　　联轴器是用来把相邻的两个轴端连接起来的装置。在机械结构中，联轴器被用来实现相邻的两根转轴之间的半永久性连接。在机器的正常使用期间内，这种连接一般不必拆开，在这种意义上，可以说联轴器的连接是永久性的。但是在紧急情况下，或者在需要更换已磨损的零件时，可以先把联轴器拆开，然后再连接上。

　　联轴器有几种类型，它们的特性随其用途而定。如果制造工厂中或者船舶的螺旋桨需要一根特别长的轴，可以采用分段的方式将其制造出来，然后采用刚性联轴器将各段连接起来。一种常用的联轴器是由两个配对的法兰盘组成，这两个法兰盘借助靠键传动的轴套连接到相邻两节轴的两端，然后用螺栓穿过法兰连接起来形成刚性接头。相互连接的两根轴通常是靠法兰面上的槽口来对准的。

　　在把属于不同的设备（如一个电动机和一个变速箱）的轴连接起来的时候，要把这些轴精确地对准是比较困难的，此时可以采用弹性联轴器。这种联轴器连接轴的方式可以把由于被连接的轴之间的轴线的不重合所造成的有害影响减少到最低程度。弹性联轴器也允许被连接的轴在它们各自的载荷系统作用下产生偏斜或在轴线方向自由移动（浮动）而不致产生相互干扰。弹性联轴器也可以用来减轻从一根轴传到另一根轴上的冲击载荷和振动的强度。

Lesson 5 轴和相关零件

　　轴通常是指旋转的和传递动力的相对比较长的零件，它属于轮的一部分。一个或多个诸如齿轮，链轮，皮带轮和凸轮等类的构件通常借助于销，键，花键，卡环或其他装置连接到轴上。后面提到的这些构件在本篇课文中被称为“相关零件”，还有联轴器和万向节，它们被用来实现轴与动力源或与载荷之间的连接。

　　轴可以不是圆形，并且它也不一定是旋转的。轴可以是静止的，用来支撑一个旋转的构件，比如：在汽车上用来支撑从动轮的短轴。支撑惰轮的轴可以是旋转的或者是静止的，这取决于与轴配合或是由轴支撑的齿轮是否经过轴承。

　　很显然，轴将承受轴向，弯曲，扭转等载荷的各种组合的作用。而且，这些载荷可能是静态的，也可。并且能是波动的。典型的，一根旋转轴传递能量要承受一个不变的扭矩（产生一个大小恒定的扭转应力）还承受一个扭转歪曲载荷（产生一个交替歪曲应力）。

　　为了满足强度条件，轴的设计必须保证其偏转在可接受的极限范围内。过多的轴横向偏转会阻碍齿轮的运转并且引起令人不快的噪声。相关的角度偏转会对非自定心轴承造成破坏性损伤（不管是平动或滚动轴承）。扭矩偏转会影响凸轮或齿轮驱动机制的精度。此外，柔性（横向的或扭转的）越大，则相应的临界转速就越低。

　　有时一些零件如齿轮和凸轮是与轴造成一个整体，但更多的这类零件（包括滑轮和链轮）是单独制造的，然后安装到轴上。被安装零件与轴接触的部分叫轮毂。轴上轮毂的附件可以通过许多方法制造。一个齿轮可以用轴肩和垫圈进行轴向固定，并通过键来传递扭矩。与键配合的轴上的凸槽和轴毂叫键槽。

　　一种更简单的固定方式，它传递相对比较轻的载荷是通过销进行的。销提供了一种相对比较经济的传输轴向载荷和周向载荷的方式。

　　轴向定位和轮毂限位以及轴承在轴上的安装是通过定位环来实现的，它通常叫做卡环。卡环需要在轴上开凸槽，而凸槽会削弱轴的承受能力，但如果凸槽开在应力较小的地方，这就不是不利的。

　　可能最简单的轮毂与轴之间的固定是借助于过盈配合来实现的。毂孔只是比轴的直径小一点，安装是通过对轮毂施压或使其热膨胀来完成的，有时也通过收缩轴来完成安装，就如同干冰一样---在温度达到平衡之前完成组装。有时候也把定位销和过盈配合一起使用。

　　最好的传递扭矩的方式是借助于在轴和轮毂上加工出来的相对应的花键来实现的。花键和普通平键都可以保证轮毂和轴一起滑向轴心。

　　旋转的轴，尤其是那些高速运转的轴，它们必须设计成避免在极限速度下工作。这通常意味着要保证足够的横向刚度使得轴工作时转速可以明显高于最低临界速度。

　　考虑到横向振动和临界速度，制造以及运行的现实考量是旋转系统的质心永远不可能与其旋转中心重合。因此随着轴的旋转速度增加，作用在质心的离心力将会增加弯曲轴的趋势。在轴的最低临界（或额定）速度下，离心力与轴的弹力处于平衡状态，而此时轴处于一个适当的变形状态。在临界速度下，此时平衡

　　理论要求用一个无限中心来代替质心。阻尼使平衡会出现一个有限质心。然而，这一质心替代所产生的影响通常会大得使这根轴折断。在临界速度之上的足够大的转速可以得到质心向旋转中心移动的结果，得出一个令人满意的平衡位置。在一些特殊情况下（如一些高速涡轮机），通过快速经过临界速度（却没有足够的时间使得轴达到一个变形平衡），然后工作在临界速度之上的方法可以得到令人满意的运行结果。

　　一些应该牢记的基本原则是： 1. 度。

　　2.尽可能使必要的应力集中源远离轴上承受较高应力的区域。可考虑采用局部表面强化工艺（诸轴越短越好，并且使轴承靠近外载荷。如此便可以减少变形和弯矩，并且提升轴的最大临界速如喷丸强化和常温滚压）。

　　3. 用廉价钢材来制造挠度临界轴，因为所有的钢材都具有相同弹性模量。 当重量是最重要的因素情况下，可以考虑中空的轴。

　　轴的最大允许挠度通常是由临界速度，齿轮或者轴承相关要求决定的。临界速度的要求会随着具体的应用发生很大的改变。齿轮和轴承的运行时随着齿轮或者轴承的设计以及应用发生改变，但是以下内容可以用作一般性指导：

　　1. 0.03°在滑动轴承中，轴（轴颈）的偏转必须小于油膜厚度。

　　2.如果没有采用调心轴承，轴在球轴承或滚子轴承中的角度偏转通常不能超过0.04°。

　　3.轴的偏转不应造成相互啮合的齿轮轮齿间间隙超过0.13mm，也不应造成齿轮轴心倾斜变化超过