典型机械零件的结构与应用

第三节　典型机械零件的结构与应用

一、轴

轴类零件是组成机器的主要零件之一。几乎所有的机器设备都有轴类零件。一切作回转运动的传动零件都必须安装在轴上才能进行运动及动力的传递。轴类零件应用很广，因此轴类零件的设计、制造加工尤其重要。要使轴类零件满足使用，必须对轴类零件的结构设计及其工艺性进行全面的分析和设计。

轴类零件有不少分类方法和类型。

(1)按照轴的轴线分各轴段轴线为同一直线的轴称为直轴，直轴还可分为光轴，如图3-8(a)所示，和常用的阶梯轴，如图3-8(b)所示;各轴段轴线不在同一直线上的轴称为曲轴，主要用于有往复式运动的机械中，如图3-9所示;由多组钢丝分层卷绕而成，具有良好挠性的钢丝软轴，可将回转运动灵活地传到不开敞的空间位置，如图3-10所示。在机床的运动系统上就有诸多的直轴;在发动机、活塞式空压机中都有曲轴。曲轴又可分为多拐曲轴和单拐曲轴。发动机曲轴就属于多拐曲轴。

图3-8　直轴

图3-9　汽车发动机上的曲轴

图3-10　钢丝软轴

(2)按轴的受力情况分可分为:承受扭矩为主的轴——传动轴等，如汽车的传动轴，如图3-11所示;承受弯矩为主的轴——心轴等，主要用于支承回转零件，如车辆轴和滑轮轴，如图3-12所示;承受弯矩和扭矩为主的轴——转轴，如减速器轴，如图3-13所示等;承受弯矩、扭矩、拉伸、压缩等多种力的轴——船舶推进轴等。

图3-14所示为一起重机传动机构按载荷性质，包括了以上三种轴:Ⅰ为传动轴，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为转轴，Ⅴ为心轴。

图3-11　汽车传动轴

图3-12　火车轮轴(心轴)

图3-13　转轴

图3-14　起重机传动机构

(3)按轴的横截面分有圆形轴、方形轴、六边形轴等。

(4)按轴的中心是否空心分有实心轴和空心轴。

还可按直径大小可分为大轴，如直径为1m多的轴;小轴，如仪表中的直径为0.5mm及以下的小轴。此外，还有一些特殊用途的轴，如凸轮轴、齿轮轴、偏心轴、花键轴、十字轴等。轴的材料主要是碳素钢或合金钢，常用的是45号钢。在载荷较大、要求减小质量和提高轴颈耐磨性时可采用合金钢。合金铸铁和球墨铸铁也可用作轴的材料。轴的工作能力由轴的强度、刚度和振动稳定性来决定。轴应尽量避免形状突变的结构，以减少应力集中和提高疲劳强度。

二、齿轮

齿轮是能互相啮合的有齿机械零件，它在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛。

远在公元前400～200年的中国古代就已开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老的齿轮，作为反映科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。古希腊哲学家亚里士多德在《机械问题》中，就阐述了用青铜或铸铁齿轮传递旋转运动的问题。1674年，丹麦天文学家雷米尔发表了关于制造齿轮的基准曲线(摆线)的论述。1766年，法国的数学家卡诺又发表了更详细的论述。1767年，瑞士数学家欧拉对渐开线原理发表了新的研究见解。1837年，英国的威列斯创造了制造渐开线齿轮的简单方法，渐开线齿轮代替了摆线齿轮，从而渐开线齿轮成为应用最广的齿轮。1899年，拉舍最先实施了变位齿轮的方案。变位齿轮不仅能避免轮齿根切，还可以凑配中心距和提高齿轮的承载能力。1923年美国怀尔德哈伯最先提出圆弧齿廓的齿轮，1955年苏诺维科夫对圆弧齿轮进行了深入的研究，圆弧齿轮遂得以应用于生产。

随着齿轮加工技术的发展，现代齿轮加工技术已达到:齿轮模数O.004～100mm;齿轮直径0.001～150m;传递功率可达10⁵kW;转速可达10⁵r/min;最高的圆周速度达300m/s。

1.齿轮的分类

齿轮有许多种类，依照齿轮轴的性质区分，有平行轴、直交轴、错交轴;齿轮还可以按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆-蜗轮;按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮;按轮齿所在的表面齿轮分为外齿轮、内齿轮;按制造方法齿轮分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。

2.齿轮的材料

材料对齿轮的承载能力、尺寸和重量有很大的影响。20世纪50年代前多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。球墨铸铁可部分地代替钢制造齿轮。而在一些轻载和要求噪声低的场合，可用塑料制造齿轮，而与其配对的齿轮一般用导热性好的钢齿轮。

齿轮是机械产品的重要零件。齿轮传动是传递机器动力和运动的一种主要形式。它与皮带、摩擦、液压等机械传动相比，具有功率范围大、传动效率高、传动比准确、使用寿命长、安全可靠等特点，因此它已成为许多机械产品不可缺少的传动部件——汽车变速箱、机床的主轴箱等。所以说齿轮的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量。由于它在工业发展中有突出地位，因此齿轮被公认为工业化的一种象征。

三、箱体类零件

箱体类零件一般起着支承、容纳、定位等作用，因此这类零件多数是中空的壳体，具有内腔和壁，此外还常具有轴孔、轴承孔、凸台和筋板等结构。为方便其他零件的安装或箱体自身再安装到机器上，因此有安装底板、法兰、安装孔和螺纹孔等结构。为了防止尘埃、污物进入箱体，通常要使箱体密封。多数箱体内安装有运动零件，为了润滑，箱体内常盛有润滑油。箱体的结构特点是:形状复杂，具有形状复杂的内腔，箱壁多有用于安装轴承的轴承孔或其他用途的孔系。箱体的加工面较多，主要加工面是平面和孔。

箱体是机器的基础零件之一，按照变速、换向等传动要求，箱体内装有轴和轴承、齿轮、离合器、手柄和盖板等零件和组件。箱体在机器构件中主要起到支承其他零部件，并充当其他零部件的外壳的作用。箱体零件在使用过程中承受压应力及程度不同的摩擦和振动。机器构件中的轴承箱、轴承座或支架等属于箱体零件的典型代表，此外，机器构件中的床身、底座、立柱、导轨、工作台、泵体、壳体等部分也主要承受压应力及摩擦和振动，其材质及加工方法与箱体零件相同或相似，因而在结构工艺性设计方面有着与箱体的结构工艺性类似的要求，可视为箱体类零件。如图3-15、图3-16所示是两个典型的箱体类零件。

图3-15　车床溜板箱

图3-16　双孔支架

四、盘套类零件的结构设计工艺性

盘套类零件是机械中最常见的一类零件，它的应用范围很广，轴系结构中除轴以外其他零件绝大部分都属于盘套类零件。例如，支撑旋转轴的各种形式的轴承、起定位作用的定位套、齿轮坯、凸轮盘、端盖、法兰盘、带轮、内燃机上的汽缸套、液压系统中的液压缸等。套类零件的长度一般大于直径，零件的重要表面为要求较高的内、外旋转表面，零件的壁较薄、易变形。盘类零件的直径一般大于长度，零件的重要表面为要求较高的内、外旋转表面和端面。盘套类零件材料一般是钢、铸铁、青铜或黄铜等材料制成。有些滑动轴承采用双金属结构，即用离心铸造方法在钢或铸铁套的内壁上浇注巴氏合金等轴承合金材料，这样既可节省贵重的有色金属，又能提高轴承的寿命。盘套类零件的毛坯选择与其材料、结构和尺寸等因素有关，孔径较小(如d＜20mm时)，一般选择热轧钢或冷拉棒料，也可用实心铸件;孔径较大时，常采用无缝钢管或带孔的铸件和锻件。大量生产时，可采用冷挤压和粉末冶金等先进的毛坯制造工艺，以提高生产率，节约金属材料。盘套类主要起传动、连接、支承、密封等作用，如手轮、法兰盘、各种端盖等。