汽车机械基础第十二章汽车常用零部件概述

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12. 1轴
• 12.1.2轴的结构特征
• 轴一般由轴头、轴身和轴颈三部分组成。轴上与传动零件或联轴器、离合器相配的部分，称为轴头;与轴承相配的部分，称为轴颈;连接轴头和轴颈的其余部分称为轴身。
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轴的结构形状和尺寸受到很多因素的影响，如轴上载荷的大小、分布及性质，轴上零件的数目、类型、布置及固定方式，轴的加工和装配方法等。因此，在进行轴的设计时要根据具体的工作情况，综合考虑各种影响因素，不存在一个固定形式，而是随着工作条件与要求的不同而不同。轴的结构一般应主要考虑以下三方面问题。
12. 2轴承
• 12.2.1滚动轴承
• 滚动轴承是依靠滚动体与轴承座圈之间的滚动接触来工作的轴承，用于支撑旋转零件或摆动零件。它广泛应用于各种机械设备中，如汽车变速器、分动器等，全部采用滚动轴承。滚动轴承的尺寸已标准化，并由专门的轴承厂成批量生产。所谓滚动轴承的设计，只是根据具体的载荷、转速、旋转精度和工作条件等方面的要求，正确地选择轴承的类型和型号(尺寸)及进行轴承的组合设计。
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12. 1轴
• 1.轴上零件的固定 • 为实现轴的功能，必须保证轴上零件有准确的工作位置，要求轴上零件沿周向和轴向固定。
• 1)周向定位和固定
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周向定位和固定是指将轴上的零件在圆周方向进行定位和固定。零件的周向固定可采用键、花键、成形、销、弹性环以及过盈配合等连接，见表12-1。
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12. 1轴
• 3. 球墨铸铁 • 球墨铸铁适于制造成形轴(如曲轴、凸轮轴等)，具有价廉、强度较高、良好的耐磨性、吸振性和易切性以及对应力集中的敏感性较低等优点。但铸铁件品质不易控制，可靠性差。钢轴毛坯多是轧制圆钢或锻件。轴的常用材料及其主要机械性能见表12-3。
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• 1.滚动轴承的结构
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滚动轴承一般由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4组成，如图12-8所示。通常内圈紧套在轴颈上，随轴一起转动;外圈固定在机座或零件的轴承孔内，起支撑作用。
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12. 2轴承
• 内、外圈上加工有滚道。工作时，滚动体在内、外圈滚道上滚动，形成滚动摩擦。保持架使滚动体均匀地相互隔开，以避免滚动体之间的摩擦和磨损。滚动体是滚动轴承的核心元件，其形状如图12-9所示，有球形滚动体，短圆柱、圆锥、鼓形滚子及滚针等。滚动体和内、外圈间是点或线接触，表面接触应力大，故滚动体和内、外圈的材料选用强度高、耐磨性和冲击韧性好的铬锰高碳钢制造，如GCr15 ,GCr15 SiMn等，热处理后的硬度应不低于61~65 HRC，工作表面要求磨削抛光。保持架多用低碳钢板冲压制成，也可用有色金属合金或塑料制成。
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12. 2轴承
• 3)磨损 • 在润滑不良、密封不当的情况下，粉尘、杂质进入轴承中，造成磨粒磨损而使轴承失效。此外，由于安装、维护、使用不当，特别是在高速、重载条件下工作的轴承，由于摩擦产生高温而使轴承产生胶合、卡死现象，或由于离心力过大而使保持架破坏，使轴承不能正常工作或使用寿命缩短。综上所述，对于制造良好、安装维护使用正常的轴承，最常见的失效形式是疲劳点蚀和塑性变形，应针对疲劳点蚀进行接触疲劳承载能力计算和针对塑性变形进行静强度计算。
轴一般根据其承受的载荷和结构形状来分类。
根据所受载荷的不同，轴可分为心轴、传动轴和转轴三种。 (1)心轴。只承受弯矩作用的轴称为心轴，如图12-1所示。心轴可以是转动的，如图12-1(a)所示为火车的轮轴;也可以是固定的，如图12-1(b)所示为自行车的前轮轴。 (2)传动轴。只传递转矩的轴称为传动轴，如图12-2所示连接汽车变速器与后桥的轴。
• 1轴
• 12.1.3轴的材料
• • 轴的常用材料是碳素钢及合金钢，有时也用球墨铸铁。 1.碳素钢 • 优质中碳钢35~50钢因具有较高的综合机械性能，常用于比较重要或承载较大的轴，其中45钢的应用范围最广。对于这类材料，可通过调质或正火等热处理方法改善和提高其机械性能。普通碳素钢Q235, Q275等可用于不重要或承载较小的轴。 • • 2.合金钢合金钢具有较高的综合力学性能和较好的热处理性能，常用于重要、承载质量很大而尺寸受限或有较高耐磨性、防腐性要求的轴。
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12. 1轴
• • 如有可能，应使轴上各过渡圆角、倒角、键槽、越程槽、退刀槽及中心孔等尺寸分别相同，并符合标准和规定，以利于加工和检验。轴上配合轴段直径应取标准值(GB/T 2822-2005);与滚动轴承配合的轴段直径应按滚动轴承内径尺寸选取;轴上的螺纹部分直径应符合螺纹标准等。为了便于轴上零件的装配，常采用直径从两端向中间逐渐增大的阶梯轴，使轴上零件通过轴的轴段直径小于轴上零件的孔径。轴上的各阶梯，除轴上零件轴向固定的可按表12-3确定轴肩高度外，其余仅为便于安装而设置的轴肩，轴有高度可取0. 5~3mm。
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12. 2轴承
• 向心轴承主要用于承受径向载荷，0°≤a≤45°。向心轴承分为:径向接触轴承，a =0°，如图12-10(a)所示;向心角接触轴承， 0°<a≤45°，如图12-10(c)所示。推力轴承主要用于承受轴向载荷， 45°<a≤90°，如图12-10(b)所示。推力轴承又可分为轴向接触轴承， a =90°;推力角接触轴承，45°<a <90°。按滚动体的列数，滚动轴承分为单列、双列及多列。根据国标GB/T 272-1993《滚动轴承代号方法》规定，滚动轴承按轴承所承受的载荷方向及结构的不同进行分类，常用滚动轴承的类型及特性见表12-4。
• 4.滚动轴承的失效形式
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滚动轴承的失效形式主要有三种:疲劳点蚀、塑性变形和磨损。
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12. 2轴承
• • 1)疲劳点蚀滚动轴承工作时，在滚动体、内圈外圈的接触表面将产生接触应力。由于它们之间的相对运动及受力周期性变化，如图12-11所示，使得其表面受脉动循环接触应力作用。当接触应力超过材料的极限应力时，滚动体、内圈或外圈的表面将发生疲劳点蚀。这使轴承运转时产生振动、噪声，温度升高，最后导致不能正常工作。 2)塑性变形在重载或冲击载荷的作用下，可能使滚动体和套圈滚道表面接触处的局部应力超过材料的屈服强度，产生永久性凹坑，出现振动、噪声，破坏轴承的正常工作。
第十二章汽车常用零部件
• 12. 1轴
• 12. 2轴承 • 12. 3联轴器及离合器
• 12. 4其他常用零部件
12. 1轴
• 轴是机械中的重要零件，其功用主要是承受转矩与弯矩，支撑其他回转件，如齿轮、带轮等，并传递运动和动力。本节主要介绍轴的分类、结构、材料等。
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12.1.1轴的分类
• 2)装配工艺性 •
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12. 1轴
• • • 轴端应倒角，并去掉毛刺，以便于装配。固定滚动轴承的轴肩高度应符合轴承的安装尺寸要求，以便于轴承的拆卸。 3.提高轴的疲劳强度
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轴通常在变应力下工作，多数轴因疲劳而失效，因此设计轴时，应设法提高其疲劳强度。常采取的措施有以下两种。
1)改进轴的结构形状轴的破坏大多是因为疲劳破坏。提高轴的抗疲劳破坏强度的关键是减少应力集中，尽量使轴径变化处过渡平缓，并采用较大的过渡圆角。如相配合零件内孔倒角或圆角很小时，可采用凹切圆角(如图12-7(a) 所示)或过渡肩环(如图12-7(b)所示)。
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12. 1轴
• 键槽端部与阶梯处距离不宜过小，以避免损伤过渡圆角及减少多种应力集中源重合的机会。键槽根部圆角半径越小，应力集中越严重。因此在重要轴的零件图上应注明其大小。避免在轴上打印及留下一些不必要的痕迹，因为它们可能成为初始疲劳裂纹源。提高轴的表面质量可通过提高轴的表面精度、进行热处理或表面强化处理来实现。采用滚压、喷丸或渗碳、氰化、氮化、高频淬火等表面强化处理方法，可以大大提高轴的承载能力。
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12. 1轴
• • (3)转轴。既承受弯矩又传递转矩的轴称为转轴。转轴是机械中最常见的轴，如齿轮减速箱的轴均是转轴，如图12-3所示。按照轴的结构形状不同，可划分为直轴(如图12-4所示)和曲轴(如图12-5(a)所示)、光轴和阶梯轴、空心轴和实心轴、刚性轴和挠性轴。曲轴多用于往复式机械中，如汽车发动机等;挠性轴可将转动灵活地传递到所需要的任何位置;阶梯轴广泛应用于汽车变速器等各种机械设备中。
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12. 2轴承
• 3.滚动轴承的代号 • 滚动轴承的类型很多，每一类型的轴承中，在结构、尺寸、精度和技术要求等方面又各不相同，为了便于组织生产和合理选用，国标 GB/T 272-1993规定滚动轴承的代号用字母和数字表示，并由前置代号、基本代号和后置代号构成。滚动轴承代号的构成见表12-5。 1)基本代号基本代号用来表示轴承的类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础。基本代号由类型代号、尺寸系列代号和内径代号组成。类型代号用数字或拉丁字母表示，后两者用数字表示。 (1)类型代号。滚动轴承的常用类型代号参见表12-4。
2)轴向定位和固定
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轴向定位和固定是指将轴上的零件沿轴线方向进行定位和固定。常见的轴向固定方法及特点与应用见表12-2。其中轴肩、轴环、套筒、轴端挡圈及圆螺母应用更为广泛。
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12. 1轴
• 2．良好的结构工艺性 • 在进行轴的结构设计时，应尽可能使轴的形状简单，并且具有良好的加工下艺性能和装配工艺性能。
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12. 1轴
• 例如，采用滑动轴承的高速轴，常用20Cr, 20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳淬火后可提高轴颈耐磨性;汽轮发电机转子轴在高温、高速和重载条件下工作，必须具有良好的高温机械性能，常采用 27Cr2MolV, 38CrMoAlA等合金结构钢。值得注意的是:钢材的种类和热处理对其弹性模量影响甚小，因此如欲采用合金钢代替碳素钢或通过热处理来提高轴的刚度，收效甚微。此外，合金钢对应力集中敏感性较强，且价格较高。
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12. 2轴承
• (2)尺寸系列代号。尺寸系列代号由宽度系列代号和直径系列代号组成，宽度系列是指内外径相同的轴承有几个不同的宽度;直径系列是指内径相同的轴承有几个不同的外径，宽度系列代号、直径系列代号及组合成的尺寸系列代号都用数字表示。常用的向心轴承和推力轴承的尺寸系列代号见表12-6。 (3)内径代号。内径代号表示轴承的内径尺寸，用数字表示，表示方法见表12-7。 2)前置代号和后置代号
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前置代号和后置代号是轴承在结构形状、尺寸、公差、技术要求等有改变时，在其基本代号的前、后增加的补充代号，其排列顺序见表12-5。
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12. 2轴承
• • • • (1)前置代号。前置代号是表示成套轴承的分部件，用字母表示。 (2)后置代号。用字母(或字母加数字)表示，共有8组(见表12-5)。内部结构代号表示轴承内部结构变化。常用代号含义见表12-8。公差等级代号有/P0,/P6 , /P6X , /PS , /P4 , /P2等6个代号，分别表示标准规定的0, 6, 6x, 5, 4,2等级的公差等级;0级精度最低，2级精度最高;0级可以省略不写。例如，6203(公差等级为0级)，6203/P6(公差等级为6级)。
• 1)加工工艺性
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轴的直径变化应尽可能少，应尽量限制轴的最大直径与各轴段的直径差，这样既能节省材料，又可减少切削量。
轴上有磨削与切螺纹处，要留砂轮越程槽和螺纹退刀槽(如图12-6 所示)，以保证加工的完整和方便。
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轴上有多个键槽时，应将键槽布置在同一母线上，以免加工键槽时多次装夹，从而提高生产效率。
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12. 2轴承
• 2.滚动轴承的主要类型及其特征 • 滚动轴承类型较多，可以适应各种机械装置的多种要求。滚动轴承按滚动体的形状可分为球轴承和滚子轴承。球形滚动体与内、外圈是点接触，滚子滚动体与内、外圈是线接触。在相同条件下，球轴承制造方便、价格低、运转时摩擦损耗少，但承载能力和抗冲击能力不如滚子轴承。按轴承所承受载荷的方向或公称接触角的不同，滚动轴承可分为向心轴承和推力轴承。轴承公称接触角是指滚动轴承的滚动体与外圈滚道接触点的法线和轴承径向平面的夹角a，如图12-10所示。a越大，滚动轴承承受轴向载荷的能力也越大。