軸和齒輪的設(shè)計(jì)及應(yīng)用摘要：在傳統(tǒng)機(jī)械和現(xiàn)代機(jī)械中齒輪和軸的重要地位是不可動(dòng)搖的。齒輪和軸主要安裝在主軸箱來(lái)傳遞力的方向。通過(guò)加工制造它們可以分為許多的型號(hào)，分別用于許多的場(chǎng)合。所以我們對(duì)齒輪和軸的了解和認(rèn)識(shí)必須是多層次多方位的。關(guān)鍵詞：齒輪；軸在直齒圓柱齒輪的受力分析中，是假定各力作用在單一平面的。我們將研究作用力具有三維坐標(biāo)的齒輪。因此，在斜齒輪的情況下，其齒向是不平行于回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的。而在錐齒輪的情況中各回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)互相不平行。像我們要討論的那樣，尚有其他道理需要學(xué)習(xí)，掌握。斜齒輪用于傳遞平行軸之間的運(yùn)動(dòng)。傾斜角度每個(gè)齒輪都一樣，但一個(gè)必須右旋斜齒，而另一個(gè)必須是左旋斜齒。齒的形狀是一濺開(kāi)線(xiàn)螺旋面。如果一張被剪成平行四邊形（矩形）的紙張包圍在齒輪圓柱體上，紙上印出齒的角刃邊就變成斜線(xiàn)。如果我展開(kāi)這張紙，在血角刃邊上的每一個(gè)點(diǎn)就發(fā)牛一漸開(kāi)線(xiàn)曲線(xiàn)。直齒網(wǎng)柱齒輪輪齒的初始接觸處是跨過(guò)整個(gè)齒面而伸展開(kāi)來(lái)的線(xiàn)。斜齒輪輪齒的初始接觸是一點(diǎn)，當(dāng)齒進(jìn)入更多的嚙合時(shí)，它就變成線(xiàn)。在直齒網(wǎng)柱齒輪中，接觸是平行于回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的。在斜齒輪中，該先是跨過(guò)齒面的對(duì)角線(xiàn)。它是齒輪逐漸進(jìn)行嚙合并平穩(wěn)的從一個(gè)鹵到另一個(gè)齒傳遞運(yùn)動(dòng)，那樣就使斜齒輪具有高速重載下平穩(wěn)傳遞運(yùn)動(dòng)的能力。斜齒輪使軸的軸承承受徑向和軸向力。當(dāng)軸向推力變的大了或由于別的原因而產(chǎn)生某些影響時(shí)，那就可以使用人字齒輪。雙斜齒輪（人字齒輪）是與反向的并排地裝在同一軸上的兩個(gè)斜齒輪等效。他們產(chǎn)生相反的軸向推力作用，這樣就消除了軸向推力。當(dāng)兩個(gè)或更多個(gè)單向齒斜齒輪被在同一軸上時(shí)，齒輪的齒向應(yīng)作選擇，以便產(chǎn)生最小的軸向推力。交錯(cuò)軸斜齒輪或螺旋齒輪，他們是軸中心線(xiàn)既不相交也不平行。交錯(cuò)軸斜齒輪的齒彼此之間發(fā)生點(diǎn)接觸，它隨著齒輪的磨合而變成線(xiàn)接觸。因此他們只能傳遞小的載荷和主要用于儀器設(shè)備中，而且肯定不能推薦在動(dòng)力傳動(dòng)中使用。交錯(cuò)軸斜齒輪與斜齒輪之間在被安裝后互相捏合之前是沒(méi)有任何區(qū)別的。它們是以同樣的方法進(jìn)行制造。一對(duì)相嚙合的交錯(cuò)軸斜齒輪通常具有同樣的齒向，即左旋主動(dòng)齒輪跟右旋從動(dòng)齒輪相嚙合。在交錯(cuò)軸斜齒設(shè)計(jì)中，當(dāng)該齒的斜角相等時(shí)所產(chǎn)生滑移速度最小。然而當(dāng)該齒的斜角不相等時(shí)，如果兩個(gè)齒輪具有相同齒向的話(huà)，大斜角齒輪應(yīng)用作豐動(dòng)齒輪。蝸輪與交錯(cuò)軸斜齒輪相似。小齒輪即蝸桿具有較小的齒數(shù)，通常是一到四齒，由于它們完全纏繞在節(jié)圓柱上，因此它們被稱(chēng)力螺紋齒。與其相配的齒輪叫做蝸輪，蝸輪不是真正的斜齒輪。蝸桿和蝸輪通常是用于向垂直相交軸之間的傳動(dòng)提供大的角速度減速比。蝸輪不是斜齒輪，因?yàn)槠潺X頂面做成巾凹形狀以適配蝸桿曲率，目的是要形成線(xiàn)接觸而不是點(diǎn)接觸。然而蝸桿蝸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中存在齒間有較大滑移速度的缺點(diǎn)，正像交錯(cuò)軸斜齒輪那樣。蝸桿蝸輪機(jī)構(gòu)有單包圍和雙包圍機(jī)構(gòu)。單包圍機(jī)構(gòu)就是蝸輪包裹著蝸桿的一種機(jī)構(gòu)。當(dāng)然，如果每個(gè)構(gòu)件各自局部地包圍著對(duì)方的蝸輪機(jī)構(gòu)就是雙包圍蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。著兩者之間的重要區(qū)別是，在雙包圍蝸輪組的輪齒間有面接觸，而在單包圍的蝸輪組的輪齒間有線(xiàn)接觸。一個(gè)裝置中的蝸桿和蝸輪正像交錯(cuò)軸斜齒輪那樣具有相同的齒向，但是其斜齒齒角的角度是極不相同的。蝸桿上的齒斜角度通常很大，而蝸輪上的則極小，因此習(xí)慣常規(guī)定蝸桿的導(dǎo)角，那就是蝸桿齒斜角的余角；也規(guī)定了蝸輪上的齒斜角，該兩角之和就等于90度的軸線(xiàn)交角。當(dāng)齒輪要用來(lái)傳遞相交軸之間的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就需要某種形式的錐齒輪。雖然錐齒輪通常制造成能構(gòu)成90度軸交角，但它們也可產(chǎn)牛任何角度的軸交角。輪齒可以鑄出，銑制或滾切加工。僅就滾齒而言就可達(dá)一級(jí)精度。在典型的錐齒輪安裝中，其中一個(gè)錐齒輪常常裝于支承的外側(cè)。這意味著軸的撓曲情況更加明顯而使在輪齒接觸上具有更大的影響。另外一個(gè)難題，發(fā)生在難于預(yù)示錐齒輪輪齒上的應(yīng)力，實(shí)際上是由于齒輪被加工成錐狀造成的。直齒錐齒輪易于設(shè)計(jì)且制造簡(jiǎn)單，如果他們安裝的精密而確定，在運(yùn)轉(zhuǎn)中會(huì)產(chǎn)生良好效果。然而在直齒網(wǎng)柱齒輪情況下，在節(jié)線(xiàn)速度較高時(shí)，他們將發(fā)出噪音。在這些情況下，螺旋錐齒輪比直齒輪能產(chǎn)生平穩(wěn)的多的嚙合作用，因此碰到高速運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合那是很有用的。當(dāng)在汽車(chē)的各種不同用途中，有一個(gè)帶偏心軸的類(lèi)似錐齒輪的機(jī)構(gòu)，那是常常所希望的。這樣的齒輪機(jī)構(gòu)叫做準(zhǔn)雙曲面齒輪機(jī)構(gòu)，因?yàn)樗鼈兊墓?jié)面是雙曲回轉(zhuǎn)面。這種齒輪之間的輪齒作用是沿著一根直線(xiàn)上產(chǎn)生滾動(dòng)與滑動(dòng)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)并和蝸輪蝸桿的輪齒作用有著更多的共同之處。軸是一種轉(zhuǎn)動(dòng)或靜止的桿件。通常有圓形橫截面。在軸上安裝像齒輪，皮帶輪，飛輪，曲柄，鏈輪和其他動(dòng)力傳遞零件。軸能夠承受彎曲，拉伸，壓縮或扭轉(zhuǎn)載荷，這些力相結(jié)合時(shí)，人們期望找到靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度作為設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。因?yàn)閱胃S可以承受靜壓力，變應(yīng)力和交變應(yīng)力，所有的應(yīng)力作用都是同時(shí)發(fā)生的?！拜S”這個(gè)詞包含著多種含義，例如心軸和主軸。心軸也是軸，既可以旋轉(zhuǎn)也可以靜止的軸，但不承受扭轉(zhuǎn)載荷。短的轉(zhuǎn)動(dòng)軸常常被稱(chēng)為主軸。當(dāng)軸的彎曲或扭轉(zhuǎn)變形必需被限制于很小的范圍內(nèi)時(shí)，其尺寸應(yīng)根據(jù)變形來(lái)確定，然后進(jìn)行應(yīng)力分祈。因此，如若軸要做得有足夠的剛度以致?lián)锨惶?，那么合?yīng)力符合安全要求那是完全可能的。但決不意味著設(shè)計(jì)者要保證；它們是安全的，軸幾乎總是要進(jìn)行計(jì)算的，知道它們是處在可以接受的允許的極限以?xún)?nèi)。因之，設(shè)計(jì)者無(wú)論何時(shí)，動(dòng)力傳遞零件，如齒輪或皮帶輪都應(yīng)該設(shè)置在靠近支持軸承附近。這就減低了彎矩，因而減小變形和彎曲應(yīng)力。雖然來(lái)自MHG方法在設(shè)計(jì)軸中難于應(yīng)用，但它可能用來(lái)準(zhǔn)確預(yù)示實(shí)際失效。這樣，它是一個(gè)檢驗(yàn)已經(jīng)設(shè)計(jì)好了的軸的或者發(fā)現(xiàn)具體軸在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生損壞原因的好方法。進(jìn)而有著大量的關(guān)于設(shè)計(jì)的問(wèn)題，其中由于別的考慮例如剛度考慮，尺寸已得到較好的限制。設(shè)計(jì)者去查找關(guān)于圓角尺寸、熱處理、表面光潔度和是否要進(jìn)行噴丸處理等資料，那真正的唯一的需要是實(shí)現(xiàn)所要求的壽命和可靠性。由于他們的功能相似，將離合器和制動(dòng)器一起處理。簡(jiǎn)化摩擦離合器或制動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式中，各自以角速度w1和w2運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量II和12，在制動(dòng)器情況下其中之一可能是零，由于接上離合器或制動(dòng)器而最終要導(dǎo)致同樣的速度。因?yàn)閮蓚€(gè)構(gòu)件開(kāi)始以不同速度運(yùn)轉(zhuǎn)而使打滑發(fā)生了，并且在作用過(guò)程中能量散失，結(jié)果導(dǎo)致溫升。在分析這些裝置的性能時(shí)，我們應(yīng)注意到作用力，傳遞的扭矩，散失的能量和溫升。所傳遞的扭矩關(guān)系到作用力，摩擦系教和離合器或制動(dòng)器的幾何狀況。這是一個(gè)靜力學(xué)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題將必須對(duì)每個(gè)幾何機(jī)構(gòu)形狀分別進(jìn)行研究。然而溫升與能量損失有關(guān)，研究溫升可能與制動(dòng)器或離合器的類(lèi)型無(wú)關(guān)。因?yàn)閹缀涡螤畹闹匾允巧岜砻?。各種各樣的離合器和制動(dòng)器可作如下分類(lèi)：1輪緣式內(nèi)膨脹制凍塊；2輪緣式外接觸制動(dòng)塊；3條帶式；4盤(pán)型或軸向式；5圓錐型；6混合式。分析摩擦離合器和制動(dòng)器的各種形式都應(yīng)用一般的同樣的程序，下面的步驟是必需的：1假定或確定摩擦表面上壓力分布；2找出最大壓力和任一點(diǎn)處壓力之間的關(guān)系3應(yīng)用靜平衡條件去找尋(a)作用力；(b)扭矩；(c)支反力?；旌鲜诫x合器包括幾個(gè)類(lèi)型，例如強(qiáng)制接觸離合器、超載釋放保護(hù)離合器、超越離合器、磁液離合器等等。強(qiáng)制接觸離合器由一個(gè)變位桿和兩個(gè)夾爪組成。各種強(qiáng)制接觸離合器之間最大的區(qū)別與夾爪的設(shè)計(jì)有關(guān)。為了在結(jié)合過(guò)程中給變換作用予較長(zhǎng)時(shí)間周期，夾爪可以是棘輪式的，螺旋型或齒型的。有時(shí)使用許多齒或夾爪。他們可能在圓周面上加：1。齒，以便他們以圓柱周向配合來(lái)結(jié)合或者在配合元件的端面上加工齒來(lái)結(jié)合。雖然強(qiáng)制離合器不像摩擦接觸離合器用的那么廣泛，但它們確實(shí)有很重要的運(yùn)用。離合器需要同步操作。有些裝置例如線(xiàn)性驅(qū)動(dòng)裝置或電機(jī)操作螺桿驅(qū)動(dòng)器必須運(yùn)行到一定的限度然后停頓下來(lái)。為著這些用途就需要超載釋放保護(hù)離合器。這些離合器通常用彈簧加載，以使得在達(dá)到預(yù)定的力矩時(shí)釋放。當(dāng)?shù)竭_(dá)超載點(diǎn)時(shí)聽(tīng)到的“喀嚓”聲就被認(rèn)定為是所希望的信號(hào)聲。超越離合器或連軸器允許機(jī)器的被動(dòng)構(gòu)件“空轉(zhuǎn)”或“超越”，因?yàn)橹鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)件停頓了或者因?yàn)榱硪粋€(gè)動(dòng)力源使被動(dòng)構(gòu)件增加了速度。這種離合器通常使用裝在外套筒和內(nèi)軸件之間的滾子或滾珠。該內(nèi)軸件，在它的周邊加工了數(shù)個(gè)平面。驅(qū)動(dòng)作用是靠在套筒和平面乏間契入的滾子來(lái)獲得。因此該離合器與具有一定數(shù)量齒的棘輪棘爪機(jī)構(gòu)等效。磁液離合器或制動(dòng)器相對(duì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)新的發(fā)展，它們具有兩平行的磁極板。這些磁極板之間有磁粉混合物潤(rùn)滑。電磁線(xiàn)圈被裝入磁路中的某處。借助激勵(lì)該線(xiàn)圈，磁液混合物的剪切強(qiáng)度可被精確的控制。這樣從充分滑移到完全鎖住的任何狀態(tài)都可以獲得。加工基礎(chǔ)作為產(chǎn)生形狀的一種加工方法，機(jī)械加工是所有制造過(guò)程中最普遍使用的而且是最重要的方法。機(jī)械加工過(guò)程是一個(gè)產(chǎn)生形狀的過(guò)程，在這過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)裝置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。盡管在某些場(chǎng)合，工件無(wú)承受情況下，使用移動(dòng)式裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)加工，但大多數(shù)的機(jī)械加工是通過(guò)既支承工件又支承刀具的裝備來(lái)完成。機(jī)械加工在知道過(guò)程中具備兩方面。小批生產(chǎn)低費(fèi)用。對(duì)丁鑄造、鍛造和壓力加工，每一個(gè)要生產(chǎn)的具體工件形狀，即使是一個(gè)零件，幾乎都要花費(fèi)高額的加工費(fèi)用。靠焊接來(lái)產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)形狀，在很大程度上取決于有效的原材料的形式。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)利用貴重設(shè)備而又無(wú)需特種加工條件下，幾乎可以以任何種類(lèi)原材料開(kāi)始，借助機(jī)械加工把原材料加工成任意所需要的結(jié)構(gòu)形狀，只要外部尺寸足夠大，那都是可能的。因此對(duì)于生產(chǎn)一個(gè)零件，甚至當(dāng)零件結(jié)構(gòu)及要生產(chǎn)的批量大小上按原來(lái)都適于用鑄造、鍛造或者壓力加工來(lái)生產(chǎn)的，但通常寧可選擇機(jī)械加工。嚴(yán)密的精度和良好的表面光潔度，機(jī)械加工的第二方面用途是建立在高精度和可能的表面光潔度基礎(chǔ)上。許多零件，如果用別的其他方法來(lái)生產(chǎn)屬于大批量生產(chǎn)的話(huà)，那么在機(jī)械加工中則是屬于低公差且又能滿(mǎn)足要求的小批量生產(chǎn)了。另方面，許多零件靠較粗的生產(chǎn)加工工藝提高其一般表面形狀，而僅僅是在需要高精度的且選擇過(guò)的表面才進(jìn)行機(jī)械加工。例如內(nèi)螺紋，除了機(jī)械加工之外，幾乎沒(méi)有別的加工方法能進(jìn)行加工。又如已鍛工件上的小孔加工，也是被鍛后緊接著進(jìn)行機(jī)械加工才完成的?；镜臋C(jī)械加工參數(shù)切削中工件與刀具的基本關(guān)系是以以下四個(gè)要素來(lái)充分描述的：刀具的幾何形狀，切削速度，進(jìn)給速度，和吃刀深度。切削刀具必須用一種合適的材料來(lái)制造，它必須是強(qiáng)固、韌性好、堅(jiān)硬而且耐磨的。刀具的幾何形狀以刀尖平而和刀具角為特征對(duì)于每一種切削工藝都必須是正確的。切削速度是切削刃通過(guò)工件表面的速率，它是以每分鐘英寸來(lái)表示。為了有效地加工，切削速度高低必須適應(yīng)特定的工件刀具配合。一般來(lái)說(shuō)，T件材料越硬，速度越低。進(jìn)給速度是刀具切進(jìn)工件的速度。若工件或刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給量是以每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的英寸數(shù)日來(lái)度量的。當(dāng)?shù)毒呋蚬ぜ魍鶑?fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，進(jìn)給量是以每一行程走過(guò)的英寸數(shù)度量的。一般來(lái)說(shuō)，在其他條件相同時(shí)，進(jìn)給量與切削速度成反比。吃刀深度以英寸計(jì)是刀具進(jìn)入工件的距離。它等于旋削中的切屑寬度或者等于線(xiàn)性切削中的切屑的厚度。粗加工比起精加_來(lái)，吃刀深度較深。切削參數(shù)的改變對(duì)切削溫度的影響金屬切削操作中，熱是在主變形區(qū)和副變形區(qū)發(fā)生的。這結(jié)果導(dǎo)致復(fù)雜的溫度分布遍及刀具、工件和切屑。圖中顯示了一組典型等溫曲線(xiàn)，從中可以看出：像所能預(yù)料的那樣，當(dāng)工件材料在主變形區(qū)被切削時(shí)，沿著整個(gè)切屑的寬度上有著很大的溫度梯度，而當(dāng)在副變形區(qū)，切屑被切落時(shí)，切屑附近的前刀面上就有更高的溫度。這導(dǎo)致了前刀面和切屑離切削刃很近的地方切削溫度較高。實(shí)質(zhì)上由于在金屬切削中所做的全部功能都被轉(zhuǎn)化為熱，那就可以預(yù)料：被切離金屬的單位體積功率消耗曾家的這些因素就將使切削溫度升高。這樣刀具前角的增加而所有其他參數(shù)不變時(shí)，將使切離金屬的單位體積所耗功率減小，因而切削溫度也將降低。當(dāng)考慮到未變形切屑厚度增加和切削速度，這情形就更是復(fù)雜。未變形切屑厚度的增加趨勢(shì)必導(dǎo)致通過(guò)工件的熱的總數(shù)上產(chǎn)生比例效應(yīng)，刀具和切屑仍保持著固定的比例，而切削溫度變化傾向于降低。然而切削速度的增加，傳導(dǎo)到工件上的熱的數(shù)量減少而這又增加主變形區(qū)中的切屑溫升。進(jìn)而副變形區(qū)勢(shì)必更小，這將在該區(qū)內(nèi)產(chǎn)生升溫效應(yīng)。其他切削參數(shù)的變化，實(shí)質(zhì)上對(duì)于被切離的單位體積消耗上并沒(méi)有什么影響，因此實(shí)際上對(duì)切削溫度沒(méi)有什么作用。因?yàn)槭聦?shí)已經(jīng)表明：切削溫度即使有小小的變化對(duì)刀具磨損率都將有實(shí)質(zhì)意義的影響作用。這表明如何人從切削參數(shù)來(lái)確定切削溫度那是很合適的。為著測(cè)定高速鋼刀具溫度的最直接和最精確的方法是W&T法，這方法也就是可提供高速鋼刀具溫度分布的詳細(xì)信息的方法。該項(xiàng)技術(shù)是建立在高速鋼刀具截面金相顯微測(cè)試