常用装置的结构设计

第16章常用装置的结构设计16.1轮类零件的结构设计16.2轴的结构设计16.3

滚动轴承的组合结构设计16.4

滑动轴承结构设计16.5

螺栓组结构设计16.6典型零部件的润滑设计带轮常用材料16.1

轮类零件的结构设计16.1.1带轮的结构设计灰铸铁

（HT150、HT200）

用于：v≤30m/s

1．带轮的结构形式实心式daddBLd球墨铸铁用于：v≤25m/s～40m/s

铸钢用于：v≤25m/s～40m/s

铸铝、工程塑料用于小功率传动腹板式dadd孔板式且：轮辐式D1d1da2．轮槽及其他尺寸的确定轮槽及带轮的其他结构尺寸可查表3.4，和参照图16.1中的经验公式计算。3．带轮的技术要求V带轮的技术要求是：★铸造、焊接或烧结的带轮在轮缘、腹板、轮辐及轮毂上不允许有砂眼、裂缝、缩孔及气饱；★转速高于极限转速的带轮要做动平衡，反之要做静平衡。★铸造带轮在不提高内部应力的前提下，允许对轮缘、凸台、腹板及轮毂的表面缺陷进行修补；★其他条件参见GB/T13575.1.92中的规定。16.1.2

齿轮的结构设计齿轮结构设计包括轮缘、轮辐及轮毂等。1．锻造齿轮对于齿轮齿顶圆直径小于500mm的齿轮，一般采用锻造毛坯。1）齿轮轴e圆柱齿轮齿根与键槽顶部距离,e≤2.5mn

,圆锥齿轮e≤1.6mn

需做成齿轮轴。1）实体式齿轮齿轮的齿顶圆直径da

＜160mm时，可采用实心式结构。bdsdhda

斜度1:10lhδc

2）腹板式结构da＜500mm时，可做成腹板式结构当da＜500mm时，为减轻重量，也可做成孔板式结构。3）孔板式结构轮辐式结构400＜da＜1000mm时，可做成轮辐式结构2．铸造齿轮圆锥齿轮常用腹板代替轮辐。3．镶套齿轮（a）组装齿圈的结构（b）非金属板齿轮组装结构对于尺寸较大而需要用较贵重金属齿轮，要采用组装齿轮结构，以节约材料。轮圈用钢制成，而轮芯用铸铁或铸钢

4．焊接齿轮对于单件或小批量生产的大齿轮，还可以采用焊接结构。16.1.3齿轮与轴连接的设计方法为使轴与轮毂的连接具有足够的承载能力和定位精度，应合理地确定轮毂的宽度和直径。★轮毂宽度L可取为轮毂孔直径d的0.8-1.0倍。载荷较大或承受较大轴向载荷时取大值。LdS★非实心齿轮通常取轮毂外径为轮毂孔直径的1.6—1.8倍。承受较大载荷、冲击载荷、或开有键槽、销孔的轮毂应取较大值。D1轴与轮毂连接部分的直径ds（轮毂孔径）根据装入端相邻轴段的直径加5-10mm估算，若强度不足可加大轮毂宽度。d1d2轮毂孔与轴颈接触处，应注意连接配合的选择：③

对转速较高、承载较大，或承受冲击载荷的连接应选择较紧的配合。①对于有相对滑动或转动的连接，应选择间隙配合形式；②

对固定连接应选择过盈配合或过渡配合；16.1.4蜗杆及蜗轮的结构设计蜗杆因为直径不大，常与轴做成一体的，称为蜗杆轴。

1．蜗杆结构

铣制蜗杆

无退刀槽，螺纹部分只能用铣刀铣制。车制蜗杆

有退刀槽，螺纹部分既可以铣制又可以车制。2．蜗轮结构1）整体浇铸式主要用于铸铁蜗轮或尺寸很小的青铜蜗轮。2）齿圈式这种结构由青铜齿圈及铸铁轮心所组成。3）螺栓连接式多用于尺寸较大或容易磨损的蜗轮。4）拼铸式只用于成批制造的蜗轮。整体浇铸式齿圈式螺栓连接式拼铸式16.2轴的结构设计

轴结构设计的内容:

定出轴的合理外形和全部结构尺寸轴的结构设计要考虑的因素

1）轴上零件的定位要求

2）轴上零件的拆装、调整要求

3）轴的制造工艺性要求

4）轴上零件的结构和位置安排

16.2.1拟订轴上零件的装配方案装配方案决定轴上主要零件的:装配方向装配顺序相互关系（a）（b）两种装配方案的比较套筒过长齿轮从左侧装入齿轮零件右侧装入16.2.2轴上零件的定位定位的分类轴向定位周向定位定位的目的―防止轴上零件相对轴发生沿轴向或周向的相对运动1.轴肩与轴环轴肩的分类

定位轴肩非定位

轴肩非定位轴肩便于装配:h=(0.5～1)mm定位轴肩:

h＝3~5mm轴环r＞h

未实现定位r＜h

定位准确为了使零件能靠轴肩准确定位，轴肩处的过渡圆角半径r必须小于零件榖孔端部的圆角半径R或倒角高度h。hrr—轴肩处过渡圆角半径h—毂孔倒角高度2.

套筒定位优点：结构简单、定位可靠，对轴的强度削弱小适用场所：轴上两零件的轴向距离不太大太长

轴承定位轴肩(套筒)不能过高(以便拆卸)

F

轴的长度应短于与之相配合零件的毂宽（定位可靠）

定位可靠定位不可靠

定位—零件有准确的工作位置

固定—零件在轴上的位置牢固可靠BB3.轴端挡圈夹紧4．圆锥面5.圆螺母夹紧双螺母固定单螺母加止动垫片双螺母固定单螺母加止动垫片6．弹性挡圈夹紧弹性挡圈紧定螺钉定位零件的周向定位周向定位的目的―限制轴上零件相对轴的转动。周向定位的常见形式键联接，销联接，紧定螺钉联接和过盈配合等。H7r6φd16.2.3各段轴长度与直径的确定首先，按纯扭初估外伸端最小直径dmin33P－传递的功率(kw);d－轴的直径(mm)；d0－空心轴的内径；A－计算系数,查表7.2；3实心轴：空心轴：详细内容参见“第7章轴的设计”。各轴段直径和长度的确定Ⅰ轴

确定轴各段长度及直径应与轴所在的箱体整体结构相结合，综合考虑。

★轴上与标准件配合轴段，应尽量采用标准直径。★轴上与零件相配合部分的轴段长度，应比轮毂长度略短2～3mm。16.2.4提高轴的强度的结构措施1.合理安排轴上载荷的传递路线输入轮输入轮不合理的布置合理的布置12342134T1T2T3T4T2T1T3T42．改善轴上零件结构（b）结构比（a）结构的最大弯矩值小，受力合理。MmaxMmax轴未受扭矩作用轴受扭矩作用FF改进轴上零件的结构以减小轴的载荷3．减小应力集中采用内凹圆角―靠轴肩定位的零件的圆角半径很小时，可采用此方法加装隔离环在轮榖或轴上开卸载槽当轴与轮毂为过盈配合时，配合边缘处会产生较大的应力集中，为减小应力集中，采用卸载槽结构过盈配合时的应力分布轮毂采用卸载槽后的应力分布轴上开卸载槽4．提高轴颈的表面品质采用表面碾压、喷丸、高频表面淬火、渗碳及渗氮等表面强化工艺都可以显著提高轴疲劳强度。应考虑轴的结构工艺性轴的结构工艺性是指轴的结构形状应便于加工和装配原则：在满足使用的前提下，轴的结构越简单越好

为便于装配，常将轴做成阶梯形轴端应制出2×45°倒角。★需要磨削的轴段应留有砂轮越程槽

★需要车制螺纹的轴段应留有退刀槽

★为了减少装夹工件的时间，同一轴上不同轴段的键槽应布置在轴的同一母线上★轴上直径相近处的圆角、倒角、键槽宽度等应取相同尺寸16.3滚动轴承的组合结构设计轴承组合的内容为：1）轴承的配置；2）轴系调节；3）轴承的紧固和装配；4）轴承的配合；5)

轴承的润滑密封；6)

轴承系统的刚度等。16.3.1滚动轴承的配置1.两支点单向固定（全固式）Ｌ1 ｂ轴的游动趋势每一个支承只限制单方向移动，两个支承共同防止轴的双向移动。在轴向力的作用下，轴系左、右方向均不能轴向游动外伸端刚度差，且轴受热变形后轴承易卡死轴的游动趋势（全固式）外伸端刚度大，且轴受热变形后轴承不易卡死在轴向力的作用下，轴系左、右方向均不能轴向游动适用场所：两轴承跨度较小，工作温度不高。Ｌ2b轴的游动趋势轴的游动趋势角接触球轴承用于全固式右侧轴承与端盖间留有很小的轴向间隙，以适当补偿轴受热后的伸长变形。由于轴向间隙的存在，这种全固式支承不能做精确的轴向定位。热补偿间隙轴的游动趋势轴的游动趋势2.一支点双向固定，另一支点游动（固游式）固游式适用的场所：受热较大的长轴。游动端固定端轴的游动趋势轴的游动趋势2.一支点双向固定，另一支点游动（固游式）轴的游动趋势轴的游动趋势固游式适用的场所：受热较大的长轴。3两端游动支承（全游式）适用场所：一对人字齿轮啮合

全固式全游式当一根轴上的轴承采用全固式时，另一根轴上的轴承须采用全游式，以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均。轴的游动趋势轴的游动趋势轴的游动趋势轴的游动趋势3两端游动支承（全游式）轴的游动趋势轴的游动趋势左右两端均能沿轴向移动。16.3.2

轴系轴向位置调整和轴承游隙调整调整盘游隙对功能的影响轴承游隙的调整调整游隙的方法：靠端盖下的垫片调整调整盘调整游隙过小，运转不灵活。游隙过大，承载能力降低，同时在运转时会出现振动和噪声。调整轴系位置垫片调整轴承游隙垫片16.3.3滚动轴承的预紧预紧―是指在安装轴承时预先对轴承施加一轴向载荷，以消除轴承中的轴向游隙，并使滚动体和内、外圈滚道之间产生一定的预变形。（因轴承受力后还要发生变形，产生间隙，如不预紧，过大的变形量会影响工作质量）预紧量―应根据轴承的受载情况和使用要求合理确定，预紧量过大，轴承的磨损量和发热量加大，会导致轴承寿命降低。轴承预紧的目的：提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚度，减小机器工作时的轴向振动，延长轴承寿命。。常见的预紧方式图（a）正装的圆锥滚子轴承通过夹紧外圈而预紧图（b）用弹簧预紧可得到稳定的预紧力图（a）图（b）图（C）在一对轴承中间装入长度不等的套筒，预紧量由套筒的长度差来控制图（d）为角接触轴承反装，将轴承外圈磨窄，通过圆螺母夹紧使轴承预紧图（C）图（d）16.3.4滚动轴承的配合1．滚动轴承配合的特点2）通常基孔制配合中基准孔的尺寸公差带采用下偏差为零，上偏差为正值的分布。3）滚动轴承是标准组件，在装配图中尺寸标注时，不需要标注轴承的公差符号，只需标注与之配合的轴和孔的公差符号。4）设计中不但要规定与滚动轴承配合的表面尺寸公差，同时也要规定相应的形位公差。1）滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，滚动轴承外圈与孔的配合采用基轴制滚动轴承的公差带★滚动轴承内圈与外圈的尺寸公差带均采用上偏差为零，下偏差为负值的分布，所以与滚动轴承内圈配合的轴在采用同样的配合符号时，与滚动轴承所形成的配合比一般基孔制的基准孔所形成的配合更紧。2．滚动轴承配合的选用的原则1）载荷的大小和方向2）轴承的工作温度3）轴承的固定形式4）轴承的拆装条件5）轴承精度等级轴承受载较大时，配合容易松动，应选用较紧配合;

当载荷方向不变时，转动圈比固定圈有更紧的配合。当发热量较大，散热条件较差时，外圈配合选的稍松，内圈配合选的稍紧。固定支点的轴承外圈与孔的相对位置固定，可选择较紧的配合。外圈相对于孔有轴向移动时，应采用间隙配合。经常拆卸、更换、拆装的轴承应选用较松的配合。不经常拆卸的轴承可选用较紧的配合。高精度轴承也应提高与之相配合的轴和孔的加工精度要求。16.3.5滚动轴承的安装与拆卸轴承安装有热套法和冷压法。所谓热套法就是将轴承放入油池中，加热至80℃～100℃，然后套装在轴上。冷压法需有专用压套，用压力机压入。滚动轴承与轴和孔配合较紧，设计中要为拆卸留有必要的空间，FFFFl压头轴手柄螺杆螺母钩爪轴承内圈压装轴承外圈压装压力机拆卸钩爪拆卸器压套组装压套16.3.6

滚动轴承的密封装置滚动轴承密封的目的是防止灰尘、水分和其他杂物侵入轴承，并可阻止润滑剂的流失。按照原理可分为：接触式密封非接触式密封1．接触式密封1）毡圈密封2）密封圈式密封2非接触式密封1）隙缝密封2）甩油密封注意：图ｃ轴的转向必须有利于油流回箱体内ａ）轴上开油槽ｂ）甩油环ｃ）螺旋式送油槽3.迷宫式密封（曲路密封）使用场所：潮湿或较脏的工作环境。对轴向曲路密封端盖的结构要求：剖分式端盖。密封效果好，但结构复杂，造价较高。ｂ）轴向曲路密封ａ）径向曲路密封16.4滑动轴承结构设计16.4.1滑动轴承的典型结构型式1．径向滑动轴承1）整体式径向滑动轴承油杯螺纹孔轴承座轴套这种轴承结构简单、制造成本低，但磨损后无法修整，对曲轴无法安装。所以，多用于低速、轻载和间歇工作的场合。轴承座油孔油杯螺纹孔油沟轴套2）剖分式滑动轴承轴承座剖分轴瓦轴承盖双头螺柱轴承座轴承盖双头螺柱轴瓦对开式滑动轴承在装拆轴时，轴颈不需要轴向移动，装拆方便。另外，适当增减轴瓦剖分面间的调整垫片，可以调节轴颈与轴承之间的间隙。对开式正滑动轴承对开式斜滑动轴承调心滑动轴承适用于轴颈较长（宽径比B/L大于1.5～1.75），轴的刚度较小，或两轴承，座孔同心度较难保证时。2．推力滑动轴承（a）（b）（d）（c）（a）结构由于靠近边缘处相对滑动速度大，磨损严重，工作面上压强分布不均匀；（b）结构由于采用环状端面，改善了压强分布不均匀状态；（d）结构适用于载荷较大，承受双向轴向载荷的场所。单环结构多环结构FFFF16.4.2

轴瓦的结构整体式轴承中与轴颈配合的零件称为轴套，分为不带油沟和带油沟两种结构。带油沟整体轴瓦对开式轴瓦油沟油孔油孔油沟无油沟整体轴瓦为使剖分式轴承轴瓦既有一定的强度和良好的减磨性，常在轴瓦内表面浇铸一层减磨性好的材料（如轴承合金），称为轴承衬。轴瓦与轴承衬结合型式要求轴承衬能可靠地贴合在轴瓦表面上。供油孔和油沟应开在轴瓦的非承载区，否则会降低油膜的承载能力

图（b）中虚线为未开油沟前的压力分布。图（a）中a曲线为未开油沟前的压力分布。（a）（b）a油室对于一些重型机器的轴承轴瓦，其上常开设油室。它既可以使润滑空间增大，并有贮油和保证润滑油稳定性的作用，16.5螺栓组结构设计16.5.1

连接结合面的形状结合面的形状应为轴对称的简单几何形状以便于加工制造，保证受力合理。16.5.2螺栓的空间布置1．为了便于在圆周上钻孔时的分度和画线，通常分布在同一圆周上的螺栓数目取成3、4、6、8等数；在布置螺栓时，螺栓中心线与机体壁、螺栓之间的距离，要依据扳手所需的活动空间大小和连接的密封性要求来决定。2．螺栓之间的距离t一般按照经验公式选择：（用于密封性要求高及压力P≈（1.0～10）

MPa

的场合。（用于一般连接及压力P≤1.6MPa的压力容器）（用于无密封要求的场合）t=3．螺栓布置应使各螺栓的受力合理。对铰制孔螺栓不能在受力方向成排布置8个以上螺栓，以免受力不均。FFtdr2(b)r1(a)螺栓连接承受弯、扭矩作用时，应使螺栓靠近结合面的边缘，以减小螺栓的受力。TTF1F2扭矩T相同，结构（a）比结构（b）螺栓受力小因为：所以：（a）方案比（b）方案合理★为简化设计、制造，对同一螺栓组内的螺栓应选择同样材料、同样规格、同一标准的螺栓，以便于采购、管理和装配。16.5.3

基于受力合理性的螺栓结构设计螺栓连接的强度主要取决于螺栓的强度影响螺栓强度的因素1.

危险截面的应力幅2.

螺纹牙上的载荷不均3.

螺栓上的应力集中4.

螺栓上的附加应力5.

螺栓的制造工艺1．降低影响螺栓疲劳强度的应力幅在最小应力不变的情况下，应力幅值越小，螺栓越不容易发生疲劳失效。FF″△F前提：▲预紧力F′不变;▲工作拉力F不变。结果：总拉力F0

减小，残余预紧力F″减小,△F

减小。降低螺栓刚度应力幅减小结论：★降低螺栓的刚度降低螺栓应力幅的措施λmλbF′F0F△F′FF′F″

★增加被连接件的刚度△F前提：▲预紧力F′不变，工作拉力F不变增加被连接件刚度应力幅减小结论λbλmF0F结果：▲总拉力F0减小至，残余预紧力减小，△F

减小为★同时降低螺栓刚度、增加被连接件刚度▲前提：总拉力F0不变，工作拉力F、残余预紧力F″均不变▲结果：预紧力F′

增大，△F

减小同时降低螺栓刚度、增加被连接件刚度是最有效的降低应力幅的方法结论：F′F″△FλbFFλm★降低应力幅的具体措施▲采用腰状螺栓与空心螺栓▲在螺母下采用弹性元件▲采用刚度较大的密封环效果不好效果好刚度小

2.改善螺纹牙上载荷分布不均的现象

★螺纹牙上载荷分布不均的原因螺栓和螺母的刚度及变形性质不同1/3载荷第八圈以上螺纹

几乎不受力采用加高螺母不能提高连接的强度F0★改善螺纹牙上载荷分布不均的措施▲旋置螺母▲内斜螺母▲环槽螺母▲内斜、环槽结合新型螺母F0F0内斜、环槽结合螺母

3.减小应力集中的影响加大圆角r卸载槽rr0.5~1.0卸载过渡结构r2支承面不平，被连接件变形太大(a)采用球面垫圈(b)采用斜面垫圈e避免采用勾头螺栓（c）凸台（d）沉头座F0MF0F0MF0F0(a)采用球面垫圈(b)采用斜面垫圈支承面不平，被连接件变形太大MF0e避免采用勾头螺栓F0MF0F0（c）凸台（d）沉头座4.避免附加应力16.6典型零部件的润滑设计16.6.1

滑动轴承的润滑设计▲对于相对滑动速度V较低，在边界润滑状态的滑动轴承：如果密封防尘较好，可采用油润滑，否则应采用脂润滑。▲对于在混合润滑状态下的滑动轴承可采用:飞溅润滑、油环或油链等润滑方法，并保证适当的供油量；▲对于在流体动压润滑状态下的滑动轴承应采用:

压力供油润滑力式，并保证充分供油；▲对于采用连续供油方式润滑的滑动轴承：应使轴承内的润滑油保持流动，以加强散热和清洗润滑表面，防止热量和污物滞留。16.6.2滚动轴承的润滑设计常用滚动轴承的润滑剂为润滑脂和润滑油两种。具体选择可按速度因数dn值来决定。d—滚动轴承的内径，mm；n

—为轴承的转速，r/min。当dn

＜2～3×