机械分析与设计基础 课件 情境5 典型机械零件的分析与设计

《机械分析与设计基础》

情境5典型机械零件的分析与设计

任务5.1轴的分析与设计1.任务条件

如图所示的带式输送机，其单级圆柱齿轮减速器的低速轴（输出轴）的装配方案。轴传递的功率P=4.29KW，转矩T=429.51N.m，转速n=95.5r/min。根据前面任务的计算的结果，从动齿轮的分度圆直径d2=340mm，齿轮宽度为B2=70mm。2.任务要求

设计输送机的低速轴，进行轴的结构设计，确定各段长度和直径，确定轴的结构细节，学会轴的设计方法和步骤。【下达任务】减速器与低速轴系

【能力目标】1.能够进行轴的结构设计。2.能够用类比法，按扭转强度条件计算的方法进行轴的设计。4

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学习载体---带式输送机6

认知引导图片(1)直轴光轴

阶梯轴㈡按轴的形状分有：一般情况下，直轴做成实心轴，需要减重时做成空心轴潘存云教授研制5.1.1轴的类型和特点

轴的功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、链轮、凸轮等。1.按轴线的形状分类

(2)曲轴

曲轴用于将直线往复运动转换为旋转运动或将旋转运动转换为直线往复运动的轴。如汽车发动机曲轴、内燃机曲轴、空气压缩机曲轴等。(1)直轴㈡按轴的形状分有：（3）挠性钢丝轴

挠性钢丝轴是由几层紧贴在一起的钢丝层构成的。挠性好，可以在传递转矩的同时在一定范围内改变轴线方向，将运动灵活地传递到指定位置。但传递的转矩较小，且不能承受弯矩，主要用于以传递运动为主的机械装置中，如建筑机械（如捣振器）等。(1)直轴(2)曲轴（1）转轴2.按所受载荷不同分类

转轴既传递扭矩又承受弯矩。机器中的大多数的轴都属于这一类。

既支承回转零件又传递动力，同时承受弯曲和扭转两种作用的轴，称为转轴。㈠按承受载荷分有：（2）传动轴（1）转轴转轴---传递扭矩又承受弯矩。传动轴---只传递扭矩【课堂训练】分析：根据承载情况下列各轴分别为哪种类型？0轴：Ⅰ轴：Ⅴ轴：Ⅱ轴：Ⅲ轴：Ⅳ轴：传动轴转轴转动心轴转轴转轴转动心轴一、设计方法通常，对于一般轴的设计方法有两种，即类比法和设计计算法。5.1.2轴的设计方法与步骤1.类比法

类比法是根据轴的工作条件，与类似的轴进行对比和比较进行结构设计，并画出轴的零件图的方法。用这种方法一般不进行强度校核的计算，设计时依据现有的成熟的资料和以前成功的设计者的经验进行，因此能简化设计过程，提高设计的效率，而且设计结果比较可靠和稳妥，因此在企业中应用比较广泛；但这种方法也会带来一定的盲目性。2.设计计算法

为了防止疲劳断裂，对一般的轴必须进行强度计算，其设计计算的一般步骤如下：（1）根据轴的工作条件选择材料，确定许用应力。（2）按扭转强度估算出轴的最小直径。（3）设计轴的结构，绘制出轴的结构简图。具体内容包括：1）拟定轴上零件的装配方案，绘制出装配简图；2）根据工作要求确定轴上零件的位置和固定的方式；3）确定各轴段的直径；4）确定各轴段的长度；5）根据设计手册确定轴的结构细节，如圆角、倒角和退刀槽等的尺寸。（4）按弯扭合成强度计算的方法进行轴的强度校核。一般在轴上选取2-3处危险截面进行强度校核。如危险截面强度不够或强度裕度不大，则必须重新修改轴的结构。（5）修改轴的结构后再进行校核计算。这样反复交替的进行校核和修改，直至设计出较为合理的轴的结构。

（6）绘制轴的零件图。【设计任务】选材、结构设计、工作能力计算(强度、刚度)。二、设计步骤【轴的结构设计】根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。【工作能力计算】轴的承载能力验算指的是轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的验算。

轴的设计过程：N

选择材料

结构设计

轴的承载能力验算验算合格?结束Y种类碳素钢：35、45、50、Q235轴的毛坯:一般用圆钢或锻件，有时也用铸钢或球墨铸铁。5.1.3轴的材料及其选择

合金钢:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素结构钢因具有较好的综合力学性能，应用较多，尤其是45钢应用最广。合金钢具有较高的力学性能，但价格较贵，多用于有特殊要求的轴。如用球墨铸铁制造曲轴和凸轮轴，具有成本低廉、吸振性较好、对应力集中的敏感较低、强度较好等优点。为了改善力学性能正火或调质处理。表10-1轴的常用材料及其主要力学性能

在进行轴的初期设计时，由于轴承及轴上零件的位置和跨距均不确定，不能求出支反力和弯矩分布情况，因而无法按弯曲强度计算轴的危险截面直径，只能用估算法来初步确定轴的直径。初步估算轴的直径可以采用以下两种方法：5.1.4轴径的初步确定1.按类比法估算轴的直径

这种估算方法是参考同类型的机器设备，比较轴传递的功率、转速及工作条件等，来初步确定轴的结构和尺寸。例如，在一般减速器中，与电动机相连的高速端输入轴的基本直径，式中d为电动机轴端直径。而各级低速轴直径可按同级齿轮中心距a估算，一般取。配有联轴器的轴，以联轴器直径为其最小直径。2.按抗扭强度初步估算轴的直径

确定轴段直径大小的基本原则：最小轴径dmin的确定:轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；1.按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。4.有配合要求的零件要便于装拆。3.安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。2.有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。T—扭矩，[τT]—许用应力，WT—抗扭截面系数，P—功率，n—转速，d—计算直径，A0—材料系数。

一、轴各部分名称1.轴颈：轴上与轴承配合的部分，称为轴颈。2.轴头：与传动零件配合的部分，称为轴头。3.轴身：连接轴颈与轴头的非配合部分，称为轴身。4.轴肩：起定位作用的阶梯轴上截面变化的部分，称为轴肩。5.轴环：形成轴肩的环形部分，称为轴环。5.1.4轴径的初步确定二、轴的结构设计要求

轴的结构设计的目的，主要是确定轴的结构形状和尺寸。由于影响轴的结构的因素很多，故轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性，但应满足如下要求：（1）轴和轴上的零件要有准确的工作位置（轴向和周向的定位和固定）。（2）轴上的零件应便于装拆和调整。（3）轴的直径应适合所配合零件的标准尺寸。（4）轴应具有良好的加工工艺性。（5）轴的受力位置布局要合理，以提高轴的刚度和强度。（6）轴的结构应尽量减小应力集中，以提高疲劳强度。1.设计目的和要求要求潘存云教授研制设计任务：使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。设计要求：1.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装)2.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)4.改善应力状况，减小应力集中。轴端挡圈带轮轴承盖套筒齿轮滚动轴承典型轴系结构2.设计任务和要求三、轴的结构设计方法和步骤

轴的结构形式取决于轴上零件的装配方案，如图5-1-6（a）所示。装配方案要确定轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。轴上零件的装配方案不同，轴的结构形状也不相同。为了便于轴上零件的装拆，常将轴做成阶梯状。在满足使用要求的情况下，轴的形状和尺寸应力求简单，以便于加工。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。（一）确定轴上零件的装配方案方案一方案二潘存云教授研制拟定轴上零件的装配方案：就是确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互关系。潘存云教授研制

轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。

方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。

对比一下，那个方案较好？

方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。

在拟定轴上零件的装配方案时，涉及轴上零件的轴向定位与固定以及轴上零件的周向定位和固定。确定了这些，轴的形状才能得到落实。（二）轴上零件的定位与固定1.轴向定位2.周向定位沿着轴中心线的方向进行定位，有确定而且固定的工作状态。沿着直径的方向进行定位，一般要求是不能产生相对运动，轴能够带动与其配合的零件一起转动。潘存云教授研制1.轴向定位与固定

4、5间的轴肩使齿轮在轴上定位，1、2间的轴肩使带轮定位，6、7间的轴肩使右端滚动轴承定位。轴肩----阶梯轴上截面变化之处。起轴向定位作用。

轴肩套筒定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。潘存云教授研制轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。齿轮受轴向力时，向右是通过4、5间的轴肩，并由6、7间的轴肩顶在滚动轴承的内圈上；向左则通过套筒顶在滚动轴承的内圈上。带轮的轴向固定是靠1、2间的轴肩和轴端当圈。双向固定潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。轴肩的尺寸要求:r<C1

或r<R轴环宽b≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)DdrR轴端挡圈双圆螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。hhC1DdrDdrRbh潘存云教授研制潘存云教授研制轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。总结：轴上零件的轴向位置必须固定，以承受轴向力或不发生轴向窜动。零件轴向定位的方式常取决于轴向力的大小。轴向定位和固定的方法主要有两类：一是，利用轴本身的结构，如轴肩、轴环、圆锥面、过盈联接等定位方式；二是，利用附件，如套筒、圆螺母、弹性挡圈、轴端挡圈、紧定螺钉和轴承端盖等定位方式。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制2.周向定位与固定

轴上零件的周向固定是为了防止零件与轴发生相对转动。常用的固定方式有：键联接、花键联接、成型联接、销联接、过盈配合联接、紧定螺钉联接等。生产实际中，大多采用键、花键、过盈配合或型面联接等形式来实现。

为了加工方便，键槽应设计成同一加工直线上，且紧可能采用同一规格的键槽截面尺寸。键槽应设计成同一加工直线分析轴上零件的定位和固定（轴向，周向）方式潘存云教授研制潘存云教授研制课堂练习（三）各轴段直径和长度的确定确定轴段直径大小的基本原则：

最小轴径dmin的确定:轴段直径大小取决于作用在轴上的载荷大小；（1）按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。（2）有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。（3）安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。（4）有配合要求的零件要便于装拆。

T—扭矩，[τT]—许用应力，WT—抗扭截面系数，P—功率，n—转速，d—计算直径，A0—材料系数。1.各轴段直径确定标准直径应按优先数系选取R51.001.602.504.006.3010.00R101.001.251.602.002.503.154.005.006.308.0010.001.001.121.251.401.601.802.002.242.502.803.153.554.004.505.005.606.307.108.009.0010.001.001.061.121.181.251.321.401.501.601.701.801.902.002.122.242.362.502.652.803.003.153.353.553.754.004.254.504.755.005.305.606.006.306.707.107.508.008.509.009.5010.00R40R20优先数----表中任意一个数值。大于10的优先数，可将表数值分别乘以10、100、1000。Q275,3540Cr,35SiMn1Cr18Ni9Ti38SiMnMo,3Cr13[τT](N/mm)15~2520~3525~4535~55A0

149~126135~112126~103112~97表10-2常用材料的[τT]值和A0值轴的材料Q235-A3,2045

常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。配合轴段的直径应由标准件和配合性质确定。1)装配轴承与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；(φ20~385mm)

与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套：…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…..2)装配联轴器配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：联轴器的孔径与长度系列孔径d3032353840424548505565606365…长系列82112142短系列6084107长度L潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制便于零件的装配，减少配合表面的擦伤的措施：H7/r6H7/D11H7/r6

为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。2)

配合段前端制成锥度；3)

配合段前后采用不同的尺寸公差。1)

在配合段轴段前应采用较小的直径；结构不合理！1.有轴向定位要求时

d大=

d小+

(

5~10)轴径的变化原则:潘存云教授研制潘存云教授研制2.区分加工面：d大=d小+

(1~3)2.确定轴段长度

（1）为保证轴上零件轴向定位可靠,与零件配合部分的轴段,

轴段长度=轮毂长-(2～3mm)，即L轴=L毂-(2〜3)。（2）有相对运动的零件之间,应留间隙△L。（3）轴环宽b≈1.4h潘存云教授研制潘存云教授研制2～3mm△L潘存云教授研制潘存云教授研制④

为便于轴上零件的装拆，一般轴都做成从轴端逐渐向中间增大的阶梯状。在满足使用要求的前提下，轴的结构越简单，工艺性越好。零件的安装次序（四）轴的结构工艺性装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。②③⑥⑦①⑤①倒角退刀槽潘存云教授研制潘存云教授研制Q方案b（五）提高轴的强度的常用措施图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。输出T1输出T2输入输出T1输出T2输入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改进轴上零件的结构当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理T2.合理布置轴上零件Q方案a轴径大轴径小潘存云教授研制3.改进轴的局部结构可减小应力集中的影响合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。应力集中处

措施：1)

用圆角过渡；2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;R3)重要结构可增加卸载槽、过渡肩环、凹切圆角、增大圆角半径。也可以减小过盈配合处的局部应力。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制轴上开减载槽应力集中系数可减少40%轮毂上开减载槽应力集中系数可减少15~25%增大轴的直径应力集中系数可减少30~40%d1.05d3）采取增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、等也可以减小过盈配合处的局部应力。30˚r凹切圆角过渡肩环1.06~1.06dd4.改善轴的表面质量可提高轴的疲劳强度1）表面愈粗糙

疲劳强度愈低；

提高表面粗糙度；轴的表面粗糙度和强化处理方法会对轴的疲劳强度产生影响2）表面强化处理的方法有：▲

表面高频淬火；▲

表面渗碳、氰化、氮化等化学处理；▲

碾压、喷丸等强化处理。

通过碾压、喷丸等强化处理时可使轴的表面产生预压应力，从而提高轴的疲劳能力。潘存云教授研制潘存云教授研制分析该轴的结构设计思路和方法课堂练习山东科技职业学院机电学院轴系结构改错图中有一处错误，请改正。错误原因r>c

使得轴上零件与轴肩的配合不够紧密。山东科技职业学院机电学院轴系结构改错图中有四处错误，请改正。错误原因4.圆螺母无法装入。1.轴肩太高，滚动轴承无法拆卸。2.轴上未留退刀槽，不便于螺纹加工。3.轴承左边造成无法定位。山东科技职业学院机电学院轴系结构改错图中有三处错误，请改正。错误原因3.滚动轴承内圈与轴的配合为过盈配合，无需键联接。1.轮毂上键槽未开通，零件无法装入。2.套筒无法装入应改为轴肩。山东科技职业学院机电学院轴系结构改错错误原因图中有三处错误，请改正。3.同一轴上的两个平键应布置在同一母线，否则不便于轴的加工。1.键太长，右端套筒无法装入。2.轮毂上键槽未开通，右端齿轮无法装入。山东科技职业学院机电学院

例题一：指出图中轴结构设计中的不合理之处，并绘出改进后的结构图。2.齿轮右侧未作轴向固定；1.轴两端均未倒角；7.轴端挡圈未直接压在轴端轮毂上。6.齿轮与右轴承装卸不便；3.齿轮处键槽太短；4.键槽应开在同一条直线上；5.左轴承无法拆卸；山东科技职业学院机电学院

例题二：指出图中轴结构设计中的不合理之处，把错误地方的序号和错误的原因字母在答题区上对应在一起。2.轴承端盖应顶住轴承外环；1.应有调整垫片；7.密封处留有间隙；6.应有密封；3.套筒过高；4.不便于固定齿轮；5.应有键进行齿轮周向定位；8.应有连接螺钉。山东科技职业学院机电学院

例题三：指出图中轴结构设计中的不合理之处，把错误地方的序号和错误的原因字母在答题区上对应在一起。2.轴头长度小于轮毂宽度2-3mm。1.键槽太短。7.两键槽中心应在同一直线上。6.应在轴上开设联轴器定位轴肩。3.轴肩过高，高过轴承内圈。4.套筒过高，高过轴承内圈。5.缺调整垫片。山东科技职业学院机电学院

例题四：指出图中轴结构设计中的不合理之处，把错误地方的序号和错误的原因字母在答题区上对应在一起。2.过定位，轮毂宽应大于配合轴段长度；1.键过长；7.应在轴上开设联轴器定位台肩；6.应设一轴肩，便于轴承安装；3.轴承内圈轴向定位台肩过高；4.箱体端面应留出和端盖接触的凸台；5.应加密封垫圈，端盖和轴应留有间隙8.轴头应开设键槽。山东科技职业学院机电学院轴系设计举例请完成如图所示的轴系设计。请选择齿轮的装配方向分目录上一页山东科技职业学院机电学院轴系设计举例分目录上一页返回潘存云教授研制举例：设计某圆柱齿轮减速器输出轴。已知传递的功率P=8KW,转速n=280r/min,作用在齿轮上的圆周力Ft=1740N,径向力，Fr=641N,轴向力Fa=286N,齿轮分度圆直径d2=310mm,齿轮宽度为60mm,轴承采用6208深沟球轴承，作用在轴右端带轮上外力F=2000N（方向未定）L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：分析：此轴在一般条件下工作，先按扭转强度初步估出轴端最小直径，然后用类比法确定轴的结构，然后按弯扭合成强度校核。=Fad2轴的设计实例aad12==准备工作--算出各自设计的已知参数一、选择轴的材料，确定许用应力选用轴的材料为45钢，调质处理，查表可知

二、按扭转强度估算轴的最小直径单级减速器的低速轴为转轴，输出端轴径为最小值，

查表可得，取C=118，则

考虑到轴的最小直径处要安装联轴器，会有键槽，故需将直径增大3%--5%，取d=35mm潘存云教授研制L1L2L3ABCD减速器中齿轮轴的受力为典型的弯扭合成。在完成单级减速器草图设计后，外载荷与支撑反力的位置即可确定，从而可进行受力分析。三、轴的结构设计1、作出装配简图，拟定轴上零件的装配方案齿轮端面与箱体内壁留有距离a=10~15mm滚动轴承端面与内壁留有距离s=3~5mm联轴器与轴承盖间留距离l=10~30mm

方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，且质量较大，故不如方案一合理。潘存云教授研制潘存云教授研制③2、确定轴上零件的位置和固定方式装零件的轴端应有倒角，需要磨削的轴端有砂轮越程槽，车螺纹的轴端应有退刀槽。②⑤⑥①④①倒角退刀槽潘存云教授研制潘存云教授研制③1、轴段①：最小直径处d1=35mm2、轴段②：d2=d1+2h1h1为定位轴肩h1=(0.07~0.1）×35=2.45~3.5故d2=40mm3、轴段③：d3=d2+2h2h2为非定位轴肩取2.5mm故d3=45mm4、轴段④：d4=d3+2h3h3为定位轴肩h3=R(c)+(0.5~2）查表R(c)=3mmh3取5mm故d4=55mm5、轴段⑤：此段的直径要根据要根据滚动轴承的安装高度确定，查表d5=47mm6、轴段⑥：d6=d2=40mm

四、确定各轴段的直径⑤⑥①④①②潘存云教授研制潘存云教授研制③1、轴段①：L1=半联轴器的长度-（5~10）mm,

查机械手册得半联轴器的长度为80mm,故L1=70mm2、轴段②：l2=a+s+B(轴承的宽度）+轴承盖的宽度+l+（2~3）mm取a=15mms=5mm

查手册B=18mm轴承盖的宽度初取20mm,取l=15mm,最后L2=75mm3、轴段③：L3=齿轮宽度-(2~3)mm=58mm4、轴段④：L4=1.4h3=1.4×5=7mm5、轴段⑤：L5=a+s=２０mm6、轴段⑥：L6=18mm

五、确定各轴段的长度⑤⑥①④①②潘存云教授研制根据以上的计算得出L=123mm,K=116mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad212潘存云教授研制对2点取矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：1)求垂直面的支反力和轴向力=Fad2六、按弯扭合成强度校核轴径12潘存云教授研制2)求水平面的支反力3)求F力在支点产生的反力4)绘制垂直面的弯矩图5)绘制水平面的弯矩图潘存云教授研制6)求F力产生的弯矩图7)绘制合成弯矩图考虑F可能与H、V内合力共面a-a截面F力产生的弯矩为：潘存云教授研制潘存云教授研制8)求轴传递的转矩9)求危险截面的当量弯矩扭切应力为脉动循环变应力，取折合系数:α=0.6假如对d2处，可验算10)校核危险截面的强度上述满足故设计满足要求，并有一定的裕度。11）修改轴的结构----因所设计的轴的裕度合适，故不必进行修改。12）绘制轴的零件图----出详图（下图为参考样图）武汉科技大学专用作者：潘存云教授总结：按弯扭合成强度计算轴径的一般步骤：2.将外载荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撑反力FV和水平面支撑反力FH

;3.作垂直弯矩MV图和弯矩MH图

;4.作合成弯矩M图；5.作转矩T图；6.弯扭合成，作当量弯矩Me图；7.危险截面强度校核8、修改轴的结构

9、绘制轴的零件图1.画出轴的受力简图【任务实施】1.任务分析

本任务中的带式输送机，其单级圆柱齿轮减速器的低速轴（输出轴）上，装有带轮、轴承、轴承盖、套筒、齿轮等零件。为了零件的装拆方便，轴的直径一般是从两端向中间逐段增大，形成阶梯轴。设计时，可按轴的设计计算法进行。2.任务完成结论参考教材。

【下次任务布置】

（一）预习

1.预习任务5.2轴承的分析与选择，观看教学视频，完成网上作业。（二）作业1.轴的结构设计的内容有哪些？应注意哪些事项？2.轴上零件的轴向定位方法有哪些？3.分析并指出图所示的轴系零部件结构中的错误，并说明错误原因。本任务到此结束，同学们再见！！

《机械分析与设计基础》

情境5典型机械零件的分析与设计

任务5.2轴承的分析与选择1.任务条件

如图1-2-0所示的带式输送机所用的单级齿轮减速器的低速轴轴承转速95.5r/min，轴颈55mm，根据前面任务考虑齿轮传动产生的径向载荷、齿轮、轴、键自重，轴承的径向载荷，Fr=1100N,预期寿命[Lh]=10000h。2.任务要求

根据任务条件，选择合适的轴承型号。【下达任务】减速器的低速轴系

【能力目标】

1.学会滚动轴承的选型设计。2.学会轴承组合设计。3.学会滑动轴承的类型和特点。80

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【导入】滚动轴承的应用

在机器中，滚动轴承是用来支承轴的标准部件。由于它可以大大减少轴与孔相对转动时的摩擦力，且具有机械效率高、结构紧凑等优点，因此应用极为广泛。1.轴承的作用减小摩擦，承受载荷，对机器零部件间位置进行定位。根据承受载荷方向不同，滚动轴承分为三类：2.滚动轴承的分类一

、滚动轴承的作用和分类向心轴承向心推力轴承推力轴承83二、常用滚动轴承结构1.深沟球轴承外形图结构图尺寸图球滚动体

内圈外圈保持架

外径内径宽度

轴承是标准部件，由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。一般情况下，外圈装在机器的孔内，固定不动；内圈套在轴上，随轴转动。842.圆锥滚子轴承外形图结构图圆锥滚动体

内圈外圈保持架

外径外圈宽总宽尺寸图内径内圈宽

轴承是标准部件，由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。一般情况下，外圈装在机器的孔内，固定不动；内圈套在轴上，随轴转动。853.推力球轴承外形图结构图座圈轴圈球滚动体

轴圈外径轴圈内径座圈内径座圈外径高度

轴承是标准部件，由外圈、内圈、滚动体和保持架组成。一般情况下，外圈装在机器的孔内，固定不动；内圈套在轴上，随轴转动。4.滚动体类型三、滚动轴承的类型与特点1.按滚动体的形状分◆球轴承：与套圈滚道点接触，摩擦小。◆滚子轴承：与套圈滚道线接触，承载能力高。2．按能承受载荷的方向分◆向心轴承：只能承受或主要承受径向载荷，其接触角α为。◆推力轴承：只能承受或主要承受轴向载荷，其接触角α为。3．轴承按其工作时能否调心,分为:

◆调心轴承；◆非调心轴承；4．轴承按滚动体的列数,分为:

◆单列轴承——具有一列滚动体的轴承；◆双列轴承——具有二列滚动体的轴承；

◆多列轴承——具有多于两列滚动体的轴承,如三列、四列轴承。三、滚动轴承的类型与特点四、滚动轴承的基本代号（GBT272-2017）前置代号基本代号后置代号

轴承的分

部件代号内

部

结

构

代

号密

封

与

防

尘

结

构

代

号保

持

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材

料

代

号特

殊

轴

承

材

料

代

号公

差

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级

代

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代

号多

轴

承

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置

代

号其

它

代

号五四三二一类

型

代

号尺寸系

列代号内

径

代

号宽

度

系

列

代

号直

径

系

列

代

号1.滚动轴承代号构成：基本代号、前置代号、后置代号。代号用于表征滚动轴承的结构、尺寸、类型、精度等。（1）前置代号——表示轴承的分部件。（2）基本代号——表示轴承的类型与尺寸等主要特征。（3）后置代号——表示轴承的精度与材料的特征。2.基本代号五四三二一类型代号尺寸系列代号内径代号宽度系列代号直径系列代号(1)内径代号(右起一二位)—内径尺寸内径代号0001020304～96内径尺寸10121517代号×5=(20～480mm)(2)尺寸代号(右起三四位)—内径相同、外径宽度不同a.直径系列(右起第三位)—结构内径相同、外径宽度变化向心及向心推力轴承：0、1-特轻、2-轻、3-中、4-重系列；b.宽度系列(右起第四位)—结构内径外径相同、宽度变化正常宽度0不标（对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”

）

尺寸系列代号由滚动轴承的宽(高)度系列代号组合而成

直径系列代号向心轴承推力轴承宽度系列代号宽度系列代号801234567912尺寸系列代号7——17—37———————8—08182838485868————9—09192939495969————0—00102030405060709010—1—01112131415161719111—282021222324252627292122238303132333435363739313234—04—24————749414245—————————95——(3)类型代号(右起五位)—轴承类型（表9-1）常用：30209-圆锥滚子、63710-深沟球、71915-角接触球6深沟球轴承L直线轴承5推力球轴承U外球面球轴承4双列深沟球轴承NA滚针轴承3圆锥滚子轴承N圆柱滚子轴承29推力调心滚子轴承9推力圆锥滚子轴承2调心滚子轴承8推力滚子轴承1调心球轴承7角接触球轴承0双列角接触球轴承代号轴承类型代号轴承类型滚动轴承

6

2

04GB/T276-1994

滚动轴承

N

22

10

内径代号（d=4×5mm=20mm）尺寸系列代号（02）类型代号（深沟球轴承）

内径代号（d=10×5mm=50mm）尺寸系列代号（22）

类型代号（圆柱滚子轴承）【代号示例

】【基本代号示例】五、

滚动轴承类型的选择1.影响轴承承载能力的参数◆游隙：两套圈之间沿径向或轴向的相对位移量，相应称为径向或轴向游隙。其对轴承的寿命、温升和噪声有很大影响。◆接触角：滚动体与外圈滚道接触处的公法线与轴承径向平面间的夹角α

。接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。◆偏位差：轴承内、外圈轴线之间的相对角位移δ。其许用值越大，轴承自动适应轴挠曲变形的能力越强。◆极限转速：滚动轴承在一定的载荷和润滑条件下，允许的最高转速称为极限转速。滚动轴承的转速过高会使摩擦面间产生高温，使润滑失效，从而导致滚动体退火或胶合而产生破坏。

接触角偏位角2.滚动轴承类型的选择熟悉轴承的类型和特性，明确使用要求，是合理选择轴承类型的前提。一般应考虑以下因素。（1）承受载荷情况①载荷方向。主要承受径向力时，选用向心轴承；承受纯轴向力时，选用推力轴承；同时承受径向力和轴向力时，选用角接触轴承。②载荷大小。承受的载荷较大时，应选择滚子轴承或尺寸系列较大的轴承；反之，选择球轴承或尺寸系列较小的轴承。③载荷性质。载荷平稳时，可选择球轴承；有冲击和振动时，宜选择滚子轴承。（2）转速限制转速较高时，可选择球轴承和轻系列的轴承；反之，可选择滚子轴承和重系列的轴承；推力轴承的极限转速很低。（3）调心性要求对轴承的径向尺寸有限制时，宜选轻系列、特轻系列或滚针轴承；对轴承的轴向尺寸有限制时，宜选窄系列轴承。轴及支承系统的刚性较差或安装精度较低时，应采用调心球轴承和调心滚子轴承。（4）允许的空间（5）安装与拆卸在轴承座不是剖分而必须沿轴向装拆轴承以及需要频繁装拆轴承的机械中，应优先选用内、外圈可分离的轴承（如3类，N类等）；当轴承在长轴上安装时，为便于装拆可选用内圈为圆锥孔的轴承（后置代号第2项为K）。（7）经济性要求在满足使用要求的前提下，尽量选用便宜的轴承，以降低成本。普通结构的轴承比特殊结构的轴承便宜，球轴承比滚子轴承便宜，精度低的轴承比精度高的轴承便宜。（6）公差等级滚动轴承公差等级分为6级：0级（普通级）、6级、6X级、5级、4级及2级。普通级最低，2级最高。普通级应用最广。对大多数机械而言，选用0级公差的轴承足以满足要求。但对于旋转精度有严格要求的机床主轴、精密机械、仪表以及高速旋转的轴，应选用高精度的轴承。六、滚动轴承的失效形式及计算准则（一）滚动轴承的主要失效形式1．点蚀轴承工作时，滚动体和滚道上各点受到循环接触应力的作用，经一定循环次数（工作小时数）后，在滚动体或滚道表面将产生疲劳点蚀，从而产生噪声和振动，致使轴承失效。疲劳点蚀是在正常运转条件下轴承的一种主要失效形式。2．塑性变形轴承受负荷过大或有巨大冲击负荷时，在滚动体或滚道表面可能由于局部触应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形，形成凹坑而失效。这种失效形式主要表现在转速极低或摆动的轴承中。3．磨损润滑不良、杂物和灰尘的侵入都会引起轴承早期磨损，从而使轴承丧失旋转精度、噪声增大、温度升高，最终导致轴承失效。此外，由于设计、安装、使用中某些非正常的原因，可能导致轴承的破裂、保持架损坏及回火、腐蚀等现象，使轴承失效。滚动轴承的失效形式

对于极低速条件下工作的滚动轴承，一般不会出现疲劳点蚀。但当载荷很大，滚动体和滚道接触处的局部应力超过材料的屈服极限时，会使轴承的工作表面发生永久的塑性变形，从而使轴承不能继续使用。滚动轴承的失效形式速度过高且散热不良时会出现胶合。滚动轴承的失效形式（二）

滚动轴承的计算准则

在选择滚动轴承类型后要确定其型号和尺寸，为此需要真对轴承的的主要失效形式进行计算。其计算准则为：1．对于一般转速的轴承，如果轴承的制造、保管、安装、使用等条件均良好时，轴承的主要失效形式为疲劳点蚀，因此应按基本额定动负荷进行寿命计算。2．对于高速轴承，除疲劳点蚀外其工作表面的过热而导致的轴承失效也是重要的失效形式，因此除需进行寿命计算外还应验算其极限转速。3．对于低速轴承，可近似认为轴承各元件是在静应力作用下工作的，其失效形式为塑性变形，故应按额定静负荷进行强度计算。103【总结】【滚动轴承的失效形式和计算准则】疲劳点蚀—主要的失效形式

塑性变形

磨损1)失效形式对于一般转速的轴承以疲劳强度计算为依据的进行轴承寿命计算对于高速轴承，进行寿命计算及校验其极限转速（防止粘着磨损）对于低速的轴承，进行不发生塑性变形的静强度计算2)计算准则n=10r/min七、

滚动轴承的寿命计算

同型号的一批轴承，在相同的工作条件下，由于材质、加工、装配等不可避免地存在差异，因此寿命并不相同而呈现很大的离散性，最高寿命和最低寿命可能差40倍之多。一批在相同条件下运转的同一型号的轴承，其可靠度为90℅（即失效率为10℅）时的寿命称为基本额定寿命。换言之，一批同型号轴承工作运转达到基本额定寿命时，已有10℅的轴承先后出现疲劳点蚀，90℅的轴承还能继续工作。用L10（以106r为单位）或工作小时数Lh表示。1.寿命2.基本额定寿命

轴承工作时，滚动体或套圈出现疲劳点蚀前的累计总转数（或工作小时数），称为轴承的寿命。（以106r为单位）3.基本额定动负荷◆基本额定动负荷C：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用C表示。基本额定动负荷表征了轴承的承载能力。对于向心轴承其指纯径向载荷，用Cr表示；对于推力轴承其指纯轴向载荷，用Ca表示。C值可查轴承手册确定。

4.寿命计算公式

根据大量的试验和理论分析结果推导出轴承疲劳寿命的计算公式如下：按预期寿命要求选择轴承型号时，可按下式确定轴承应具备的基本额定动载荷Cc值。5.当量动负荷P的计算

滚动轴承的基本额定动负荷是在向心轴承只受径向负荷、推力轴承只受轴向负荷的特定条件下确定的，轴承往往承受着径向负荷和轴向负荷的联合作用，因此，需将该实际联合负荷等效为一假想的当量动负荷P来处理，在此载荷作用下，轴承的工作寿命与轴承在实际工作负荷下的寿命相同。（1）只承受径向负荷P的径向接触轴承。（2）只承受轴向负荷P的轴向接触轴承。（3）同时承受径向载荷和轴向载荷作用的深沟球轴承和角接触轴承。5.当量动负荷P的计算6.向心角接触轴承的载荷计算（1）向心角接触轴承的附加轴向力角接触轴承受径向载荷Fr作用时，由于其存在接触角α，承载区内任一滚动体上的法向力可分解为径向分力和轴向分力。各滚动体上所受轴向分力的总和即为轴承的附加轴向力Fs

。1.14Fr0.68FreFrFsFr/2YY=0.4cotα圆锥滚子轴承角接触向心球轴承轴承类型角接触轴承半圈承载时的附加轴向力Fs（2）向心角接触轴承的轴向载荷计算

为了使向心角接触轴承能正常工作，通常采用两个轴承成对使用、对称安装的方式。如图所示为成对安装角接触轴承的两种安装方式。正装时外圈窄边相对，轴的实际支点偏向两支点里侧；反装时外圈窄边相背，轴的实际支点偏向两支点外侧。简化计算时可近似认为支点在轴承宽度的中点处。因此在计算轴承所受的轴向载荷时，不但要考虑Fs

与Fa的作用，还要考虑到安装方式的影响。计算两支点轴向载荷的步骤如下：1）根据轴承和安装方式，画出内部轴向力FS1和FS2的方向（即正装时相向，反装时背向）2）判断轴向合力FS1+FS2+FA（计算时各带正负号）的指向，确定被“压紧”和被“放松”的轴承。正装时轴向合力指向的一端为紧端；反装时轴向合力指向的一端为松端；3）压紧端的轴向载荷Fa等于除去压紧端本身的内部轴向力外，所有轴向力的代数和；4）放松端的轴向载荷Fa等于放松端内部的轴向力FS。八、滚动轴承的静强度计算

对于转速很低（n≤10r/min）、基本不转或摆动的轴承，其主要失效形式是塑性变形，因此，设计时必须进行静强度计算。对于虽然转速较高但承受重载或冲击负荷的轴承，除必须进行寿命计算外，还应进行静强度计算。1.基本额定静载荷GB/T4662规定，使受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值（对于调心轴承为4600MPa,所有滚子轴承为4000MPa，所有其他球轴承为4200MPa）的负荷，作为轴承静强度的界限，称为基本额定静负荷，用C0表示（向心轴承指径向额定静负荷C0r，推力轴承指轴向额定静负荷C0a）其值可查阅轴承样本。2.当量静负荷当轴承上同时作用有径向负荷Fr和轴向负荷Fa时，应折合成一个当量静负荷P0，即

若计算出的P0<Fr，则应取P0

=Fr

；对只承受径向负荷的轴承，P0=Fr；对只承受轴向负荷的轴承，P0=Fa

。14.5.3静强度计算静强度计算公式S0为静强度安全系数；若轴承转速较低，对运转精度和摩擦力矩要求不高时，允许有较大接触应力，可取S0<1；对于推力调心轴承，不论是否旋转，均应取S0

≥4。九、滚动轴承的组合设计

为了保证滚动轴承的正常工作，除了要合理选择轴承的类型和尺寸外，还必须正确、合理地进行轴承的组合设计，即正确解决轴承的轴向位置固定、轴承与其他零件的配合、轴承的调整与装拆等问题。（一）

轴承的轴向固定1．内圈的固定①轴肩固定。方便、可靠、最常用。②圆螺母固定。可靠，用于高速轴向力较大时。①②1．内圈的固定①轴肩固定。方便、可靠、最常用。②圆螺母固定。可靠，用于高速轴向力较大时。④弹簧挡圈固定。轻巧，承受的轴向力小，常用于深沟球轴承。③轴端挡圈固定。用于高速轴向力较大时。⑤锥套固定。靠摩擦工作，适用光轴、低速、轻载或经常装拆场合。③④⑤2．外圈固定◆弹簧挡圈固定。简单、方便、紧凑，但能承受的轴向力小。◆轴承端盖固定。最常用，适于高速、轴向力较大时。◆止动环固定。与带有止动槽的轴承配套，用于剖分式轴承座。◆螺纹环固定。用于高速、轴向力较大而不便采用轴承盖时。弹簧挡圈固定轴承端盖固定止动环固定螺纹环固定（二）

轴组件的轴向固定

滚动轴承组成的支承结构必须满足轴组件轴向定位可靠、准确的要求，并要考虑轴在工作中有热伸长时其伸长量能够得到补偿。常用轴组件轴向固定的方法有二种。1．两端固定2．一端固定、一端游动式（三）

轴承组合的调整◆目的：保证轴的回转精度及轴承运转灵活性，简化加工。◆方法：采用调整垫片、调整环、调整螺钉、圆螺母等。调整垫片调整环调整螺钉圆螺母1．轴承间隙的调整2.轴组件位置的调整

某些场合要求轴上安装的零件必须有准确的轴向位置，例如，锥齿轮传动要求两锥齿轮的顶点相重合，蜗杆传动要求蜗轮的中间平面要通过蜗杆的轴线等。这种情况下需要有轴向位置调整的措施。如图所示，为锥齿轮轴组件位置的调整方式，通过改变套杯与箱体间垫片1的厚度，使套杯做轴向移动，以调整锥齿轮的位置。垫片2用来调整轴承间隙（四）滚动轴承的配合

滚动轴承的内圈与轴、外圈与孔之间应根据具体情况来选择不同的配合。由于滚动轴承是标准件，因此轴承内孔与轴的配合应采用基孔制，轴承外圈与轴承座孔的配合应采用基轴制。通常内圈为转动圈，转动圈应采用较紧的配合，如采用n6、m6、K6、js6等，转速愈高、载荷愈大、振动愈大，则配合应紧些，要经常拆卸的轴承，则配合应松些；固定圈（一般为外圈）应采用较松的配合，通常采用J7、J6、H7、G7等。关于配合与公差的详细资料，可参阅机械零件设计手册。（五）

轴承组合支承部分的刚度和同轴度

轴和安装轴承的轴承座或箱体，应具有足够的刚度，同一轴线上的两轴承孔应保证有一定的同轴度，否则会使轴承旋转不灵活，降低传动效率，影响轴承的寿命。

为了使箱体或轴承座在安装轴承处有足够的刚度，可适当增加箱体或轴承座在该处的壁厚，或采用加强肋[图（a）示]为了保证同轴度，尽可能采用整体铸造的箱体或轴承座，并采用相同直径的轴承孔，以便加工时一次定位镗出。如果同一轴上装有不同外径的轴承，为了便于轴承座孔一次镗出，可利用衬筒来安装轴承[图（b）所示]。ab（六）滚动轴承的安装和拆卸◆装配方法：内圈与轴颈采用过盈配合时，可采用压力机压入，或将轴承在油中加热至80~100℃后进行热装。◆拆卸方法：轴承内圈的拆卸常采用拆卸器（三爪）进行。外圈拆卸则用套筒或螺钉顶出。为便于拆卸，轴肩或孔肩的高度应低于定位套圈的高度，并要留出拆卸空间。（七）

滚动轴承的润滑与密封◆目的：减小摩擦和磨损、提高效率、延长寿命、散热、减振、防锈、降低接触应力等。滚动轴承常用的润滑剂有润滑油、润滑脂及固体润滑剂。

（1）脂润滑最常用的滚动轴承的润滑剂为润滑脂。脂润滑通常用于速度不太高及不便于经常加油的场合。其主要特点是润滑脂不易流失、易于密封、油膜强度高、承载能力强，一次加脂后可以工作相当长的时间。润滑脂的填充量一般应是轴承中空隙体积的1/2～1/3。1.滚动轴承的润滑

油润滑适用于高速、高温条件下工作的轴承。油润滑的特点是摩擦系数小、润滑可靠，且具有冷却散热和清洗的作用。缺点是对密封和和供油的要求较高。

（2）油润滑

选用润滑油时可根据温度和dn值由图14-23选出润滑油应具有的粘度值，然后根据粘度值从润滑油产品目录中选出相应的润滑油牌号。常用的润滑方式有：图14-23（1）油浴润滑

轴承局部浸入润滑油中，油面不得高于最低滚动体中心。该方法简单易行，适用于中、低速轴承的润滑。（2）飞溅润滑

这是一般闭式齿轮传动装置中轴承常用的润滑方法。利用转动的齿轮把润滑油甩到箱体的四周内壁面上，然后通过沟槽把油引到轴承中。（3）喷油润滑

利用油泵将润滑油增压，通过油管或油孔，经喷嘴将润滑油对准轴承内圈与滚动体间的位置喷射，从面润滑轴承。这种方式适用于高速、重载、要求润滑可靠的轴承。（4）油雾润滑

油雾润滑需要专门的油雾发生器。这种方式有益于轴承冷却，供油量可以精确调节，适用于高速、高温轴承部件的润滑。2.滚动轴承的密封目的是防止灰尘、水、酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失，以保护轴承。（1）接触式密封◆毛毡圈密封。适用脂润滑，环境清洁，滑动速度低于4~5m/s，温度低于90℃的场合。◆唇形密封圈密封。密封圈为标准件，材料为皮革、塑料或耐油橡胶。分有金属骨架和无骨架、单唇和多唇等形式。适用脂或油润滑，滑动速度低于7m/s，温度-40~100℃。（2）非接触式密封◆间隙密封。靠轴与盖间的细小间隙密封，间隙越小越长，效果越好，δ=0.1~0.3mm。适用脂或油润滑，干燥清洁的环境。◆迷宫式密封。旋转件与静止件间的间隙为迷宫（曲路）形式，并在其中填充润滑脂以加强密封效果。分为径向和轴向两种，径向间隙δ不大于0.1~0.2mm；考虑到轴的热膨胀，轴向间隙应取大些，δ=1.5~2mm。适用脂或油润滑，温度不高于润滑脂的滴点。结构复杂，但密封效果好。3．组合密封。几种密封组合使用。十、

滑动轴承

虽然滚动轴承有一系列优点，在一般机器中获得了广泛使用，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，滑动轴承就显示出它的优异性能。因而在气轮机、离心式压缩机、内燃机、大型电机中多采用滑动轴承；在低速而带有冲击的机器，如水泥搅拌机、滚筒清砂机、破碎机等也采用滑动轴承。10.1滑动轴承的类型和结构

根据轴承所能承受载荷的方向，它可分为向心滑动轴承和推力滑动轴承两类。向心滑动轴承用于承受与轴线垂直的径向力；推力滑动轴承用于承受与轴线平行的轴向力。（1）整体式径向滑动轴承1—轴承座2—轴瓦特点：结构简单，成本低廉。应用：低速、轻载、间歇工作而不需要经常装拆的场合。因磨损而造成的间隙无法调整。只能从轴向装拆，不方便。1．向心滑动轴承（2）剖分式径向滑动轴承特点：结构复杂、可以调整磨损而造成的间隙、装拆方便。应用：需调整间隙、重型轴及经常装拆的场合。1—螺柱2—轴承盖3—轴承座4—上轴瓦5—下轴瓦水平剖分式径向滑动轴承斜剖分式径向滑动轴承（3）自动调心式径向滑动轴承当轴承受到的径向力有较大偏斜时，可采用斜剖分式径向滑动轴承，其剖分角一般为45°。特点：轴瓦与轴承座为球面接触，可自动适应轴的变形。适用：轴的刚度小、制造精度较低的场合。边缘摩擦自动调心式轴承2.推力滑动轴承推力滑动轴承用来承受轴向载荷，典型结构如图所示。轴颈油孔球面推力轴瓦轴承座轴承衬径向轴瓦油孔◆空心式：压力分布较均匀，润滑条件较实心式改善。◆单环式：环形端面受力，结构简单，润滑方便，常用于低速、轻载的场合。◆多环式：可承受较大的单向或双向载荷，但环数较多时，各环间载荷分布不均。◆实心式：端面受力，压力分布不均匀，润滑效果差，边缘磨损快。实心式空心式单环式多环式轴颈的结构形式10.2轴瓦与轴衬1.轴瓦的结构◆整体式轴瓦：也称轴套，用于整体式轴承。需从轴端安装和拆卸，可修复性差。◆剖分式轴瓦：用于剖分式轴承。可以直接从轴的中部安装和拆卸，可修复。2.轴承衬：贴附或浇注在轴瓦内表面上的一层减摩耐磨材料。其与轴颈直接接触，对轴承的工作影响很大。3.油槽形式：油槽的形状和分布应使摩擦副表面得到均匀的润滑。为了不影响轴承的承载能力，油槽应开在非承载区。瓦背轴承衬10.3轴承的常用材料滑动轴承的失效形式：轴承表面的磨损、胶合或疲劳剥落。磨损胶合扩展点蚀疲劳剥落◆减摩性好：摩擦副具有较低的摩擦系数。◆耐磨性好：单位时间的磨损量（磨损率）小。◆抗胶合性好：材料的耐热性与抗粘附性好。◆嵌入性好：材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力、良好的导热性、工艺性和经济性。◆磨合性好：轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力（或性质）。对轴承材料的基本要求1.金属材料（1）轴承合金。又称为巴氏合金或白合金。以较软的锡或铅为基体，其中悬浮锑锡及铜锡硬晶粒。具有良好的嵌入性、摩擦顺应性、磨合性和抗胶合能力。但因强度很低，不能单独作轴瓦，只能作为轴承衬附在青铜或铸铁轴瓦上，其价格较贵。适用于重载、中高速场合。（2）铜合金。有锡青铜、铅青铜、铝青铜和黄铜。铜合金具有较好的强度、减摩性和耐磨性。其中，锡青铜的减摩性和耐磨性最好，但嵌入性和磨合性比轴承合金差，适用于中速及重载场合；铅青铜的抗胶合能力强，适用于高速重载；铝青铜强度和硬度高，抗胶合能力差，适用于低速重载；黄铜是铜锌合金，减摩性和耐磨性比青铜差，但工艺性好，适用于低速中载。（3）铝合金。为铝锡合金，具有强度高、耐腐蚀、导热性好等优点，可用铸造、冲压、轧制等方法制造，适合批量生产。但磨合性差，要求轴颈有较高的硬度和加工精度。可部分代替价格较贵的轴承合金或青铜材料。（4）铸铁。灰铸铁、耐磨铸铁和球磨铸铁。铸铁中的石墨具有润滑作用，价格低廉，但磨合性差。适用于低速、轻载和不重要的场合。2．粉末冶金材料由铜、铁、石墨等粉末经压制、烧结而成多孔隙（10%~35%)材料，又称陶瓷金属。工作前在热油中浸泡几个小时，使孔隙中充满润滑油，工作时轴瓦温度升高，油膨胀后进入摩擦表面进行润滑，停车后由于毛细作用，油又吸回轴瓦内，故又称为含油轴承，可在长时间不加油的情况下工作。但其性脆，适用于中、低速、无冲击、润滑不便或要求清洁的场合。3.非金属材料

◆塑料：酚醛塑料、尼龙、聚四氟乙烯等，具有摩擦因数小、抗压强度高、耐腐蚀性和耐磨性好等优点。但导热能力差，应注意冷却。◆橡胶：具有良好的弹性和减摩性，故常用于以水做润滑剂且环境较脏污之处。其内壁上带有轴向沟槽，以利润滑剂流通，而且还可以增强冷却效果和冲走污物。◆碳—石墨：由不同量和石墨构成的人造材料，石墨量越多材料越软，摩擦因数越小。还可以在其中加入金属、聚四氟乙烯和二硫化钼等。是电动机电刷的常用材料。十一、

滚动轴承与滑动轴承的比较【案例精解】已知：齿轮减速器的高速轴轴承转速4000r/min,采用一对内径40mm的深沟球轴承，已知轴承径向载荷Fr=2000N，轴向载荷Fa=900N,预期寿命[Lh]=4000h,试选择轴承型号。解：1、求当量动载荷P由表，fp=1.3初定由表，得X=0.56，Y=1.9线性插值法计算e=0.232.求基本额定动载荷3.选择轴承型号

由附录表3，按内径d=40mm,选6308轴承Cr=40800N>Crc，C0r=24000N,Fa/C0r=0.0375,仍满足。结论：选用深沟球轴承6308【案例精解】以向心滑动轴承为例介绍其校核过程已知条件：径向载荷Fr

(N)、轴转速n(r/min)、轴颈d(mm)，轴承宽度B(mm)。1．校核轴承压强p(MPa)[p]—材料的许用压强，MPa。2．校核摩擦热v—轴颈圆周速度，m/s；3．校核滑动速度v(m/s)[v]—材料的许用滑动速度[pv]—材料的pv许用值，MPa·m/s【任务实施】1.任务分析

本任务是带式输送机所用的单级齿轮减速器的低速轴的轴承设计，考虑齿轮传动产生的径向载荷、齿轮、轴、键自重，轴承的受力主要是径向载荷，转速也不高，故可考虑优先选用60000型深沟球轴承，然后进行计算选择。

2.任务完成结论参考教材。

【下次任务布置】

（一）预习1、预习任务5.3轴毂联接的分析与设计，观看教学视频，完成网上作业。（二）作业1.在机械设备中为何广泛采用滚动轴承？2.向心角接触轴承为什么要成对使用、反向安装？3.滚动轴承的组合设计要考虑哪几方面的问题？4.轴承常用的密封装置有哪些？各适用于什么场合？5.滑动轴承有哪几种类型？各有什么特点？本任务到此结束，同学们再见！！

《机械分析与设计基础》

情境5典型机械零件的分析与设计

任务5.3轴毂联接的分析与设计1.任务条件

已知单级圆柱齿轮减速器，其低速轴上的零件如图所示。根据前面任务的计算结果，单级圆柱齿轮减速器中直齿圆柱齿轮和低速轴的材料都是45#钢，大齿轮轮毂宽度为B=70mm，与齿轮配合的轴的直径d=60mm，传递的扭矩T=429.51N.mm，载荷稳定。2.任务要求分析和设计轴和齿轮之间联接的普通平键，并进行强度校核。【下达任务】减速器的低速轴系

【能力目标】

1.学会分析与设计键联接、销联2.学会平键的选择设计。151

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按是否可拆分为

一、联接：

将两个或两个以上的物体接合在一起的组合结构。按被联接件之间是否产生相对运动可分为

可拆联接不可拆联接动联接：静联接：即运动副被联接零件间不允许产生相对运动的联接,简称联接。

多次装拆时，不会破坏或损伤联接中的任何一个零件，如键联接、螺纹联接和销联接等。

在拆卸时，至少要毁坏联接中的某一部分才能将被联接件拆开，如焊接、铆接、粘接、过盈配合联接等。

5.3.0联接的概述与认知1.铆接铆接：利用铆钉将被联接件联接在一起的联接。二、常用不可拆联接简介铆接特点：（1）工艺设备简单；（2）抗震、耐冲击；（3）牢固可靠；（4）结构笨重；（5）对被联接件强度削弱较大；（6）工作环境差；2.胶接

胶接：利用胶粘剂在一定条件下把预制的元件联接在一起的联接。（1）不受材料限制；（2）接头应力分布均匀，避免了变形；（3）机械加工量少，重量轻；（4）密封性好，绝缘、耐腐蚀；（5）工艺过程易实现机械化和自动化；（6）强度较低，并随温度增高而降低；（7）耐老化、耐介质性能差，且不稳定。胶接特点：3.焊接焊接：用局部加热方法，将被联接件联成一体的联接（1）工艺简单，操作方便；（2）联接质量好，强度高；（3）联接灵活，重量轻；（4）用材广泛；（5）工人劳动条件好；（6）单件生产成本低，周期短，应用广泛。

焊接特点：4.过盈配合

过盈配合：利用零件间过盈配合形成的紧联接，工作时靠配合面上的摩擦力来传递载荷。过盈配合特点：（1）结构简单。（2）对中性好。（3）对轴削弱较少；在冲击振动载荷下工作可靠。（4）对配合尺寸的精度要求高，表面粗糙度【小结】联接的重点知识动联接静联接可拆联接：键联接销联接螺纹联接小过盈联接焊接铆接粘接大过盈联接不可拆联接：联接的组成

联接的类型机械联接一般由被联接件和联接件组成，有些时候被联接件之间进行直接联接，并无独立的联接件。静联接：

联接的目的动联接：各种运动副实现机械运动便于机械的制造、装配、运输、安装和维护，降低成本。下面重点学习键、销、螺纹联接和轴间联接等可拆联接。

键联接：用来实现轴和轮毂（如齿轮、带轮）之间的周向固定并用来传递运动和转矩的联接，有些还可以实现轴上零件的轴向固定或轴向位移。键联接的组成：轴上的键槽、轮上的键槽、键。键已标准化，为标准件，设计时先选择，再验算。5.3.1键连接的类型

松键联接依靠键与键槽侧面的挤压来传递转矩。键的上表面与轮毂上的键槽底部之间留有间隙，键不会影响轴与轮毂的同心精度。

键是一种标准零件。键联接根据装配时是否预紧，可分为松键联接和紧键联接。松键联接具有结构简单、装拆方便、定心性好等优点，因而应用广泛。这种键不能实现传动件的轴向固定。松键联接包括平键、半圆键和花键联接。

一、

松键联接（一）平键联接

※特点

结构简单、工作可靠、装拆方便，对中良好，因而得到广泛应用。但不能实现轴向固定※结构键主体为各面平行的长方体，轴、轮毂上分别开键槽，键宽=槽宽，键高<槽总深，侧面接触，顶面与轮毂键槽底有间隙

※工作面及工作原理两侧面是工作面，工作时靠键与槽侧面相互挤压传递扭矩

※