0 第10章 (1-8)轴承机械设计基础

机械设计基础

（PPT课件）

在当今日常生活和工程生产中，轴承应用的实例随处可见，如自行车前后轮上使用的滚动轴承、发动机曲轴上使用的滑动轴承等，如上图所示。你还能举出更多轴承应用的实例吗？轴承的结构是怎么样的？在机械设计中轴承该如何选用，使用中又该注意哪些问题呢？自行车前轮花鼓及轴承摩托车发动机曲轴及轴承第10章轴承10.1滚动轴承的结构、类型和特点10.2滚动轴承的选择计算第10章轴承10.4滑动轴承结构及特点10.5滑动轴承常用材料10.6滑动轴承的润滑10.8工程应用案例—带式输送机和纺织机本章知识要点了解常用轴承的分类；掌握轴承类型、型号的选用；掌握轴承的组合设计及寿命的校核。兴趣实践拆卸前后轮，观察自行车前后轴轴承的结构及运动情况。学习目标目前，国内轴承和国外优质轴承在品质上还有明显差距，是哪些因素造成了这个差距？第10章轴承

轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件，如行星齿轮系中的行星轮和带传动中的张紧轮等。

根据轴承中摩擦性质的不同，轴承可分为滑动摩擦轴承（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）两大类。补充概述

按照承受载荷的方向，轴承可分为向心轴承（承受径向载荷，又称径向轴承），推力轴承（承受轴向载荷）和向心推力轴承（同时承受径向和轴向载荷，又称径向止推轴承）。

滑动轴承和滚动轴承各有其优缺点和适用场合。由于滚动轴承是由专业工厂大批量生产并已标准化，且具有摩擦系数小，启动灵活，互换性好，使用维护方便等特点，故目前应用较广泛。补充概述一、滚动轴承的构造

滚动轴承是各类机器中广泛应用的重要机械部件，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的，由于滚动轴承已标准化，由专业工厂大量制造，因此设计者的任务是：①根据承载状况和工况条件，正确选定轴承的类型及尺寸；②进行必要的工作能力计算；③进行合理的轴承组合设计。滚动轴承的类型、结构和特点

滚动轴承的基本结构如下图所示，它由内圈、外圈、滚动体和保持架等四部分组成。内圈常与轴一起旋转，外圈装在轴承座中起支承作用。也有外圈旋转、内圈固定或内外圈都旋转的。滚动轴承的类型、结构和特点滚动轴承的类型、结构和特点

常用的滚动体如图所示，有：球、短圆柱滚子、鼓形滚子、滚针及圆锥滚子等五种。

当内、外圈作相对回转时，滚动体沿着内、外圈上的滚道可限制滚动体的轴向位移，能使轴承承受一定的轴向负荷。滚动轴承的类型、结构和特点

保持架的作用是使滚动体等距分布，避免滚动体相互接触，改善轴承内部的负荷分配。保持架有冲压的和实体的两种。冲压保持架一般用低碳钢板冲压而成，实体保持架通常用铜合金或铝合金等制造。为减小径向尺寸，在要求密封或易于装配等特殊情况下，有些滚动轴承可以没有内圈、外圈、既无内圈又无外圈、无保持架（如滚针轴承），有些特殊滚动轴承可以附设密封圈，防尘盖或锥形紧定套等元件。

滚动轴承的套圈和滚动体一般采用轴承钢制造，淬火硬度达到HRC61～65，工作表面经过磨削抛光。滚动轴承的类型、结构和特点二、滚动轴承的类型及特点1.结构特性

游隙游隙大小对轴承的寿命、噪声、温升等有很大影响，应按使用条件进行合理选择和调整。滚动轴承的类型、结构和特点

接触角

滚动体与外圈滚道接触点的法线与轴承径向平面（端面）之间的夹角称为接触角。接触角α愈大，轴承承受轴向载荷的能力也愈大。各类滚动轴承的公称接触角滚动轴承的类型、结构和特点深沟球轴承接触角滚动轴承的类型、结构和特点

偏斜角

下图所示，轴承外圈的内滚道是球面，球心在轴承中心，因而内圈轴线相对于外圈轴线允许有一定的偏斜角θ，由于这类轴承具有自动调心作用，故称为调心轴承。调心轴承能补偿由于加工、安装误差和轴的变形造成的偏斜角，使轴承保持正常工作。偏斜角滚动轴承的类型、结构和特点滚动轴承的类型、结构和特点2.滚动轴承的分类

按滚动体的形状，轴承可分为球轴承和滚子轴承两种类型。球轴承的滚动体和套圈滚道为点接触，负荷能力低、耐冲击性差，但摩擦阻力小，极限转速高，价格低廉。滚子轴承的滚动体与套圈滚道为线接触，负荷能力高、耐冲击，但摩擦阻力大，价格也比较高。

按滚动体的列数，轴承可分为单列、双列及多列轴承。

按工作时能否自动调心，轴承可分为刚性轴承和调心轴承。滚动轴承的类型、结构和特点

按可承受的外载荷分类：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承；2.滚动轴承的分类夹角α叫作轴承的接触角；夹角β叫作载荷角。滚动轴承的类型、结构和特点在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准的滚动轴承，在国家标准中分为13类，其中，最为常用的轴承大约有下列6类:3.滚动轴承的基本类型和特性深沟球轴承圆柱滚子轴承推力球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承调心球轴承滚动轴承的类型、结构和特点三、滚动轴承的代号

代号用于表征滚动轴承的结构、尺寸、类型、精度等，由GB/T272规定。

滚动轴承代号由前置代号、基本代号和后置代号构成，其代表内容和排列的顺序，见下表: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

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尘

结

构

代

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材

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代

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号五四三二一类

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代

号尺寸系

列代号内

径

代

号宽

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系

列

代

号直

径

系

列

代

号滚动轴承的类型、结构和特点1.基本代号

基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础。除滚针轴承外，基本代号由轴承类型代号、尺寸系列代号及内径代号构成。

轴承的内径代号

内径d的尺寸10～17mm20～480mm

(22、28和32mm除外)500mm以上

（含22、28和32mm）10mm12mm15mm17mm内径代号00010203内径/5的商00000/内径举例中（3）窄系列

深沟球轴承303是指内径为17mm重（4）窄系列深沟

球轴承407是指内径为35mm轻（2）窄系列深沟球轴承2/32是指内径为32mm特轻（1）系列推力圆柱滚子轴承；91/800是指内径为800mm滚动轴承的类型、结构和特点

直径系列代号

对同一内径的轴承，由于使用场合所需承受的负荷大小和寿命不相同，故需使用大小不同的滚动体，则轴承的外径和宽度也随之改变，以适应不同的负荷要求。这种内径相同而外径不同所构成的系列，称为直径系列。

向心轴承推力轴承直径系列超轻超特轻特轻轻中重超轻特轻轻中重原代号8，971，72（5）3（6）491234新代号8，970，123401234轴承的直径系列代号注：括号中的数字分别表示轻宽（5）、中宽（6）尺寸系列。滚动轴承的类型、结构和特点

宽（高）度系列代号同一直径系列（轴承内径，外径相同时）的轴承可做成不同的宽（高）度，称为宽度系列，推力轴承则表示高度系列。宽度系列代号为0（窄）时，在轴承代号中通常省略（在调心滚子轴承和圆锥滚子轴承中不可省略）。直径系列代号和宽度系列代号统称为尺寸系列代号。

轴承的类型代号常用轴承代号为3、5、6、7、N五类，其中0类可省略。

基本代号的编制规则

基本代号中当轴承类型代号用字母表示时，编排时应与表示轴承尺寸的系列代号、内径代号或安装配合特征尺寸的数字之间空半个汉字距。详细滚动轴承的类型、结构和特点2.前置代号前置代号用字母表示成套轴承的分部件，代号及其含义可查阅机械设计手册。后置代号置于基本代号的右边并与基本代号空半个汉字距（代号有符号除外）。3.后置代号

公差等级代号：公差分2、4、5、6(6x)、0级，共五个级别。以/P2、/P4、/P5、/P6(/P6x)为代号，0级不标注。高级低级

游隙代号：游隙分1、2、0、3、4、5共六个组别。以/C1、/C2、/C3、/C4、/C5为代号，0组不标注。游隙值：小大滚动轴承的类型、结构和特点四、滚动轴承的代号示例6308：6─深沟球轴承，3─直径中系列，08─内径d=40mm，公差等级为0级，游隙组为0组；宽度系列为0。N105/P5：N─圆柱滚子轴承，1─直径特轻系列，05─内径d=25mm，公差等级为5级，游隙组为0组；宽度系列为0。7214AC/P4：7─角接触球轴承，2─直径轻系列，14─内径d=70mm，公差等级为4级，游隙组为0组，公称接触角α=15°；宽度系列为0。滚动轴承的类型、结构和特点30213：3─圆锥滚子轴承，2─直径轻系列，13─内径d=65mm，0─正常宽度(0不可省略)，公差等级为0级，游隙组为0组；四、滚动轴承的代号示例6103：6─深沟球轴承，1─特轻系列，03─内径d=17mm，公差等级为0级，游隙组为0组；宽度系列为0注：滚动轴承代号比较复杂，上述代号仅为最常用的、最有规律的部分。具体应用时，若遇到看不懂的代号时，应查阅GB/T272-93。滚动轴承的类型、结构和特点

滚动轴承是标准零件，同学们应能在机械设计过程中，根据使用的要求较合理地选择滚动轴承的类型与规格。

轴承类型的正确选择是在了解各类轴承特点的基础上，综合考虑轴承的具体工作条件和使用要求进行的。选择时主要考虑如下因素。1.轴承所受的载荷

轴承所受载荷的大小、方向和性质是选择轴承类型的主要依据。

载荷大小和性质轻载和中等载荷时应选用球轴承；重载或有冲击载荷时，应选用滚子轴承。滚动轴承的选择计算

载荷方向纯径向载荷时，可选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。纯轴向载荷时，可选用推力轴承。若轴向载荷不太大时，可选用深沟球轴承或接触角较小的角接触球轴承、圆锥滚子轴承；若轴向载荷较大时，可选用接触角较大的这两类轴承；若轴向载荷很大，而径向载荷较小时，可选用推力角接触轴承，也可以采用向心轴承和推力轴承一起的支承结构。即有径向载荷又有轴向载荷时滚动轴承的选择计算2.轴承的转速

高速时应优先选用球轴承；

内径相同时，外径愈小，离心力也愈小。故在高速时，宜选用超轻、特轻系列的轴承。

推力轴承的极限转速都很低，高速运转时摩擦发热严重，若轴向载荷不十分大，可采用角接触球轴承或深沟球轴承来承受纯轴向力。

当由于制造和安装误差等因素致使轴的中心线与轴承中心线不重合时，当轴受力弯曲造成轴承内外圈轴线发生偏斜时，宜选用调心球轴承或调心滚子轴承。3.调心要求滚动轴承的选择计算4.允许的空间

当径向空间受到限制时，可选用滚针轴承或特轻、超轻直径系列的轴承。轴向尺寸受限制时，可选用宽度尺寸较小的，如窄或特窄宽度系列的轴承。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）。滚动轴承的选择计算

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。6.公差等级7.价格

轴承类型不同，其价格也不同，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价高，向心角接触轴承比径向接触轴承价高。公差等级愈高，价格也愈贵。在满足使用要求的前提下，应尽量选用价格低廉的轴承。滚动轴承的选择计算

思考10-1请思考自行车前轮的设计，你自己设想一下该如何选择轴承？轴承又是如何定位的？选择轴承的类型和直径系列按轴径确定轴承内径对没有严格要求的轴承可不进行承载能力验算END进行承系能力验算合格不合格对有较严格要求的轴承滚动轴承选择的一般过程如下：滚动轴承的选择计算1.滚动轴承的主要失效形式

滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效，下列为常见的失效形式：点蚀胶合断裂磨损

套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式，是作为滚动轴承寿命计算的依据。更多失效形式

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。滚动轴承的选择计算2.滚动轴承的计算准则

在确定轴承尺寸时，应针对轴承的主要失效形式进行必要的计算。

对一般运转的轴承，主要失效形式是疲劳点蚀，应按基本额定动载荷进行寿命计算。

对于不转，摆动或转速极低（≤10r/min）的轴承，主要失效形式是塑性变形，故应按额定静载荷进行强度计算。滚动轴承的选择计算1.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。

通常谈的滚动轴承寿命是指滚动轴承的疲劳寿命。

与一般结构件的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的（见下图）。轴承的寿命/（106r）滚动轴承的选择计算2.基本额定寿命

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。寿命的单位若为转数，用L表示；若为工作小时数，用Lh表示。

使轴承的基本额定寿命恰好为一百万（L=106）转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示，单位为N。3.基本额定动载荷滚动轴承的选择计算4.寿命计算公式

根据大量试验和理论分析结果推导出轴承疲劳寿命计算公式如下：C—基本额定动载荷，对向心轴承为Cr，推力轴承为Ca；N

P—当量动载荷，N；ft—温度系数；fp—载荷系数；ε—寿命系数；球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3；n—轴承转速，r/min。滚动轴承的选择计算

如果设计时要求轴承达到规定的预期寿命L′（Lh′），则在已知当量动载荷P和转速n的条件下，可按下式算得轴承应当具有的基本额定动载荷CC，但使CC小于所选轴承的C值：其中，L′（Lh′）—轴承的预期寿命。滚动轴承的选择计算5.当量动载荷P的计算

滚动轴承的基本额定动载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。实际上，轴承往往承受着径向载荷和轴向载荷的联合作用，因此，须将该实际联合载荷等效为一假想的当量动载荷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载荷下的寿命相同。

对于只承受轴向载荷P的轴向接触轴承;

只承受径向载荷P的径向接触轴承；

对于同时承受径向载荷和轴向载荷的深沟球轴承和角接触轴承。式中，X、Y分别为径向载荷系数和轴向载荷系数，查表。滚动轴承的选择计算6.向心角接触轴承轴向载荷Fa的计算当Fae＋Fd2＞Fd1时，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”，轴承1的轴向力为Fa1＝Fae＋Fd2

轴承2的轴向力为Fa2＝Fd2当Fae＋Fd2＜Fd1时，相当于轴承1被“放松”，轴承2被“压紧”，轴承1的轴向力为Fa1＝Fd1

轴承2的轴向力为Fa2＝Fd1－Fae正装反装滚动轴承的选择计算向心推力轴承所受轴向力Fa的计算方法可以归纳为：向心推力轴承所受轴向力Fa的计算方法也可以归纳为：FA与Fd2同向取“+”FA与Fd1同向取“+”即：

确定被“放松”轴承的轴向力仅为其本身派生的轴向力；

被“压紧”轴承的轴向力则为除去本身派生的轴向力后其余各轴向力之合力。

由派生轴向力及外加轴向力的计算与分析，判断被“放松”或被“压紧”的轴承；就一个支点的轴承而言，对比其本身派生轴向力与外加轴向力（另一支点的派生轴向力与外加轴向力之合力），其较大者为该轴承的轴向力。例题滚动轴承的选择计算

对于转速很低（≤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/T4662-93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（对调心轴承为4600MPa，所有其他球轴承为4200MPa，所有滚子轴承为4000MPa）的载荷，作为轴承静强度的界限，称为基本额定静载荷，用C0表示（向心轴承指径向额定静载荷Cr0，推力轴承指轴向额定静载荷Ca0），其值可查阅轴承样本。滚动轴承的选择计算2.当量静载荷P0

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。式中X0和Y0分别为径向载荷系数和轴向载荷系数，如表。

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

。滚动轴承的选择计算3.静强度计算静强度计算公式为：式中，S0为静强度安全系数，对于静止轴承，可查表2；对于旋转轴承，可查表3；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。滚动轴承的选择计算由力分析确定轴承所承受的Fr与Fa计算当量动载荷P=XFr+YFa明确轴承的工作转速n与预计寿命L'计算轴承应满足的基本额定动载荷由轴承样本（手册）查取合适的轴承滚动轴承型号选择的过程滚动轴承的选择计算一、滑动轴承的类型

滑动轴承的类型很多，根据其滑动表面间润滑状态的不同，可分为液体润滑轴承、不完全液体润滑轴承（指滑动表面间处于边界润滑或混合润滑状态）和无润滑轴承（指工作前和工作时不加润滑剂）。

根据液体润滑承载机理的不同，又可分为液体动压润滑轴承（简称液体动压轴承）和液体静压润滑轴承（简称液体静压轴承）。本节主要讨论不完全液体润滑轴承，这类轴承结构简单，制造和维护容易，在机械中应用广泛。滑动轴承结构及特点

思考10-2想一想日常生活及生产中，还有哪些地方使用了滑动轴承？试举3-5例应用。二、滑动轴承的结构形式1.向心滑动轴承的结构形式

整体式外观图滑动轴承结构及特点滑动轴承结构及特点

整体式剖面图滑动轴承结构及特点滑动轴承结构及特点

剖分式滑动轴承主要由轴承座、轴承盖、剖分的上下轴瓦组成。上下两部分由螺栓联接。轴承盖上装有润滑油杯。当载荷方向有较大偏斜时，轴承的剖分面应作相应偏斜，使剖分面与载荷大致垂直。

剖分式

为了安装时容易对中，剖分面上制有阶梯形的定位止口，轴承上部油孔中的小油管亦有止转作用。轴瓦磨损后，可用更换剖分面垫片或重新刮瓦的方法来调整轴承间隙。剖分式轴承装拆方便，应用较广。滑动轴承结构及特点滑动轴承结构及特点滑动轴承结构及特点

间隙可调式

调节轴承间隙是保持轴承回转精度的重要手段。在机床上常采用圆锥面的轴套来调整间隙。如下图所示，转动轴套上两端的圆螺母使轴套作轴向移动，即可调轴承的间隙。内锥式滑动轴承结构及特点外锥式

间隙可调式滑动轴承结构及特点自动调心式自动调心滑动轴承结构及特点2.推力滑动轴承的结构形式

立式推力滑动轴承滑动轴承结构及特点

立式轴环推力滑动轴承滑动轴承结构及特点一、轴瓦的结构和材料1.轴瓦结构

轴瓦是轴承上直接与轴颈接触的零件，轴承体上采用轴瓦是为了节省贵重的轴承材料和便于维修。轴瓦的结构有整体式（亦称轴套）和剖分式两种。

整体式轴瓦通常称为轴套。一般轴套上开有油孔和油沟以润滑，粉末冶金制成的轴套一般不带油沟。整体式轴瓦滑动轴承常用材料

剖分式轴瓦由上、下两半瓦组成，如图所示的铸造剖分式轴瓦。一般下轴瓦承受载荷，上轴瓦不承受载荷。在上轴瓦上开有油孔和油沟，润滑油由油孔输入后，经油沟分布到整个轴瓦表面上。滑动轴承常用材料

油沟和油孔只能开在不承受载荷的区域，以免降低油膜的承载能力。油沟和油室的轴向长度应比轴瓦宽度短，以免油从两端大量流失。轴瓦两端凸肩可以防止轴瓦的轴向窜动并承受一定的轴向力。下面是几种常见的油孔和油沟。滑动轴承常用材料2.轴瓦材料

轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合，当强度不足时，也可能出现疲劳破坏。对轴瓦材料的主要要求是：①良好的减摩性和耐磨性；②足够的抗压、抗冲击和抗疲劳强度性能；③良好的顺应性、嵌藏性、跑合性和润滑性；④导热性好、线膨胀系数小、工艺性好等；轴承材料分为三大类：①金属材料（轴承合金、青铜、铝基合金、减摩铸等）；②粉末冶金材料（含油轴承）；③非金属材料（塑料、橡胶、硬木等）。滑动轴承常用材料一、滑动轴承的润滑轴承润滑的目的主要是为了降低摩擦和减少磨损，同时还可以起到冷却、吸振、防尘、防锈等作用。1.润滑剂常用的润滑剂为润滑油和润滑脂，其中以润滑油应用最广。滑动轴承的润滑

润滑油的选择

选择润滑油时，应综合考虑载荷、速度、摩擦表面状况、润滑方式等条件。选择润滑油粘度的一般原则是：①重载低速、温度高等条件下，应选粘度高的油，便于形成油膜；②高速应选粘度低的油，以免内部摩擦损失过大和发热严重；③加工粗糙、轴承与轴的间隙大的情况应选粘度较高的油；④循环润滑、芯捻润滑应选用粘度较低的油；飞溅润滑应选用高品质，能防止与空气接触而氧化变质或因激烈搅拌而乳化的油；⑤低温工作的轴承应选用粘度低的油。滑动轴承的润滑

润滑脂的选择

润滑脂主要有钠基、钙基、锂基几种。钠基润滑脂耐热性好，但抗水性差；钙基润滑脂则耐热差，抗水性较好；而锂基润滑脂的耐热性，抗水性均较好，但价格贵。滑动轴承的润滑2.润滑方法和润滑装置

轴承的润滑有手工供给（油、脂）和连续供给（油、脂）两种。手工润滑是用油枪向油杯注入润滑油（脂）（常用油杯见下图），手工润滑只能间歇定时供给（油、脂），适用于低速、轻载和不重要场所。旋套式注油油杯滑动轴承的润滑2.润滑方法和润滑装置旋盖式注油油杯滑动轴承的润滑2.润滑方法和润滑装置压配式注油油杯滑动轴承的润滑2.润滑方法和润滑装置连续供油（脂）则润滑充分、可靠，有的还能调节供给量。油环润滑滑动轴承的润滑2.润滑方法和润滑装置针阀式油杯滑动轴承的润滑工程实践例题

5.12节中所提带式输送机，如上图所示，（1）试选用减速器高速轴所用轴承的型号，并计算其允许的最大径向载荷。已知条件：r/min，工作温度，载