机械零部件设计综论课件

机械零部件结构设计综论

机械结构设计的任务是把原理设计建立的方案具体化、结构化，确定及其各零部件的形状、尺寸、材料和热处理、加工精度要求等，绘制出装配图和零件图。我们在前面各章中已经部分提到了结构设计，为了帮之同学建立完整的结构设计思路，我们本章集中介绍结构设计的主要方法和原则。

§17.1概述

一、机械结构设计的作用和步骤结构设计的作用主要包括以下方面：1）结构是及其功能的物质基础：用户购买一台机器，主要是看中了它具有自己需要的功能，而这些功能能否实现，质量如何，主要取决于机械结构，没有结构便没有功能。

2）结构是机械设计计算的基础和计算结果的体现：在计算之前必须初步确定结构，如在传动系统方案设计中决定了要采用齿轮，才会计算齿轮。轴系、轴、轴承、键等的计算是与结构设计密切相关、交叉进行的，而计算结果一般都对结构设计起指导作用。3）结构图是加工和装配的依据：机械的装配图和零件图是加工、装配、检验的依据，它在极大程度上（一般认为是70％～80％）决定了机器的成本。结构设计的一般步骤是：1）在开始结构设计前，必须确定设计任务和制定机器整体方案。此时设计者一般对机械结构方案已经由初步的考虑，并能够由总体出发对机械结构提出要求，如动作要求、运动范围、工作能力、生产率、传动机构的功率、工作条件、加工装配条件、使用条件等，以及对寿命、成本等方面的要求。2）把一个机械系统分为若干个部件，根据初步计算或经验，对每个部件的性能、空间位置、尺寸、重量等都有一个明确的计划和要求。这样不但便于设计，而且液便于制造、装配、修理和多人分工设计以加快进度。如设计人员过少，则应先设计主要部件，后次要部件。对每个部件一般先做初步拾角，再作详细的结构设计。3）设计过程中注意各零件、部件之间的关系尺寸协调，反复进行方案对比，进行必要的修改。设计者应该不断给自己提出问题，例如：（1）这个零部件起什么作用？所采用地结构能否实现？（2）这个零件能否不要？或用其它更好地方法代替？（3）这个部件承受什么样的载荷？可能地失效形式是什么？所用的结构能否避免这些失效？

（4）在运动时是否会发生干涉或碰撞？（5）每个零件或部件由毛坯生产到加工、装配、检测、运输、使用、修理直到报废回收过程会产生什么问题？（6）什么是这一零部件、系统的薄弱环节？损坏后是否会引起严重后果？（7）是否采用了标准件、通用件或能买到的经济适用的成品？（8）材料和热处理是否合适？（9）噪声、振动、腐蚀、潮湿、温度等环境因素是否已经完全考虑过？（10）所采用的方案寿命如何？润滑、维护如何？对环境有无污染？（11）操作是否方便？是否便于学习掌握？安全有无问题？（12）所采用的方案是否经济合理？是否符合有关法律规定？

4）完成图纸以后，必须进行认真的审查，尽量把问题消灭在图纸上。5）为了保护设计者的权利，应该考虑是否申请专利。6）在试制、实验、试用、正式投产及使用过程中，进一步发现问题，不断改进设计。

二、机械结构设计的要求

机械结构设计的主要目标是：保证功能、提高质量、降低成本。要求作到明确、简单、安全可靠。

1）明确主要指功能和工作原理明确。每个零件都有明确的工作任务和实现它所依据的工作原理，要避免冗余的结构，尽量不采用静不定结构。如图所示是大直径旋转工作台的两种结构方案，它要求旋转平稳、低速转动。

图17－1

图a用50～80个车轮3支承，电动机1经过减速箱2、小齿轮带动大齿轮转动，从而使与大齿轮固联的工作台转动。图b支承情况相同，用16组由电动机1、减速箱2组成的传动装置，直接使车轮3转动，驱动、支承两种功能都靠车轮来实现。图17－1

设计中发现，方案a两套机构分工明确，任务分担，结构上矛盾较少。方案b由强度角度考虑，希望车轮所受压力小，但压力不够，主动车轮的摩擦力小，则车轮的驱动力不足，二者产生矛盾。图17－12）简单各零部件结构和形状要简单，数量尽可能少；操作简单，容易掌握；包装简单，运输方便；安装调试、维护简便。3）安全可靠包括机械、操作者、环境三个方面都安全，不受损害。三、机械结构设计的思考方法

在进行机械结构设计时，需要考虑的问题很多，错综复杂，缺乏统一的规律。通过经验发现，作为机械设计者应注意运用的思考、分析、解决问题的方法如下，

1、结构的是功能的物质基础机械设计师要对使用要求作充分的分析和领会，考虑所设计的结构是否满足使用者要求的功能。如设计一个手柄，就要考虑操作人员的力量，手柄转动半径、高度、形状是否符合人手的把握，机器转动时，手柄是否会随之转动而伤人等。

图a所示用螺旋和斜面推动工作台运动，推力大，可以精细调节，但效率低，上升行测绘那个很小；图b是凸轮机构，图c是连杆机构，都可以实现快速上下移动，凸轮还容易实现各种要求的运动规律，行程都较小；图17－2图17－2图d是齿轮齿条传动，图e是螺旋传动，都可以实现较大的推动力，行程比连杆机构和凸轮机构大一些，不适用于快速往复运动；图f是用钢丝绳传动的方案，起重量大，行程可达几十米，但结构庞大。除此之外，还可以采用液压缸、气动缸、电磁铁等，各有特色，我们可以根据需要选择。2、要设计成功，首先要避免机器失效机器不应在使用期内失效，应该有足够的可靠性寿命，在结构设计时要特别注意加强机械的薄弱环节，必要时应设计安全装置、报警装置等。3、考虑零部件最不利的工作情况要考虑机械可能遇到的最不利的情况。如设计其中机构就必须考虑到，在突然停电时，如果重物升在半空，是否会自动下落？滑动轴承在轴承衬磨损后，手否会发生严重事故？

4、最优设计离不开具体条件许多设计的评价与具体情况密切相关。如材料、热处理、环境温度、湿度、水质等都与地区情况有很大关系，有些加工方法受到工厂技术和设备水平的限制，机器的色彩还应考虑各个国家对颜色的不同习惯。因此，许多好的设计是有地区和实践限性的。设计者必须经常注意客观情况的发展，引用新技术、新材料、新工艺，不断提高产品设计水平。

5、取得第一手资料一些重要的结构或数据对机械设计的成功与否直接相关，设计者必须进行调查研究或实验。6、从更多的角度思考设计人员要从使用、毛坯制造、机械加工、检验、装配、实验、修理等各种接触设计的人员角度进行考虑设计可能遇到的问题，及时解决，必要的时候应该召集有关人员或同行专家会议，群策群力、集思广益。

7、由利弊中求平衡许多结构有优点也有缺点，如采用高精度的零部件，会在平稳性、精度、体积、可靠性等方面取得好的结果，但是费用要增加很多。要根据设备的使用需要正确的选择。总之，机械设计师必须做到：广泛思考、提出方案、正确判断、从中选优、深入实际、不断提高、认真细致、仔细校核、努力创新。

§17.2在结构设计中提高机械结构性能的途径

一、提高强度和刚度的结构设计提高机械零部件的强度和刚度主要途径，一方面是减小作用在零部件上的载荷，另一方面是提高承受载荷和抵抗变形的能力。

图17－31、载荷分担如图所示，为一滚动轴承组合结构，向心轴承与推力轴承分别承受径向力荷轴向力，便于设计和调整。

2、载荷均布外载荷由多个零部件分担时，要尽量做到使各个零件之间的载荷均匀分配。如前面看到的回转平台，工作台由几十个车轮支承，用该通过弹簧支承，以使各车轮载荷均匀。

图17－4图17－4

如图所示为一大功率、同轴分流式减速箱，主动小齿轮2经过两条路径把功率传给大齿轮7。为了使两条路径均载，采用了挠性轴结构，减小转矩不均匀分配。

3、减小机械零件的应力集中降低表面粗糙度，采用表面强化处理等措施，提高接触疲劳强度。

4、利用设置肋板的措施提高刚度常用的提高刚度的措施是设置肋板、采用空心结构代替实心结构。如用空心轴代替实心轴、用钢管、工字钢等钢材作机架。

二、提高耐磨性的结构设计

1、改善润滑条件，如采用性能优越的润滑剂，改善润滑方法，合理设计油孔、油沟，控制机器工作温度，改善润滑剂的循环以降低它的温度等。2、合理选择摩擦副的材料和热处理。

3、使磨损均匀，避免局部磨损。如图所示将滚子做成圆柱体，两端局部压力很大，寿命降低。修正轮廓形状可使应力均匀，寿命提高。

图17－5在下图的蜗杆传动中，蜗轮轮齿的接触线随啮合位置变化而移动，在不同的接触位置，接触线与蜗杆线速度之间的夹角大小不同，在靠近中间平面处（图中b点），夹角最小（接近于0º），齿面不易形成油膜。所以采用b图结构，将蜗轮轮齿靠近中间平面的部分挖掉，可以有效地提高蜗轮寿命。

图17－54、调节或补偿可以把机械零件容易磨损的部分，如机床导轨中间部分，做成有一些微小凸起，可以延长其磨损寿命。

三、提高工艺性的结构设计

机械设计人员在保证产品使用要求的前提下，按既定的生产规模，采用生产率高、材料消耗少、容易保证质量和产品成本的结构，称为提高产品工艺性的结构。统计表明，改善产品的工艺性能够使产品成本降低5％～10％，对于个别零部件可能更多。

由产品结构工艺性出发，对产品有以下基本要求：（1）机器的总体布局和整体结构尽可能简单，并合理地划分为若干个部件；（2）尽可能采用标准件、通用件；（3）按生产类型和制造条件合理选择毛坯，使之尽量接近零件地形状，以减少切削加工量；（4）合理选择材料和热处理方法，并按材料特性和加工工艺特点设计零件形状、标注尺寸、提出公差和技术要求；（5）为了提高整机地可靠性和安全性，设计中尽可能采用经过考验的成熟结构。

常见的工艺性问题有以下几种。一、铸造零件的工艺性（1）为了防止浇铸不足，铸件壁厚应大于该零件材料和铸造方法允许的最小值；（2）零件箱壁或肋的交叉处应有过渡圆角，因为尖角处容易产生裂纹，但是圆角不可过大，以避免交点处金属集聚产生疏松；

图17－6（3）铸件应有明显的分型面，尽量避免采用活块，并有斜度一比那取出模型；（4）铸铁的抗压强度高于抗拉强度，应尽量用于受压零件；（5）铸造零件应有足够的刚度，以免在冷却时发生变形；（6）铸造零件应避免大的水平面，避免铁水慢流发生冷隔。

图17－7二、热处理零件的工艺性为了避免热处理零件产生裂纹或变形，应避免尖锐边角，圆角半径应大一些；零件形状简单对称；零件应有足够的刚度，杆状零件长度与直径之比不应太大，板状零件不易太薄。图17－8三、切削加工工艺性（1）被加工表面的几何形状应尽量简单，尺寸统一，如图所示减速器箱体端面应在一个平面上，箱体上各轴承孔处各槽的有关尺寸应保持一致。（2）有相互位置精度的各表面，应该在一次安装中加工。（3）被加工零件应能准确定位，可靠夹紧，加工方便（如便于进刀、退刀），能够保证测量精度的要求。（4）尽量减少加工数目。（5）合理采用组合件或组合表面，如图所示有一半径为r的球面，加工困难，改为在零件上粘接一个直径d=2r的钢球，加工方便。图17－9四、零件的装配工艺性（1）避免两配合面同时装入，如图（上图）所示中，c=d，要求两个轴承同时装入，所以改为如图（下图）所示，c>d，使装配方便。

图17－10（2）应避免装配时加工，如攻丝、钻孔、研磨等。（3）装配时应有定位基准面，特别注意要求对中的零件应该有保证对中的面。（4）尽量减少装配工作量，如图a所示用螺钉联接，可以改为图b所示用塑料直接插入，减少装配工作量。

图17－11四、其它要求

1、提高精度的要求：考虑温度变化的补偿、磨损的补偿、误差缩小和放大的补偿等。2、减小噪声设计，通过减少和避免零件的冲击碰撞、加大零件体积或厚度、盖上零部件的阻尼特性、采用隔振材料等。3、提高耐腐蚀性设计，通过减少应力集中、提高表面的光洁程度、避免零件上的狭缝等。

§17.3轴系结构设计综述

轴系结构由轴及轴上零件组成，轴系结构在工作中应使轴及轴上零件能够实现正确的运动，在工作载荷的作用下能够保证正确的形状和相对位置关系，使轴上零件得到良好的润滑。

轴系结构设计主要要解决轴的结构，轴上零件的组成、结构、尺寸、位置及固定方法，轴上的支承零件与机架的固定方式，轴上零件的润滑与密封方式，定位与调整方式等问题。

轴上零件除包括轴上传动零件意外还包括支承零件、紧固零件、调整零件、润滑零件、密封零件等。轴系结构设计要依据轴的受力情况、转动要求、轴上传动零件和支承零件的位置等因素进行，设计中要综合考虑轴及轴上零件的强度、刚度、振动、寿命、可靠性、精度、润滑、密封、工艺性、经济性等技术经济问题。

一、滚动轴承的轴系结构设计

由于影响轴系结构设计的因素很多，而很多因素对结构设计的影响是互相制约的，设计时应根据设计要求对具体问题作具体分析。轴系的工作要求多种多样，轴系结构设计的方法也具有较大的灵活性。下面我们以具体的示例来说明轴系设计的方法。

图17－12

如图所示为一两级直齿圆柱齿轮减速器，由于低速级齿轮载荷较大，斜齿圆柱齿轮有较大的轴向力，轴系支点应选用具有较大承载能力的角接触轴承或圆锥滚子轴承。

为了使轴系结构简化，采用将角接触轴承面对面（轴承传递给轴的轴向力指向中间）安装的结构方式。齿轮的左侧通过轴环实现轴向定位，右侧则通过套筒定位。

图17－13

为了保证套筒与齿轮端面可靠接触，应使与齿轮配合的轴端长度略短于齿轮轮毂宽度。联轴器的右端通过轴肩定位，左端通过轴端挡圈定位。图17－13图17－13

由于轴承只承受单方向的轴向力，只需在轴承内圈内侧和外圈外侧实现轴向定位。左端轴承内圈以轴肩定位，为使拆卸轴承内圈时能将拆卸力作用于内圈，定位轴肩不可过高，具体数据可在滚动轴承手册中查取。

图17－13

右端轴承内圈可以用套筒定位，轴承外圈均通过轴承端盖实现轴向定位。为了保证轴肩与轴环定位可靠，轴肩过渡圆角半径应小于与之配合的零件内径端部的倒角宽度。

图17－13

齿轮与联轴器通过普通平键联接实现与轴的周向定位并传递转矩。轴承端盖与箱体之间装有调整垫片，通过它即可调整轴承的轴向间隙，又可防止润滑油的泄漏。左端盖与轴之间的缝隙是可能漏油的通道，必须采取必要的密封措施，由于此轴转速较低，故采用结构比较简单的毡圈密封方式，最终完成所设计的结构如图所示。

滚动轴承轴系结构的轴向固定方式我们在前面已经有过比较详细的讲述，我们就不再详细讲述，下面主要对滚动轴承及轴上零件的轴向定位和固定方法作一些回顾。

二、滚动轴承及轴上零件的轴向定位和固定方法

为保证轴系功能的实现，轴系要通过正确的结构设计使轴与轴上零件及与机座之间有确定的相对位置关系，并使这种相对位置关系得以保持，在工作载荷的作用下不被破坏。实际上我们在前面已经讲过，这里我们再综合回顾一下。常用的轴向定位方法有以下几种。

图17－141、轴肩和轴环轴肩和轴环是最常用的轴向定位方法之一。轴肩和轴环由定位端面和过渡圆角所组成，通过定位端面与轴上零件端面的接触而限制其轴向移动。为保证轴肩和轴环定位端面与与轴上零件的可靠接触，轴上零件相应位置的倒角宽度和高度应大于过渡圆角半径（如图所示）。

图17－14

为保证轴肩和轴环有足够的承载能力，应使定位面具有一定的实际接触高度和轴环宽度，轴环宽度一般取为轴环高度的1.4倍（b=1.4a）。与滚动轴承配合的轴肩和轴环高度应参照滚动轴承标准选取。轴肩和轴环定位具有较高的定位精度和承载能力。不起定位作用的轴肩高度可以根据强度及装配要求自由选取，通常取1～2mm。

图17－152、圆螺母轴肩和轴环只能限制零件在一个方向上的轴向移动，要限制其在相反方向的移动就必须在零件的另一端加以固定，圆螺母是实现这种固定作用的一种结构。如图所示是用轴肩和圆螺母实现轴向固定的结构实例。

图17－15在结构a中利用双螺母防松，方案b使用花垫片防松。圆螺母常用在轴上多个需要固定的零件的间距较大时，这种固定方式承载能力较大，固定可靠，但由于对轴的强度削弱较大，所以在载荷较大的轴段上不宜使用，常用于轴端零件的轴向固定。

3、套筒套筒定位方式适用于轴上的两个或多个相距较近零件的定位，如图所示。

图17－16图17－16

套筒的使用可以避免在轴上加工多个较高的台阶，避免由于加工多处螺纹对轴强度的削弱，简化轴的结构，又可减少多个定位端面，方便了加工。但由于套筒与轴的配合较松，容易造成质量偏心，轴的转速较高时不宜采用。

图17－174、轴用弹性挡圈弹性挡圈定位结构紧凑、装拆方便，适用于轴上零件受轴向力较小的情况。由于弹性挡圈槽较深，对轴的疲劳强度削弱较大，所以适用于弯矩较小的轴端，常用于滚动轴承的轴向定位，如图所示。

5、紧定螺钉紧定螺钉定位结构简单，既可单独使用，也可与锁紧挡圈联合使用，既可以实现双向轴向固定，又可以作周向固定。紧定螺钉定位只能承受较小的载荷。紧定螺钉按端部形状分为锥端、平端和圆柱端三种。

图17－18

平端紧定螺钉完全靠摩擦力实现固定，承载能力小，固定可靠性差；锥端紧定螺钉在使用前应在轴表面相应的位置钻出锥孔，使固定更牢靠；圆柱端紧定螺钉在使用前应在轴表面相应位置钻出盲孔，使紧定螺钉有更大的承载能力，具体三种结构如图所示。

图17－18图17－196、轴端挡圈轴端挡圈用于轴端零件的轴向固定，如图所示。它常与轴肩或圆锥面联合使用，可以承受较大的轴向力。与圆锥联合使用（图a）可使轴与轴上零件保持较高的同轴度。轴端挡圈可用螺母固定，也可用螺栓或螺钉固定。螺纹联接的防松方法可以采用弹性垫圈防松，也可以采用防松垫片、防松销或串联钢丝防松等。

7、销钉销钉定位兼有定位和固定的作用，既起轴向定位和固定作用，同时又起周向定位和固定作用，它具有很大的轴向及周向的承载能力，同时也对轴引起较大的应力集中，所以通常用于轴端零件的定位。图17－20为保证销与轴及轮毂上的销孔配合良好，应对轴及轮毂上的销孔配钻并配铰。为了拆卸方便，通常使用圆锥销，当销孔为通孔时销的两端露出销孔。当销孔为盲孔时应使用图17－20内螺纹圆锥销等结构便于拆卸。8、其它方法此外还有紧定套（如图所示）用于调心轴承的固定。

图17－21孔用弹性挡圈（如图a所示）用于滚动轴承外圈与箱体的轴向定位；止动环（如图b所示）用于带有止动环槽的滚动轴承外圈与箱体的轴向定位；螺纹环等轴向固定方式（见图所示）

图17－22三、轴承间隙及轴系轴向位置调整方法

通常的滚轴承轴系工作中要求轴系有适当的轴向间隙（除轴向预紧轴系外）。轴系的初始间隙通过装配过程中的调整来实现。轴系零件在工作中的磨损造成轴向间隙增大，需要通过调整来补偿。有些轴系工作中要求轴系具有准确的轴向位置，需要通过正确的调整来确定。轴系结构设计中要充分考虑轴向调整的需要，设置必要的调整环节，该环节设置的位置、数量、调整方式及调整范围应根据功能需要合理选择。

图17－23

如图所示的正安装两端单向固定轴系中，通过合理选配轴承端盖与箱体之间垫片的厚度调整轴承间隙。

如图，通过嵌入式端盖固定轴承外圈（剖分式箱体结构），也要通过改变端盖与轴承间垫片的厚度调整轴承间隙。这是在装配过程中进行调整的方法。

图17－24图17－25

如果轴系需要经常对轴系间隙进行调整时，应采用更方便的调整方法，如图所示。该结构是通过调节螺钉改变压盖的位置方法调整轴承间隙，调整工作可在不破坏轴系装配关系的条件下进行，六角螺母起防松作用。

图17－26有些传动零件对轴系的轴向位置有严格的要求，例如锥齿轮传动要求两轮节圆锥顶点重合（如图所示），蜗杆传动要求蜗杆轴线通过蜗轮的中间平面，这些要求都要通过调整轴系的轴向位置来实现。

当同一轴系有两个参数需要调整时至少应设置两个调整环节，如图所示的锥齿轮轴系中的轴承间隙和节锥点位置这两个参数需要调整，在每个轴系中都设置了两图17－26组调整垫片。四、滚动轴承的配合

滚动轴承的配额和是指滚动轴承内圈与轴的配合及外圈与孔的配合。滚动轴承的配合直接影响轴承的定位和固定效果，影响轴承的工作间隙。为了保证滚动轴承的正常工作，并具有一定的旋转精度，应使轴承工作时具有一定的间隙。

向心轴承出厂时具有原始间隙，装配后由于内圈与轴及外圈与孔之间的过盈配合使间隙变小，工作中的受力使间隙加大，由于内圈的散热条件比外圈恶劣，工作温升使间隙变小，这些因素综合作用所形成的间隙称为工作间隙。工作间隙的大小对滚动轴承元件的受力、轴系的旋转精度、轴承的寿命及温升都有很大的影响，合理地选择滚动轴承的配合是改善轴承工作间隙，从而影响其它工作性能的重要手段。

1、滚动轴承配合的特点（1）由于滚动轴承是标准组件，只能通过改变与滚动轴承配合的轴颈和孔的尺寸满足配合要求，所以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。

（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。根据国家标准规定，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。如图所示为滚动轴承内、外圈的公差带位置及与之配合的轴和孔的公差带位置。（3）滚动轴承是标准组建，在装配图中进行尺寸标注时，不需要标注滚动轴承的公差符号，而只需要标注与之配合的轴和孔的公差符号。（4）滚动轴承的座圈是薄壁零件，由于配合中过盈量与载荷的作用使座圈的形状趋向于与之配合的轴或孔的形状，所以与滚动轴承配合的轴或孔表面的形状误差和过大的表面粗糙度都会传递给滚动轴承，影响滚动轴承的工作性能，所以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。

2、滚动轴承配合的选择滚动轴承设计中应根据滚动轴承所承受的载荷情况、工作温度、拆装条件等因素合理地选择。（1）载荷的大小和方向轴承所受载荷较大时，在载荷作用下配合容易松动，应选用较紧地配合。轴承工作中，当载荷的方向固定时，固定工作受到局部载荷地作用，为避免载荷长时间集中作用在固定座圈的一个点上，造成轴承过早失效，固定座圈应选用较松地配合，使其在载荷地作用下能稍有转动，变换座圈的受力位置。旋转座圈受到循环载荷的作用，为避免座圈松动造成相配合零件的磨损，应选用较紧的配合。

（2）轴承的工作温度由于滚动轴承中的发热使轴承的工作温度通常高于相邻零件的温度，温度变化使轴承外圈与孔的配合比常温时更紧，轴承内圈与轴的实际配合比常温时更松，考虑这些因素，当轴承的工作中发热量较大，散热条件较差时，应将外圈的配合选的稍松些，内圈的配合选的稍紧。

（3）轴承的固定形式轴系中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。对于依靠轴承外圈相对于孔的轴向移动实现支点游动的轴承，外圈与孔的配合应采用间隙配合G7或H7等。（4）轴承的拆装条件剖分式轴承座与轴承外圈应选用较松的配合。需要经常拆卸、更换的轴承，特别是拆装较困难的重型轴承应选用较松的配合。对于设计寿命长，通常不要拆卸的轴承可选用较紧的配合。（5）轴承精度等级选用高精度的轴承通常希望获得较高的旋转精度，但是轴承的旋转精度不仅与轴承的制造精度有关，而且与相配合的轴与孔的尺寸精度、形状与位置精度及表面粗糙度有关。在选用高精度轴承的同时也应提高与之相配合的轴和孔的加工精度要求。以上仅介绍了常用的一般原则，但由于影响因素的复杂，设计中通常根据同类机器的使用经验采用类比的方法确定。在有关手册中可以查阅到有关各种常见机器中所使用的轴承配合及相应的形位公差和表面粗糙度资料。

§17.4提高轴系结构性能的措施

轴系结构的性能与轴系结构的组成有关，与不同零件的组合方式，零部件的尺寸、形状及他们之间的相对位置等因素有关，下面从强度、刚度、精度、结构工艺性等几个方面进行讨论。一、提高轴强度的措施通过正确的结构设计可以有效地降低轴上危险截面处地载荷，从而提高轴的强度。

1、合理安排轴上载荷的传递路线如图a所示的结构中，最大转矩为T1＋T2

，通过变换输入零件的位置，演变为图b所示的结构，最大转矩为T1，有效地降低了最大载荷处地载荷。

图17－27图17－282、改善轴上零件结构如图所示为一长轮毂结构，图中a所示结构地最大弯矩出现在轴地中间，弯矩值较大，如果将轮毂中部设计成如图b所示地中空结构，则使轴上地最大弯矩得到极大降低，改善受力情况。

3、减小应力集中轴类零件通常承受交变载荷，应力集中是影响轴的疲劳强度的重要因素，通过结构设计减小应力集中是提高轴的承载能力的有效措施。轴上尺寸的突然变化会引起应力集中，应尽量减缓尺寸变化的程度，减小应力集中对轴强度的影响，如图所示的结构可以有效地减轻轴上台阶处地应力集中程度。

图17－29

在轴上载荷较大的轴段处应尽量减小可能削弱轴强度的结构，以及减小对轴强度的削弱程度，如图所示为分别用端铣刀和盘铣刀加工的键槽结构，由于用盘铣刀加工键槽端部尺寸变化缓慢，所以当轴受弯矩作用时键槽端部应力集中较小。应避免多个引起应力集中的结构出现在同一截面处。例如键槽通常部加工到台阶处，以避免键槽端部和轴台阶处所引起的应力集中效应叠加。

图17－304、提高轴颈的表面品质轴上的最大应力通常出现在轴颈表面上，轴颈的表面品质对轴的疲劳强度有显著的影响。设计中可以通过选择适当的表面加工方法提高表面品质以提高轴的疲劳强度。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。

二、提高轴刚度的措施

1、合理选择轴截面的形状

2、改善支承支承的方式和跨距的选择对轴的强度和刚度都有很大的影响，如图所示表示了锥齿轮常见的两种轴系结构。

图17－31

方案a中的轴系采用正安装（面对面）方式，结构简单、安装方便，但是悬臂端较长，使轴的刚度变差；方案b中的采用反安装（背对背）方式，使支点位置外移，悬臂端刚度增大。

图17－31

如图所示为锥齿轮轴系结构中将小锥齿轮的轴系结构由悬臂支承改为简支支承，有效改善了轴系的刚度，但是结构也更复杂。

图17－32三、改善轴的结构工艺性

进行轴的结构设计时要充分考虑从毛坯制备、切削加工、热处理直到安装、调整的整个过程中工艺可能和方便。对轴进行切削加工时通常要进行多次装卡，为使装卡中能方便的获得有足够的定位基准，进行轴结构设计时通常在轴的两端设有中心孔。

如果轴上有多个键槽应将键槽设计在同一母线上，使得可以通过一次装卡完成对所有键槽的加工；同一根轴上的圆角应尽可能取统一的尺寸；轴上的配合轴段不宜设计的过长，因为过长的配合轴段既不利于加工，又不利于装配；为使装配方便，在轴的端部应设有倒角，通常角度为45º；

在有过盈配合的轴段的端部应设有30º的导向锥面，并将轴上的键槽开到导向锥面上，以便于安装时键与键槽的对中（如图所示）。

图17－33四、提高滚动轴承轴系刚度及精度的措施

提高轴系的刚度对提高轴系的旋转精度、减少振动和噪声，减轻由于轴系的形状和位置变化而引起的轴承偏载，提高轴承寿命非常有益。1、提高轴承支承刚度和精度要提高轴系的刚度首先应提高支承轴承的轴承座（机架）的刚度，以保证轴承孔在受力时能保持正确的形状、位置和方向。

图17－34

如图a所示中轴承座力作用中心点与箱体壁中心距离较大，支承刚度差，方案b中轴承支撑点更靠近箱体壁中心，并在轴承座下增加肋板，使支承刚度得到提高。

2、选择刚度大的轴承不同类型的滚动轴承刚度差别很大。轴承刚度主要与滚动体形状、接触点当量曲率半径、接触线长度及同时承载的滚动体数量等因素有关。滚子轴承比球轴承的刚度高很多，多列滚子轴承比单列滚子轴承的刚度更大，深沟球轴承接触点处的当量曲率半径比调心球轴承大，因此刚度也更大，滚针轴承因其接触线较长因而具有很大的刚度，但由于对偏载过于敏感，极限转速过低而使其应用受到限制

如图所示为常用轴承类型刚度比较。

图17－353、采用多支点轴系对刚度要求较高而且跨距较大的轴系可以采用多支点轴系结构。多支点轴系结构是在双支点结构的基础上增加辅助支点构成的，辅助支点不承受轴向力。多支点轴系是静不定结构，支点受力对轴及轴承孔的同轴度误差非常敏感，所以在采用这种结构时应对轴和轴承孔的同轴度公差提出较高的要求。

4、轴承预紧轴承预紧是指在装配过程中通过某些方法使轴承中产生并保持某种形式的预紧载荷，预紧载荷的作用是消除轴承间隙，并使滚动体与座圈的接触点处产生预变形。通过预紧可以使滚动轴承在工作载荷的作用下具有较高的刚度和旋转精度。如果被预紧的轴承是向心推力轴承（角接触球轴承或圆锥滚子轴承），则预紧载荷通常为轴向载荷；如果被预紧的轴承是向心轴承（通常为圆柱滚子轴承），则预紧力为径向载荷。预紧力的作用会使滚动轴承摩擦阻力增大，工作寿命降低，预紧结构在使用中要严格控制预紧力的大小。

轴向预紧的向心推力轴承通常使成对使用，预紧通常通过在轴承内外圈之间施加预加变形实现，如图所示。图a所示为预紧结构施加预紧载荷前的情况，通过将两轴承外圈内侧磨薄而使两外圈产生轴向间隙。图b所示为预紧后的情况，通过拧紧螺纹环使两外圈靠紧，产生预紧载荷，通过控制轴承外圈的磨薄量实现对预紧载荷的控制。

图17－36向心推力轴承常用的预紧结构如图所示。

图a为正安装的角接触球轴承的组合，通过磨薄外圈内侧控制预紧量；

图17－36图17－36

图b是反安装结构，通过磨薄内圈控制预紧量；图c和d分别在组合轴承内圈和外圈之间加装垫片，安装时通过控制固定螺母（或螺纹环）的拧紧深度的方法控制预紧量。以上四种方案适用于同一支点反向成对安装角接触球轴承的情况。

图17－36

方案e和f适用于对安装在轴系的两个支点的一组角接触球轴承进行预紧的情况，通过改变内圈预外圈间套筒的长度控制预紧量；方案g为圆锥滚子轴承的预紧结构。

为提高圆柱滚子轴承的刚度和旋转精度，可以对其进行径向预紧，如图所示结构为双列圆柱滚子轴承的径向预紧结构，这种结构通常用于机床主轴的设计。

图17－37

这种预紧结构中所使用的轴承是内孔为锥形的双列圆锥滚子轴承，装配时通过拧紧轴承左侧的压紧螺母使轴承向锥形大端移动，由于轴承内圈是薄壁零件，在沿锥形移动时直径尺寸增大，使轴承间隙减小或消除，产生预紧载荷。轴承右端的螺母用于控制预紧量。

图17－375、合理配置精度滚动轴承精度的提高可以有效地提高轴系地旋转精度，但是高精度地轴承价格也高，合理配置轴承地精度可以用经济地方法获得较高地轴系精度。机床主轴设计中对主轴前端地旋转精度有较高的要求，主轴前支点和后支点的精度对主轴前端的精度影响程度不同。

如下图，经分析可以知道当主轴前支点的偏差量为δa时（不考虑后支点偏心量的影响），它所引起的主轴前端误差为：

图17－38

当主轴后支点的偏移量为时，它所引起的主轴前端误差为：

可见直轴前支点的误差对主轴前端的精度影响较大，通过提高前支点轴承精度的方法提高主轴旋转精度是比较经济的办法。

五、改善滚动轴承轴系的结构工艺性

图17－39

滚动轴承与轴和孔的配合通常较紧，轴系结构设计中应避免装配时多个接合面同时进入装配位置，如图所示。

图17－40

同一轴上的滚动轴承尺寸尽量相同，这既有利于减少零件规格，又有利于减少加工量。如图a所示的箱体两端孔直径不相同，必须作为两个加工面进行加工；图b的两端孔直径同，两孔可以作为一个加工面进行加工；图c所示两孔虽然直径相同，但孔中有定位台阶，两孔无法一次镗出，如果改成图d所示的套杯结构则可避免镗阶梯孔，有利于加工的实现。

图17－41有些零件间配合较紧，使用过程中需要拆卸维修或更换，在结构设计中要为这些零部件的拆卸提供方便条件。如图所示为采用双层材料的套筒结构，两层材料间采用过盈配合。当内层套筒磨损后如不能用非破坏性的方法将结构拆开，则两个零件都无法重复利用。图中的结构为方便拆卸设置了螺纹孔（一般安排2～4个），当需要拆卸时通过向孔中拧入螺栓可将两个零件分开。

图17－42滚动轴承与轴和孔的配合较紧，结构设计中要为拆卸留有必要的空间，如图所示为专门用来拆卸滚动轴承的工具。为便于工具的操作，滚动轴承内圈应露出轴肩足够的高度。如果因为某些原因无法为拆卸工具留出应有的高度时，可在轴肩上沿周向加工三个槽，以备拆卸工具使用。§17.5润滑和密封结构设计

一、润滑方式概述我们知道，润滑和密封对于机械设计来说至关重要，是任何一个设计人员不可回避的重要课题，我们在前面各章已经做过一些论述，但为了帮助同学更好全面了解润滑和密封的结构设计，我们在此进行专门的研究。一般来说，对润滑方式和润滑装置的基本要求有：1）能够按规定要求实现和油量准确地向润滑点供油；2）节约、合理用油，使油料受污染程度达到最小；3）结构简单，尽可能系列化、标准化，便于使用和维修，价格低廉；4）工作可靠，对重要场合应有报警及工况检测装置。

润滑方式和装置有各种形式的分类，根据配置的位置可分为分散润滑和集中润滑。根据作用的实现可以分为间歇润滑和连续润滑。根据供油的方式可以分为无压润滑和压力润滑。根据油的循环性质可分为不循环润滑、循环润滑和混合式三种。

根据采用的润滑剂分类可以分为如表多种方式。

润滑方式油润滑人工加油润滑

浸油润滑（油浴润滑）滴油润滑飞溅润滑油绳、油垫润滑油环、油链润滑压力供油润滑集中润滑循环润滑不循环润滑油雾润滑

脂润滑人工加脂润滑装填密封润滑压力供脂润滑固体润滑整体润滑覆盖膜润滑组合、复合材料润滑粉末润滑二、常用润滑方式及装置

润滑方式及装置地选择主要应根据机器零部件的用途和特点、工作规范和条件、摩擦副尺寸和采用的润滑剂及供油量要求等来决定。低速、轻载、工作时间短或不连续运转等需油量较少的机械，一般采用手工定期加油、加脂，滴油或油绳、油垫润滑。尽可能选用各种标准油嘴、油杯、油枪等。中速、中载、较重要的机械，要求连续供油并起一定冷却作用，常用油浴、油环、飞溅润滑或压力供油润滑。

高速、轻载机械零部件，如齿轮、轴承等，发热量较大，采用喷雾润滑效果较好。高速、重载、供油量大的重要零部件应采用压力供油循环润滑。当有大量润滑点和自动化程度较高的重要机械设备或车间、工厂建立自动化润滑系统时可使用集中润滑装置。

图17－431、人工加油（脂）润滑最简单的方法是直接在需要润滑的部件作出加油孔即可用油壶、油枪进行加油，也可在油孔处装设油环，如旋套式注油杯（图a）、压配式注油杯（图b）、旋盖式油杯（图c，主要供给润滑脂，润滑脂是靠杯盖的旋拧而被挤出的）、压注油杯（图d，润滑脂注油，需要专用油枪加脂）。

油杯除能储存一定的油（脂）量外，还可以防止污物进入，但其供油时间较短，可靠性不高、这种方法一般只适用于低速、轻载的简易机械。2、滴油油杯润滑手动滴油油杯（图a）是在机器启动前用手按下手柄1，使活塞杆2向下运动将油压出，预先供给摩擦副几滴油作润滑用。弹簧3用以使活塞杆回升。这种装置主要用于间歇工作机器的轴承（多为滑动轴承）上。图17－44图17－44

针阀式注油油杯（图b）是利用手柄竖直或放平来操纵针阀的开闭，用调节螺母控制针阀提升高度，从而调节油孔开口大小和滴油量。这种装置常用于要求供油可靠的机器中。

3、油绳、油垫润滑这种润滑方式是用油绳、毡垫、或泡沫塑料等浸在油中，利用毛细管的虹吸作用进行供油，如图所示。油绳和优点本身具有过滤作用，能使油保持清洁，供油连续均匀。缺点是：油量不易调节。常用于低、中速和轻载机械上。

图17－454、油环、油链润滑依靠套在轴上的环或链把油从油池中带到轴上再流向润滑部位，如下图所示。如能在油池中

保持一定的油位，这种方法很简单可靠。

图17－46

油环最好做成整体的，为了便于装配也可以做成拼装的，但接头处要平滑以免妨碍转动。油环的直径一般比轴直径大1.5～2倍，通常采用矩形截面，如需要增大供油量可在环的内表面加工出几个圆槽。油环润滑适合于转速为50～3000r/min的水平轴。转速过高，环将在轴上激烈跳动，转速过低，则会带油量不足，甚至环将无法随轴转动。油链与轴、油的接触面积较大，低速时能随轴转动和带起较多的油，因此油链润滑最适合低速机械。

5、浸油及飞溅润滑浸油润滑是将需要润滑的零部件，如齿轮、链轮、凸轮、滚动轴承等的一部分浸在油池中，转动时可将油带到润滑部位，如图所示。

图17－47

飞溅润滑时利用高速旋转的零件或依靠附加的零件将油池中的油飞溅或形成飞沫向需要润滑的部位供油。如润滑部位不能直接被油溅到时（如图a中所示的滚动轴承），则可以利用齿轮转动时将油飞溅到箱盖内壁上，并使之沿特制的沟槽进入轴承。

图17－47

这两种润滑方式都需要利用转动件带油，带油量过少，而转速太高，则会使油产生大量的泡沫和热量，迅速氧化变质，一般推荐在1m/s～15m/s的速度范围内使用。油池要有一定的深度，使油中杂质和水分得以沉淀。油中最好加入抗氧化剂及抗泡沫添加剂。油的温升过高还要采取散热措施。浸油润滑及飞溅润滑都能保证开车后自动连续的供油，停车时自动停止供油，润滑可靠、耗油少，维护简单，在机床、减速器、内燃机等闭式传动中应用较多。

6、油雾润滑有无润滑是利用压缩空气把润滑油从喷嘴喷出，润滑油雾化后随空气弥散到需润滑的表面。由于压缩空气和油雾一起被送到润滑部位，因此有较好的冷却和清洗效果。缺点是排出的油雾会造成污染。

油雾润滑主要用于Dn>6X105mm.r/min的高速轴承及v>5~15m/s的闭式齿轮传动中。图17－48

油雾润滑装置如图所示。主要有喷管1、吸油管2和油量调节器3三个部分组成。压缩空气以一定的速度通过喷管，根据空气动力学的原理，在喷管的喉头4处形成负压区，依靠空气压差从吸管中吸油。

图17－48

油吸入后由油量调节器控制油量进入喷管，在管中被压缩空气雾化并送至润滑部位。油雾压力一般为0.05～0.2MPa。油雾所用压缩空气应先除去水分和杂质，润滑油也需净化。必须要对排出的油雾采用通风装置予以排除，弱油量大，则要妥善回收。

图17－497、压力供油润滑压力供油润滑是用油泵将油压送到润滑部位，供油量充分可靠且易于控制，可带走摩擦热起冷却作用，因此润滑效果好。广泛应用与大型、重型、高速、精密、自动化的各种机械设备中。

如图所示为一种装在机床主轴箱内简单的压力供油装置，它是利用传动轴上的偏心轮1，在轴转动时推动柱塞泵吸油压油，使润滑油经单向阀通过油管送到各润滑点。油的流量可由活塞形成调节，油压范围约为0.1～0.3MPa。

图17－49图17－50

如图所示为一齿轮减速器的压力供油系统简图。该系统能调整油的流量，对循环油起良好的过滤、冷却作用，适用于要求较高的传动供油系统。

8、定时定量集中自动供油润滑系统定时定量集中自动润滑系统是一种较新颖的润滑技术，它能按规定的周期、规定的油量，自动地对设备各个润滑点进行供油。供油采用间歇、全损耗地方式进行。其优点是：1）无论润滑点位置的高低或离油泵的远近，各点的供油量不变；2）润滑周期的长短及供油量可按设计的要求或工作需要事先进行调节，减少了润滑油的损耗，节省了加油工作量；3）润滑油不回收循环使用，使摩擦面始终得到清洁的润滑油，提高了润滑质量；4）自动监控和报警系统完善，润滑可靠；5）零部件多为标准化系列产品，由专业厂家批量生产，使用维修方便简单。

缺点是：系统较为复杂。多用于自动、精密及大型机床以及冶金、矿山、纺织、印刷、塑料等机械中。自动润滑系统是由润滑液压站、定量阀和控制保护等三个基本部分组成。按定量阀的给油方式不同有并列和顺序给油系统之分。

如图所示为并列供油系统。液压站提供一定压力的润滑油，经主油管与并列设置的各定量阀相联接，各定量阀经支油管同时向全部润滑点供油。油泵停转后卸荷，这时定量阀在弹簧的作用下储油，为下一次润滑做好准备。该系统的特点是一个定量阀只对一个润滑点，各定量阀之间无流量及动作的制约关系，故易于合理地布置管道。在管道地末端设置压力继电器，以保证所有润滑点均能得到油。

图17－51三、典型零部件润滑方式的选择

一、滚动轴承滚动轴承一般高速时采用油润滑、低速时采用油脂润滑，润滑方式可以根据速度因数Dn选择，可以根据相关的设计手册确定选用。但总体来讲需要注意以下几点：1）脂润滑结构简单，易于密封，并且能够承受较大的载荷，但润滑脂的装填量一般不超过轴承空间的1/3～1/2，装脂量过多将会引起摩擦发热，影响轴承正常工作；2）浸油润滑时油面不应高于最下方滚动体的中心，立轴的轴承油面不超过轴承宽度的70％～80％，否则搅油能量损失大，易使轴承过热。如果温升过高，还可适当降低油面。

3）滴油润滑常用于中速小轴承。油量一般是每分钟5～6滴，控制供油量使轴承温度不超过70～90ºC。4）喷油润滑是将压力油通过喷嘴喷射到润滑点，润滑及冷却效果好，适用于高速、重载荷轴承。给油压力为0.1～0.5MPa，供油量为0.5～10L/min左右。喷嘴的直径为0.5～2mm以上，安装在离轴承端面约10mm处，发热量较大的轴承可增设2～4个喷嘴。

二、齿轮及蜗杆传动齿轮的润滑方式一般可由齿轮的节圆速度来确定，见下表。

齿轮节圆速度（m/s）润滑方式<0.8脂润滑（涂抹或填充）<10～12浸油润滑3～12飞溅润滑>12～15压力润滑、喷雾润滑

浸油润滑时，为了减少齿轮运动的阻力和油的温升，浸入油中的齿轮深度以1～2个齿高为宜。速度高的还应浅些，建议为0.7倍齿高，但不少于10mm。当速度低时（0.5～0.8m/s），允许浸入深些，可达到齿轮半径的1/6；更低速度时甚至可以达到齿轮半径的1/3。在锥齿轮传动中浸入油中的齿轮深度应达到轮齿的整个齿宽。

图17－52

在多级齿轮减速器中，应尽量使各级传动浸入油中的深度近于相等。如果低速级齿轮浸油太深，为了降低其深度，可对高速级齿轮采用惰轮浸油润滑，或将减速器箱盖或箱体的剖分面做成倾斜的，从而使高速级和低速级浸油深度大致相等。减速器油池的体积平均可按1kW约需0.35～0.7L油量计算（大值用于粘度高的油），齿顶圆至油池底距离不少于30～50mm，以免太浅激起沉降在底部的磨屑或杂质。

图17－53

当齿轮的圆周速度大于12m/s时不宜采用油池润滑，因为搅油损失和发热大，且由于离心力甩油造成齿面润滑不足，故此常用喷油或喷雾润滑。喷油压力约为0.1～0.25MPa，喷嘴一般放在啮入侧（如图），沿齿宽方向个喷嘴之间距离不大于130～180mm。当速度大于25m/s时，喷嘴放在啮出侧散热效果较好。供油量为齿宽每1cm给油0.45L/min。齿轮箱中的温度一般控制在80ºC以下，否则应采取冷却措施。

开式齿轮的润滑可以采用涂抹润滑脂、滴油、油槽浸油等方式供油。

蜗杆圆周速度小于10m/s时可用浸油润滑。当蜗杆下置时，蜗杆浸入油面高度应低于一个齿高，并且不超过蜗杆上滚动轴承的最低滚动体的中心，以免增加搅油损失。当油面符合后一条件而蜗杆未能浸入油中时，可以在蜗杆上设置溅油轮，利用飞溅油来进行润滑。蜗杆上置时，蜗轮浸入油中深度也为一个齿高至蜗轮直径的1/3。图17－54

当蜗杆圆周速度大于10m/s时，必须采用压力喷油润滑才能保证润滑和散热，润滑油应喷至全齿宽，喷油方向应顺着蜗杆啮入侧。

四、密封装置概述

凡是机械设计都不可避免遇到密封问题，尽管我们在前面各个相关章节都已经谈到部分内容，但是在这里我们相对集中的作一简要介绍，增加知识的系统性和加深同学的印象。在润滑系统中，密封装置的作用是防止润滑剂的泄漏并防止外部杂质、灰尘、空气和水分等浸入润滑部位。密封不仅能大量节约润滑剂，保证机器正常工作，提高机器寿命，同时防止污染，改善环境。对密封的基本要求有：1）在要求的压力和温度范围内具有良好的密封性能；2）摩擦阻力小，摩擦系数稳定；3）磨损小，磨损后在一定程度上能够自动补偿，工作寿命长；4）结构简单，尽可能标准化、系列化，便于装拆、维修，价格低。

密封装置可以分为静密封和动密封两大类。动密封又可以按照运动分为移动密封及旋转密封两类，或按接触形式分为非接触密封和接触密封两类，还可以按密封位置分为端面密封和圆周密封两类。常见的密封装置见表格所示。

密封装置静密封直接接触（研合面）密封

垫片、垫圈密封密封胶密封磁流体密封动密封非接触密封迷宫密封螺旋密封磁流体密封离心式密封接触密封毡圈密封密封圈唇形密封机械密封其它图17－55例如如图所示的减速器，其中观察孔盖1、分箱面2、放油塞3、端盖端面4各处为静密封；输入轴5合输出轴6与端盖接合处为动密封，属于旋转密封。

1、旋转密封装置

（一）旋转密封装置的工作机理合选择原则密封的目的主要是防止泄漏。产生泄漏的原因有两个：1）在旋转轴与壳体的动静接合面间有间隙；2）密封的相邻两侧有压力差，促使液体介质流出。消除以上因素即可阻止或减少泄漏，实现密封。旋转密封装置的工作机理可以归纳成以下几点：

1）在动静接合面间安放减磨材料，以填充及利用其弹性变形来实现消除接合面之间间隙，这就是接触式密封，如毡圈密封等。2）允许动静接合面之间有间隙，但设法尽可能增大液体介质通过此间隙时的阻力，或使液体介质通过隙缝时产生压力降，使介质难以流出，这是非接触式密封，如迷宫密封等。3）对液体介质做功，以挡住液体漏出的出路，例如离心甩油盘等；或强迫液体介质向相反的方向流动，例如螺旋密封，也属于非接触密封。4）设置漏油孔导油。

具体选择时应根据具体工作条件，如工作速度、压力、适用温度范围以及其它因素综合考虑选择合理的结构。常用的密封件大都有标准。接触式密封工作装置工作时都有摩擦，消耗功率，引起元件磨损，当摩擦发热温度过高时易引起密封材料老化变质，这是影响密封寿命的主要原因。因此，要注意润滑和冷却。

非接触式密封工作速度一般不受限制，但是难以保证完全不漏。经验证明，并不是缝的越严密封效果越好。某些情况下，如传动箱内因为工作温度升高，增加箱内压力，导致箱内压力升高，此时传动箱上应增设通气装置，有利于箱内箱外压力均衡，防止泄漏。一般来说，采用组合密封结构密封效果会更好一些。

(二)接触式旋转密封装置1、毡圈密封毡圈密封属于填料密封的一种。在端盖或壳体上开出梯形槽，将矩形截面的毡圈放置在槽中以与旋转轴相接触，如图所示。图17－56

毡圈密封装置结构简单，尺寸紧凑；有标准件，成本低廉；对轴的偏心串动不敏感；但摩擦较严重，只适用于低速。脂润滑的地方。用于油润滑（尤其粘度小的油）密封效果很差。毡圈密封工作的滑动速度小于4～5m/s，轴的表面最好经抛光加工。如果轴的硬度高，表面的粗糙度小，使用优质细毛毡，侧工作速度可以达到7～8m/s。毡圈密封的使用温度一般不超过90ºC，使用压力一般为0.1MPa,常用于电机、齿轮传动箱等机械中。毡圈已经是标准件，梯形槽尺寸的设计参照JB/ZQ4606-1986进行，不能随意绘制。

图17－562、密封圈密封圈也是填料的一种，常用耐油橡胶制成。它具有结构简单、摩擦阻力小、安装方便。密封可靠等优点。橡胶圈可以制成圆形、方形、三角形或X形（如图所示），其中最常用的是圆形，但X形较理想，因为它有两道接触面密封，在两道接触面之间可以储油。图17－57

圆形截面胶圈又称为O形密封圈，具有双向密封能力，其尺寸已经标准化了，常用于静密封和往复密封中。胶圈安装在沟槽内受到预压缩而起密封作用。当液体向外泄漏时，密封圈借助于流体的压力挤向沟槽的一侧，在接触边缘上压力增高使密封效果增加。这种随着介质压力升高而提高密封效果的性能叫做“自紧作用”，如图所示。O形密封圈用于旋转密封时，其尺寸设计完全不同于作静密封或往复运动密封时，因为旋转轴与橡胶圈之间摩擦发热很大，而橡胶却有一种特殊的反常性能；若橡胶在拉伸状态下受热，橡胶会急剧的收缩，促使本来已箍在轴上的O形密封圈对轴的箍紧力增大，结果加速了橡胶的老化和磨损。为此在设计时，应使O形密封圈的内径比轴径大3％～5％，并将O形密封圈的初始压缩率设计小一点（如5％～10％）。

这样，在开始运动时，橡胶不受拉伸，待摩擦发热引起橡胶收缩时，恰好把轴箍紧，达到密封的目的。

O形密封圈不能用于高速。例如，当轴直径为30mm时，其最大极限速度为3m/s。另外，还必须提供充分的润滑油，起散热作用。设计O形密封装置时，可以参照GB/T3452.1-1992、GB/T3452.3-1998选择。

图17－583、唇形油封唇形密封又称皮碗密封，常用的有J形和U形截面两种，它们都具有唇形的结构。J形有骨架型油封一般是由弹性橡胶唇、金属骨架和箍紧弹簧组成（如图）。

其中橡胶唇的唇口与轴接触，唇口上用弹簧箍紧，以保证良好的密封。为了增强刚度，橡胶唇内包有钢制骨架，有的唇形油封则装在一个钢套内，均能以一定的过盈配合装入壳体中。

图17－58J形无骨架油封由于刚性较差，装入壳体后需要用压盖进行固定，如上图所示。

图17－59U形唇形油封（如下图所示）一般用于剖分式机壳中。单唇油封安装时要注意安装方向，唇口部要朝向密封的部位，如图中油封方向的是用以防止右边的介质渗漏到左边。

图17－60

油封可以设置一个主唇加一个副唇，或一个主唇加几个副唇（如图所示）。有弹簧压紧的唇口为主唇，其余为副唇。安装时主唇朝内，用以防止液体漏出；副唇朝外用以防尘。有三个副唇的油封多用于灰尘、泥土、砂石特别多的场合。

用耐油橡胶制成的唇形橡胶油封使用的一般工作条件为：滑动速度小于4～12m/s，若轴颈磨削加工，滑动速度可用到接近15m/s；工作压力1MPa；使用温度－40ºC～100ºC。

图17－61

油封可以组合使用，如图a所示为两个油封同向排列，适用于防止单方向渗漏，密封更为可靠。图b所示为两个油封背靠背排列，适用于防止两个方向渗漏。图c为两个油封间设有孔环，可用以添加润滑剂或漏出孔。唇形密封结构设计可以查阅相关手册参照GB/T9877.1-1988等标准进行。

4、机械密封机械密封又称为端面密封。它的主要特点是密封面垂至于旋转轴线，依靠两个密封元件，即动环与静环端面在介质静压力和弹簧力的作用下，相互贴紧来阻止和减少泄漏而达到密封的目的。如图所示

图17－62

该机械密封装置，轴1上有凸爪，带动动环2一起旋转。弹簧3使动环2紧贴在静环5的摩擦面上，保持密封状态。橡胶圈6、7是防止介质从静环5与壳体4之间和动环2与轴1之间的不贴合处渗漏，以确保密封。

图17－62

机械密封摩擦及磨损集中在密封元件上，对轴没有丝毫损伤。密封元件应采用摩擦系数小的耐磨材料。一般动环要求强度好、不易变形，常用铸铁、硬质合金等硬材料制造，具有较好的自润滑性能。机械密封的优点是：密封性能可靠，即密封环磨损，在弹簧作用下仍能保持密合，有自动补偿作用，因此使用寿命长。在高速、高压、高温、高真空及腐蚀介质条件下都有良好的密封效果。其缺点是：组成零件较多，加工装配比较复杂。

目前机械密封可以达到工作速度150m/s，压力35MPa，使用温度-60ºC~1000ºC。机械密封产品种类及结构形式很多，需要根据不同介质、速度、压力及温度等因素合理选择。密封组件有许多已经规格化、系列化可以选用。

(三)非接触式旋转密封装置1、迷宫密封迷宫密封是非接触密封中最常用的一种，即旋转部件和静止部件之间是没有接触的。这种密封的优点是：不受工作速度的限制，可靠、简单、材料选择方便，但允许有一定泄漏。

图17－63

如图所示为直通式迷宫密封，又称沟槽密封，在静止的壳体和转动件之间有0.1～0.5mm的缝隙，并在壳体上车出2～4个环槽，在槽中填满润滑脂，这对使用脂润