機械分析與設(shè)計基礎(chǔ) 課件 情境5 典型機械零件的分析與設(shè)計

《機械分析與設(shè)計基礎(chǔ)》

情境5典型機械零件的分析與設(shè)計

任務(wù)5.1軸的分析與設(shè)計1.任務(wù)條件

如圖所示的帶式輸送機，其單級圓柱齒輪減速器的低速軸（輸出軸）的裝配方案。軸傳遞的功率P=4.29KW，轉(zhuǎn)矩T=429.51N.m，轉(zhuǎn)速n=95.5r/min。根據(jù)前面任務(wù)的計算的結(jié)果，從動齒輪的分度圓直徑d2=340mm，齒輪寬度為B2=70mm。2.任務(wù)要求

設(shè)計輸送機的低速軸，進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定各段長度和直徑，確定軸的結(jié)構(gòu)細節(jié)，學會軸的設(shè)計方法和步驟?！鞠逻_任務(wù)】減速器與低速軸系

【能力目標】1.能夠進行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.能夠用類比法，按扭轉(zhuǎn)強度條件計算的方法進行軸的設(shè)計。4

【知識導航】

學習載體---帶式輸送機6

認知引導圖片(1)直軸光軸

階梯軸㈡按軸的形狀分有：一般情況下，直軸做成實心軸，需要減重時做成空心軸潘存云教授研制5.1.1軸的類型和特點

軸的功用：用來支撐旋轉(zhuǎn)的機械零件，如齒輪、帶輪、鏈輪、凸輪等。1.按軸線的形狀分類

(2)曲軸

曲軸用于將直線往復運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動或?qū)⑿D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線往復運動的軸。如汽車發(fā)動機曲軸、內(nèi)燃機曲軸、空氣壓縮機曲軸等。(1)直軸㈡按軸的形狀分有：（3）撓性鋼絲軸

撓性鋼絲軸是由幾層緊貼在一起的鋼絲層構(gòu)成的。撓性好，可以在傳遞轉(zhuǎn)矩的同時在一定范圍內(nèi)改變軸線方向，將運動靈活地傳遞到指定位置。但傳遞的轉(zhuǎn)矩較小，且不能承受彎矩，主要用于以傳遞運動為主的機械裝置中，如建筑機械（如搗振器）等。(1)直軸(2)曲軸（1）轉(zhuǎn)軸2.按所受載荷不同分類

轉(zhuǎn)軸既傳遞扭矩又承受彎矩。機器中的大多數(shù)的軸都屬于這一類。

既支承回轉(zhuǎn)零件又傳遞動力，同時承受彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種作用的軸，稱為轉(zhuǎn)軸。㈠按承受載荷分有：（2）傳動軸（1）轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸---傳遞扭矩又承受彎矩。傳動軸---只傳遞扭矩【課堂訓練】分析：根據(jù)承載情況下列各軸分別為哪種類型？0軸：Ⅰ軸：Ⅴ軸：Ⅱ軸：Ⅲ軸：Ⅳ軸：傳動軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動心軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動心軸一、設(shè)計方法通常，對于一般軸的設(shè)計方法有兩種，即類比法和設(shè)計計算法。5.1.2軸的設(shè)計方法與步驟1.類比法

類比法是根據(jù)軸的工作條件，與類似的軸進行對比和比較進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并畫出軸的零件圖的方法。用這種方法一般不進行強度校核的計算，設(shè)計時依據(jù)現(xiàn)有的成熟的資料和以前成功的設(shè)計者的經(jīng)驗進行，因此能簡化設(shè)計過程，提高設(shè)計的效率，而且設(shè)計結(jié)果比較可靠和穩(wěn)妥，因此在企業(yè)中應(yīng)用比較廣泛；但這種方法也會帶來一定的盲目性。2.設(shè)計計算法

為了防止疲勞斷裂，對一般的軸必須進行強度計算，其設(shè)計計算的一般步驟如下：（1）根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應(yīng)力。（2）按扭轉(zhuǎn)強度估算出軸的最小直徑。（3）設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)，繪制出軸的結(jié)構(gòu)簡圖。具體內(nèi)容包括：1）擬定軸上零件的裝配方案，繪制出裝配簡圖；2）根據(jù)工作要求確定軸上零件的位置和固定的方式；3）確定各軸段的直徑；4）確定各軸段的長度；5）根據(jù)設(shè)計手冊確定軸的結(jié)構(gòu)細節(jié)，如圓角、倒角和退刀槽等的尺寸。（4）按彎扭合成強度計算的方法進行軸的強度校核。一般在軸上選取2-3處危險截面進行強度校核。如危險截面強度不夠或強度裕度不大，則必須重新修改軸的結(jié)構(gòu)。（5）修改軸的結(jié)構(gòu)后再進行校核計算。這樣反復交替的進行校核和修改，直至設(shè)計出較為合理的軸的結(jié)構(gòu)。

（6）繪制軸的零件圖?！驹O(shè)計任務(wù)】選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作能力計算(強度、剛度)。二、設(shè)計步驟【軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計】根據(jù)軸上零件的安裝、定位以及軸的制造工藝等方面的要求，合理地確定軸的結(jié)構(gòu)形式和尺寸。【工作能力計算】軸的承載能力驗算指的是軸的強度、剛度和振動穩(wěn)定性等方面的驗算。

軸的設(shè)計過程：N

選擇材料

結(jié)構(gòu)設(shè)計

軸的承載能力驗算驗算合格?結(jié)束Y種類碳素鋼：35、45、50、Q235軸的毛坯:一般用圓鋼或鍛件，有時也用鑄鋼或球墨鑄鐵。5.1.3軸的材料及其選擇

合金鋼:20Cr、20CrMnTi、40CrNi、38CrMoAlA等用途：碳素結(jié)構(gòu)鋼因具有較好的綜合力學性能，應(yīng)用較多，尤其是45鋼應(yīng)用最廣。合金鋼具有較高的力學性能，但價格較貴，多用于有特殊要求的軸。如用球墨鑄鐵制造曲軸和凸輪軸，具有成本低廉、吸振性較好、對應(yīng)力集中的敏感較低、強度較好等優(yōu)點。為了改善力學性能正火或調(diào)質(zhì)處理。表10-1軸的常用材料及其主要力學性能

在進行軸的初期設(shè)計時，由于軸承及軸上零件的位置和跨距均不確定，不能求出支反力和彎矩分布情況，因而無法按彎曲強度計算軸的危險截面直徑，只能用估算法來初步確定軸的直徑。初步估算軸的直徑可以采用以下兩種方法：5.1.4軸徑的初步確定1.按類比法估算軸的直徑

這種估算方法是參考同類型的機器設(shè)備，比較軸傳遞的功率、轉(zhuǎn)速及工作條件等，來初步確定軸的結(jié)構(gòu)和尺寸。例如，在一般減速器中，與電動機相連的高速端輸入軸的基本直徑，式中d為電動機軸端直徑。而各級低速軸直徑可按同級齒輪中心距a估算，一般取。配有聯(lián)軸器的軸，以聯(lián)軸器直徑為其最小直徑。2.按抗扭強度初步估算軸的直徑

確定軸段直徑大小的基本原則：最小軸徑dmin的確定:軸段直徑大小取決于作用在軸上的載荷大??；1.按軸所受的扭矩估算軸徑，作為軸的最小軸徑dmin。4.有配合要求的零件要便于裝拆。3.安裝標準件的軸徑，應(yīng)滿足裝配尺寸要求。2.有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標準直徑。T—扭矩，[τT]—許用應(yīng)力，WT—抗扭截面系數(shù)，P—功率，n—轉(zhuǎn)速，d—計算直徑，A0—材料系數(shù)。

一、軸各部分名稱1.軸頸：軸上與軸承配合的部分，稱為軸頸。2.軸頭：與傳動零件配合的部分，稱為軸頭。3.軸身：連接軸頸與軸頭的非配合部分，稱為軸身。4.軸肩：起定位作用的階梯軸上截面變化的部分，稱為軸肩。5.軸環(huán)：形成軸肩的環(huán)形部分，稱為軸環(huán)。5.1.4軸徑的初步確定二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的目的，主要是確定軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸。由于影響軸的結(jié)構(gòu)的因素很多，故軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有較大的靈活性和多樣性，但應(yīng)滿足如下要求：（1）軸和軸上的零件要有準確的工作位置（軸向和周向的定位和固定）。（2）軸上的零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整。（3）軸的直徑應(yīng)適合所配合零件的標準尺寸。（4）軸應(yīng)具有良好的加工工藝性。（5）軸的受力位置布局要合理，以提高軸的剛度和強度。（6）軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中，以提高疲勞強度。1.設(shè)計目的和要求要求潘存云教授研制設(shè)計任務(wù)：使軸的各部分具有合理的形狀和尺寸。設(shè)計要求：1.軸應(yīng)便于制造，軸上零件要易于裝拆；(制造安裝)2.軸和軸上零件要有準確的工作位置；(定位)3.各零件要牢固而可靠地相對固定；(固定)4.改善應(yīng)力狀況，減小應(yīng)力集中。軸端擋圈帶輪軸承蓋套筒齒輪滾動軸承典型軸系結(jié)構(gòu)2.設(shè)計任務(wù)和要求三、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟

軸的結(jié)構(gòu)形式取決于軸上零件的裝配方案，如圖5-1-6（a）所示。裝配方案要確定軸上零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系。軸上零件的裝配方案不同，軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。為了便于軸上零件的裝拆，常將軸做成階梯狀。在滿足使用要求的情況下，軸的形狀和尺寸應(yīng)力求簡單，以便于加工。設(shè)計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選擇。（一）確定軸上零件的裝配方案方案一方案二潘存云教授研制擬定軸上零件的裝配方案：就是確定軸上零件的裝配方向、順序、和相互關(guān)系。潘存云教授研制

軸上零件的裝配方案不同，則軸的結(jié)構(gòu)形狀也不相同。設(shè)計時可擬定幾種裝配方案，進行分析與選擇。

方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一個零件，加工工藝復雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理。

對比一下，那個方案較好？

方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一個零件，加工工藝復雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理。

在擬定軸上零件的裝配方案時，涉及軸上零件的軸向定位與固定以及軸上零件的周向定位和固定。確定了這些，軸的形狀才能得到落實。（二）軸上零件的定位與固定1.軸向定位2.周向定位沿著軸中心線的方向進行定位，有確定而且固定的工作狀態(tài)。沿著直徑的方向進行定位，一般要求是不能產(chǎn)生相對運動，軸能夠帶動與其配合的零件一起轉(zhuǎn)動。潘存云教授研制1.軸向定位與固定

4、5間的軸肩使齒輪在軸上定位，1、2間的軸肩使帶輪定位，6、7間的軸肩使右端滾動軸承定位。軸肩----階梯軸上截面變化之處。起軸向定位作用。

軸肩套筒定位方法：軸肩、套筒、圓螺母、擋圈、軸承端蓋。潘存云教授研制軸向固定由軸肩、套筒、螺母或軸端擋圈來實現(xiàn)。齒輪受軸向力時，向右是通過4、5間的軸肩，并由6、7間的軸肩頂在滾動軸承的內(nèi)圈上；向左則通過套筒頂在滾動軸承的內(nèi)圈上。帶輪的軸向固定是靠1、2間的軸肩和軸端當圈。雙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無法采用套筒或套筒太長時，可采用雙圓螺母加以固定。軸肩的尺寸要求:r<C1

或r<R軸環(huán)寬b≈1.4h(與滾動軸承相配合處的h和b值,見軸承標準)DdrR軸端擋圈雙圓螺母DdC1rh≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm裝在軸端上的零件往往采用軸端擋圈圓錐面定位。hhC1DdrDdrRbh潘存云教授研制潘存云教授研制軸向力較小時，可采彈性擋圈或緊定螺釘來實現(xiàn)。總結(jié)：軸上零件的軸向位置必須固定，以承受軸向力或不發(fā)生軸向竄動。零件軸向定位的方式常取決于軸向力的大小。軸向定位和固定的方法主要有兩類：一是，利用軸本身的結(jié)構(gòu)，如軸肩、軸環(huán)、圓錐面、過盈聯(lián)接等定位方式；二是，利用附件，如套筒、圓螺母、彈性擋圈、軸端擋圈、緊定螺釘和軸承端蓋等定位方式。潘存云教授研制潘存云教授研制潘存云教授研制2.周向定位與固定

軸上零件的周向固定是為了防止零件與軸發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。常用的固定方式有：鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、成型聯(lián)接、銷聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接、緊定螺釘聯(lián)接等。生產(chǎn)實際中，大多采用鍵、花鍵、過盈配合或型面聯(lián)接等形式來實現(xiàn)。

為了加工方便，鍵槽應(yīng)設(shè)計成同一加工直線上，且緊可能采用同一規(guī)格的鍵槽截面尺寸。鍵槽應(yīng)設(shè)計成同一加工直線分析軸上零件的定位和固定（軸向，周向）方式潘存云教授研制潘存云教授研制課堂練習（三）各軸段直徑和長度的確定確定軸段直徑大小的基本原則：

最小軸徑dmin的確定:軸段直徑大小取決于作用在軸上的載荷大?。唬?）按軸所受的扭矩估算軸徑，作為軸的最小軸徑dmin。（2）有配合要求的軸段，應(yīng)盡量采用標準直徑。（3）安裝標準件的軸徑，應(yīng)滿足裝配尺寸要求。（4）有配合要求的零件要便于裝拆。

T—扭矩，[τT]—許用應(yīng)力，WT—抗扭截面系數(shù)，P—功率，n—轉(zhuǎn)速，d—計算直徑，A0—材料系數(shù)。1.各軸段直徑確定標準直徑應(yīng)按優(yōu)先數(shù)系選取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優(yōu)先數(shù)----表中任意一個數(shù)值。大于10的優(yōu)先數(shù)，可將表數(shù)值分別乘以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值軸的材料Q235-A3,2045

常用的與軸相配的標準件有滾動軸承、聯(lián)軸器等。配合軸段的直徑應(yīng)由標準件和配合性質(zhì)確定。1)裝配軸承與滾動軸承配合段軸徑一般為5的倍數(shù)；(φ20~385mm)

與滑動軸承配合段軸徑應(yīng)采用標準直徑系列軸套：…32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70…..2)裝配聯(lián)軸器配合段直徑應(yīng)符合聯(lián)軸器的尺寸系列：聯(lián)軸器的孔徑與長度系列孔徑d3032353840424548505565606365…長系列82112142短系列6084107長度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裝配，減少配合表面的擦傷的措施：H7/r6H7/D11H7/r6

為了便于軸上零件的拆卸，軸肩高度不能過大。2)

配合段前端制成錐度；3)

配合段前后采用不同的尺寸公差。1)

在配合段軸段前應(yīng)采用較小的直徑；結(jié)構(gòu)不合理！1.有軸向定位要求時

d大=

d小+

(

5~10)軸徑的變化原則:潘存云教授研制潘存云教授研制2.區(qū)分加工面：d大=d小+

(1~3)2.確定軸段長度

（1）為保證軸上零件軸向定位可靠,與零件配合部分的軸段,

軸段長度=輪轂長-(2～3mm)，即L軸=L轂-(2?3)。（2）有相對運動的零件之間,應(yīng)留間隙△L。（3）軸環(huán)寬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

為便于軸上零件的裝拆，一般軸都做成從軸端逐漸向中間增大的階梯狀。在滿足使用要求的前提下，軸的結(jié)構(gòu)越簡單，工藝性越好。零件的安裝次序（四）軸的結(jié)構(gòu)工藝性裝零件的軸端應(yīng)有倒角，需要磨削的軸端有砂輪越程槽，車螺紋的軸端應(yīng)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）提高軸的強度的常用措施圖示為起重機卷筒兩種布置方案。A圖中大齒輪和卷筒聯(lián)成一體，轉(zhuǎn)距經(jīng)大齒輪直接傳遞給卷筒，故卷筒軸只受彎矩而不傳遞扭矩。圖b中軸同時受彎矩和扭矩作用。故載荷相同時，圖a結(jié)構(gòu)軸的直徑要小。輸出T1輸出T2輸入輸出T1輸出T2輸入Tmax=T1+T2Tmax=T11.改進軸上零件的結(jié)構(gòu)當軸上有兩處動力輸出時，為了減小軸上的載荷，應(yīng)將輸入輪布置在中間。T2T1T1+T2T1T1+T2T2合理不合理T2.合理布置軸上零件Q方案a軸徑大軸徑小潘存云教授研制3.改進軸的局部結(jié)構(gòu)可減小應(yīng)力集中的影響合金鋼對應(yīng)力集中比較敏感，應(yīng)加以注意。應(yīng)力集中出現(xiàn)在截面突然發(fā)生變化或過盈配合邊緣處。應(yīng)力集中處

措施：1)

用圓角過渡；2)盡量避免在軸上開橫孔、切口或凹槽;R3)重要結(jié)構(gòu)可增加卸載槽、過渡肩環(huán)、凹切圓角、增大圓角半徑。也可以減小過盈配合處的局部應(yīng)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軸上開減載槽應(yīng)力集中系數(shù)可減少40%輪轂上開減載槽應(yīng)力集中系數(shù)可減少15~25%增大軸的直徑應(yīng)力集中系數(shù)可減少30~40%d1.05d3）采取增加卸載槽、增大軸徑、過渡肩環(huán)、凹切圓角、等也可以減小過盈配合處的局部應(yīng)力。30?r凹切圓角過渡肩環(huán)1.06~1.06dd4.改善軸的表面質(zhì)量可提高軸的疲勞強度1）表面愈粗糙

疲勞強度愈低；

提高表面粗糙度；軸的表面粗糙度和強化處理方法會對軸的疲勞強度產(chǎn)生影響2）表面強化處理的方法有：▲

表面高頻淬火；▲

表面滲碳、氰化、氮化等化學處理；▲

碾壓、噴丸等強化處理。

通過碾壓、噴丸等強化處理時可使軸的表面產(chǎn)生預壓應(yīng)力，從而提高軸的疲勞能力。潘存云教授研制潘存云教授研制分析該軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計思路和方法課堂練習山東科技職業(yè)學院機電學院軸系結(jié)構(gòu)改錯圖中有一處錯誤，請改正。錯誤原因r>c

使得軸上零件與軸肩的配合不夠緊密。山東科技職業(yè)學院機電學院軸系結(jié)構(gòu)改錯圖中有四處錯誤，請改正。錯誤原因4.圓螺母無法裝入。1.軸肩太高，滾動軸承無法拆卸。2.軸上未留退刀槽，不便于螺紋加工。3.軸承左邊造成無法定位。山東科技職業(yè)學院機電學院軸系結(jié)構(gòu)改錯圖中有三處錯誤，請改正。錯誤原因3.滾動軸承內(nèi)圈與軸的配合為過盈配合，無需鍵聯(lián)接。1.輪轂上鍵槽未開通，零件無法裝入。2.套筒無法裝入應(yīng)改為軸肩。山東科技職業(yè)學院機電學院軸系結(jié)構(gòu)改錯錯誤原因圖中有三處錯誤，請改正。3.同一軸上的兩個平鍵應(yīng)布置在同一母線，否則不便于軸的加工。1.鍵太長，右端套筒無法裝入。2.輪轂上鍵槽未開通，右端齒輪無法裝入。山東科技職業(yè)學院機電學院

例題一：指出圖中軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不合理之處，并繪出改進后的結(jié)構(gòu)圖。2.齒輪右側(cè)未作軸向固定；1.軸兩端均未倒角；7.軸端擋圈未直接壓在軸端輪轂上。6.齒輪與右軸承裝卸不便；3.齒輪處鍵槽太短；4.鍵槽應(yīng)開在同一條直線上；5.左軸承無法拆卸；山東科技職業(yè)學院機電學院

例題二：指出圖中軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不合理之處，把錯誤地方的序號和錯誤的原因字母在答題區(qū)上對應(yīng)在一起。2.軸承端蓋應(yīng)頂住軸承外環(huán)；1.應(yīng)有調(diào)整墊片；7.密封處留有間隙；6.應(yīng)有密封；3.套筒過高；4.不便于固定齒輪；5.應(yīng)有鍵進行齒輪周向定位；8.應(yīng)有連接螺釘。山東科技職業(yè)學院機電學院

例題三：指出圖中軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不合理之處，把錯誤地方的序號和錯誤的原因字母在答題區(qū)上對應(yīng)在一起。2.軸頭長度小于輪轂寬度2-3mm。1.鍵槽太短。7.兩鍵槽中心應(yīng)在同一直線上。6.應(yīng)在軸上開設(shè)聯(lián)軸器定位軸肩。3.軸肩過高，高過軸承內(nèi)圈。4.套筒過高，高過軸承內(nèi)圈。5.缺調(diào)整墊片。山東科技職業(yè)學院機電學院

例題四：指出圖中軸結(jié)構(gòu)設(shè)計中的不合理之處，把錯誤地方的序號和錯誤的原因字母在答題區(qū)上對應(yīng)在一起。2.過定位，輪轂寬應(yīng)大于配合軸段長度；1.鍵過長；7.應(yīng)在軸上開設(shè)聯(lián)軸器定位臺肩；6.應(yīng)設(shè)一軸肩，便于軸承安裝；3.軸承內(nèi)圈軸向定位臺肩過高；4.箱體端面應(yīng)留出和端蓋接觸的凸臺；5.應(yīng)加密封墊圈，端蓋和軸應(yīng)留有間隙8.軸頭應(yīng)開設(shè)鍵槽。山東科技職業(yè)學院機電學院軸系設(shè)計舉例請完成如圖所示的軸系設(shè)計。請選擇齒輪的裝配方向分目錄上一頁山東科技職業(yè)學院機電學院軸系設(shè)計舉例分目錄上一頁返回潘存云教授研制舉例：設(shè)計某圓柱齒輪減速器輸出軸。已知傳遞的功率P=8KW,轉(zhuǎn)速n=280r/min,作用在齒輪上的圓周力Ft=1740N,徑向力，F(xiàn)r=641N,軸向力Fa=286N,齒輪分度圓直徑d2=310mm,齒輪寬度為60mm,軸承采用6208深溝球軸承，作用在軸右端帶輪上外力F=2000N（方向未定）L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：分析：此軸在一般條件下工作，先按扭轉(zhuǎn)強度初步估出軸端最小直徑，然后用類比法確定軸的結(jié)構(gòu)，然后按彎扭合成強度校核。=Fad2軸的設(shè)計實例aad12==準備工作--算出各自設(shè)計的已知參數(shù)一、選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力選用軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查表可知

二、按扭轉(zhuǎn)強度估算軸的最小直徑單級減速器的低速軸為轉(zhuǎn)軸，輸出端軸徑為最小值，

查表可得，取C=118，則

考慮到軸的最小直徑處要安裝聯(lián)軸器，會有鍵槽，故需將直徑增大3%--5%，取d=35mm潘存云教授研制L1L2L3ABCD減速器中齒輪軸的受力為典型的彎扭合成。在完成單級減速器草圖設(shè)計后，外載荷與支撐反力的位置即可確定，從而可進行受力分析。三、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計1、作出裝配簡圖，擬定軸上零件的裝配方案齒輪端面與箱體內(nèi)壁留有距離a=10~15mm滾動軸承端面與內(nèi)壁留有距離s=3~5mm聯(lián)軸器與軸承蓋間留距離l=10~30mm

方案二需要一個用于軸向定位的長套筒，多了一個零件，加工工藝復雜，且質(zhì)量較大，故不如方案一合理。潘存云教授研制潘存云教授研制③2、確定軸上零件的位置和固定方式裝零件的軸端應(yīng)有倒角，需要磨削的軸端有砂輪越程槽，車螺紋的軸端應(yīng)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、軸段①：最小直徑處d1=35mm2、軸段②：d2=d1+2h1h1為定位軸肩h1=(0.07~0.1）×35=2.45~3.5故d2=40mm3、軸段③：d3=d2+2h2h2為非定位軸肩取2.5mm故d3=45mm4、軸段④：d4=d3+2h3h3為定位軸肩h3=R(c)+(0.5~2）查表R(c)=3mmh3取5mm故d4=55mm5、軸段⑤：此段的直徑要根據(jù)要根據(jù)滾動軸承的安裝高度確定，查表d5=47mm6、軸段⑥：d6=d2=40mm

四、確定各軸段的直徑⑤⑥①④①②潘存云教授研制潘存云教授研制③1、軸段①：L1=半聯(lián)軸器的長度-（5~10）mm,

查機械手冊得半聯(lián)軸器的長度為80mm,故L1=70mm2、軸段②：l2=a+s+B(軸承的寬度）+軸承蓋的寬度+l+（2~3）mm取a=15mms=5mm

查手冊B=18mm軸承蓋的寬度初取20mm,取l=15mm,最后L2=75mm3、軸段③：L3=齒輪寬度-(2~3)mm=58mm4、軸段④：L4=1.4h3=1.4×5=7mm5、軸段⑤：L5=a+s=２０mm6、軸段⑥：L6=18mm

五、確定各軸段的長度⑤⑥①④①②潘存云教授研制根據(jù)以上的計算得出L=123mm,K=116mmL/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v=Fad212潘存云教授研制對2點取矩L/2LKFtFrFaFFAFaFrF1vF2v解：1)求垂直面的支反力和軸向力=Fad2六、按彎扭合成強度校核軸徑12潘存云教授研制2)求水平面的支反力3)求F力在支點產(chǎn)生的反力4)繪制垂直面的彎矩圖5)繪制水平面的彎矩圖潘存云教授研制6)求F力產(chǎn)生的彎矩圖7)繪制合成彎矩圖考慮F可能與H、V內(nèi)合力共面a-a截面F力產(chǎn)生的彎矩為：潘存云教授研制潘存云教授研制8)求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩9)求危險截面的當量彎矩扭切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù):α=0.6假如對d2處，可驗算10)校核危險截面的強度上述滿足故設(shè)計滿足要求，并有一定的裕度。11）修改軸的結(jié)構(gòu)----因所設(shè)計的軸的裕度合適，故不必進行修改。12）繪制軸的零件圖----出詳圖（下圖為參考樣圖）武漢科技大學專用作者：潘存云教授總結(jié)：按彎扭合成強度計算軸徑的一般步驟：2.將外載荷分解到水平面和垂直面。求垂直面支撐反力FV和水平面支撐反力FH

;3.作垂直彎矩MV圖和彎矩MH圖

;4.作合成彎矩M圖；5.作轉(zhuǎn)矩T圖；6.彎扭合成，作當量彎矩Me圖；7.危險截面強度校核8、修改軸的結(jié)構(gòu)

9、繪制軸的零件圖1.畫出軸的受力簡圖【任務(wù)實施】1.任務(wù)分析

本任務(wù)中的帶式輸送機，其單級圓柱齒輪減速器的低速軸（輸出軸）上，裝有帶輪、軸承、軸承蓋、套筒、齒輪等零件。為了零件的裝拆方便，軸的直徑一般是從兩端向中間逐段增大，形成階梯軸。設(shè)計時，可按軸的設(shè)計計算法進行。2.任務(wù)完成結(jié)論參考教材。

【下次任務(wù)布置】

（一）預習

1.預習任務(wù)5.2軸承的分析與選擇，觀看教學視頻，完成網(wǎng)上作業(yè)。（二）作業(yè)1.軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容有哪些？應(yīng)注意哪些事項？2.軸上零件的軸向定位方法有哪些？3.分析并指出圖所示的軸系零部件結(jié)構(gòu)中的錯誤，并說明錯誤原因。本任務(wù)到此結(jié)束，同學們再見?。?/p>

《機械分析與設(shè)計基礎(chǔ)》

情境5典型機械零件的分析與設(shè)計

任務(wù)5.2軸承的分析與選擇1.任務(wù)條件

如圖1-2-0所示的帶式輸送機所用的單級齒輪減速器的低速軸軸承轉(zhuǎn)速95.5r/min，軸頸55mm，根據(jù)前面任務(wù)考慮齒輪傳動產(chǎn)生的徑向載荷、齒輪、軸、鍵自重，軸承的徑向載荷，F(xiàn)r=1100N,預期壽命[Lh]=10000h。2.任務(wù)要求

根據(jù)任務(wù)條件，選擇合適的軸承型號?！鞠逻_任務(wù)】減速器的低速軸系

【能力目標】

1.學會滾動軸承的選型設(shè)計。2.學會軸承組合設(shè)計。3.學會滑動軸承的類型和特點。80

知識導航

【導入】滾動軸承的應(yīng)用

在機器中，滾動軸承是用來支承軸的標準部件。由于它可以大大減少軸與孔相對轉(zhuǎn)動時的摩擦力，且具有機械效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，因此應(yīng)用極為廣泛。1.軸承的作用減小摩擦，承受載荷，對機器零部件間位置進行定位。根據(jù)承受載荷方向不同，滾動軸承分為三類：2.滾動軸承的分類一

、滾動軸承的作用和分類向心軸承向心推力軸承推力軸承83二、常用滾動軸承結(jié)構(gòu)1.深溝球軸承外形圖結(jié)構(gòu)圖尺寸圖球滾動體

內(nèi)圈外圈保持架

外徑內(nèi)徑寬度

軸承是標準部件，由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。一般情況下，外圈裝在機器的孔內(nèi)，固定不動；內(nèi)圈套在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動。842.圓錐滾子軸承外形圖結(jié)構(gòu)圖圓錐滾動體

內(nèi)圈外圈保持架

外徑外圈寬總寬尺寸圖內(nèi)徑內(nèi)圈寬

軸承是標準部件，由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。一般情況下，外圈裝在機器的孔內(nèi)，固定不動；內(nèi)圈套在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動。853.推力球軸承外形圖結(jié)構(gòu)圖座圈軸圈球滾動體

軸圈外徑軸圈內(nèi)徑座圈內(nèi)徑座圈外徑高度

軸承是標準部件，由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。一般情況下，外圈裝在機器的孔內(nèi)，固定不動；內(nèi)圈套在軸上，隨軸轉(zhuǎn)動。4.滾動體類型三、滾動軸承的類型與特點1.按滾動體的形狀分◆球軸承：與套圈滾道點接觸，摩擦小。◆滾子軸承：與套圈滾道線接觸，承載能力高。2．按能承受載荷的方向分◆向心軸承：只能承受或主要承受徑向載荷，其接觸角α為。◆推力軸承：只能承受或主要承受軸向載荷，其接觸角α為。3．軸承按其工作時能否調(diào)心,分為:

◆調(diào)心軸承；◆非調(diào)心軸承；4．軸承按滾動體的列數(shù),分為:

◆單列軸承——具有一列滾動體的軸承；◆雙列軸承——具有二列滾動體的軸承；

◆多列軸承——具有多于兩列滾動體的軸承,如三列、四列軸承。三、滾動軸承的類型與特點四、滾動軸承的基本代號（GBT272-2017）前置代號基本代號后置代號

軸承的分

部件代號內(nèi)

部

結(jié)

構(gòu)

代

號密

封

與

防

塵

結(jié)

構(gòu)

代

號保

持

架

及

其

材

料

代

號特

殊

軸

承

材

料

代

號公

差

等

級

代

號游

隙

代

號多

軸

承

配

置

代

號其

它

代

號五四三二一類

型

代

號尺寸系

列代號內(nèi)

徑

代

號寬

度

系

列

代

號直

徑

系

列

代

號1.滾動軸承代號構(gòu)成：基本代號、前置代號、后置代號。代號用于表征滾動軸承的結(jié)構(gòu)、尺寸、類型、精度等。（1）前置代號——表示軸承的分部件。（2）基本代號——表示軸承的類型與尺寸等主要特征。（3）后置代號——表示軸承的精度與材料的特征。2.基本代號五四三二一類型代號尺寸系列代號內(nèi)徑代號寬度系列代號直徑系列代號(1)內(nèi)徑代號(右起一二位)—內(nèi)徑尺寸內(nèi)徑代號0001020304～96內(nèi)徑尺寸10121517代號×5=(20～480mm)(2)尺寸代號(右起三四位)—內(nèi)徑相同、外徑寬度不同a.直徑系列(右起第三位)—結(jié)構(gòu)內(nèi)徑相同、外徑寬度變化向心及向心推力軸承：0、1-特輕、2-輕、3-中、4-重系列；b.寬度系列(右起第四位)—結(jié)構(gòu)內(nèi)徑外徑相同、寬度變化正常寬度0不標（對圓錐滾子軸承(3類)和調(diào)心滾子軸承(2類)不能省略“0”

）

尺寸系列代號由滾動軸承的寬(高)度系列代號組合而成

直徑系列代號向心軸承推力軸承寬度系列代號寬度系列代號801234567912尺寸系列代號7——17—37———————8—08182838485868————9—09192939495969————0—00102030405060709010—1—01112131415161719111—282021222324252627292122238303132333435363739313234—04—24————749414245—————————95——(3)類型代號(右起五位)—軸承類型（表9-1）常用：30209-圓錐滾子、63710-深溝球、71915-角接觸球6深溝球軸承L直線軸承5推力球軸承U外球面球軸承4雙列深溝球軸承NA滾針軸承3圓錐滾子軸承N圓柱滾子軸承29推力調(diào)心滾子軸承9推力圓錐滾子軸承2調(diào)心滾子軸承8推力滾子軸承1調(diào)心球軸承7角接觸球軸承0雙列角接觸球軸承代號軸承類型代號軸承類型滾動軸承

6

2

04GB/T276-1994

滾動軸承

N

22

10

內(nèi)徑代號（d=4×5mm=20mm）尺寸系列代號（02）類型代號（深溝球軸承）

內(nèi)徑代號（d=10×5mm=50mm）尺寸系列代號（22）

類型代號（圓柱滾子軸承）【代號示例

】【基本代號示例】五、

滾動軸承類型的選擇1.影響軸承承載能力的參數(shù)◆游隙：兩套圈之間沿徑向或軸向的相對位移量，相應(yīng)稱為徑向或軸向游隙。其對軸承的壽命、溫升和噪聲有很大影響?！艚佑|角：滾動體與外圈滾道接觸處的公法線與軸承徑向平面間的夾角α

。接觸角越大，軸承承受軸向載荷的能力越大?！羝徊睿狠S承內(nèi)、外圈軸線之間的相對角位移δ。其許用值越大，軸承自動適應(yīng)軸撓曲變形的能力越強?！魳O限轉(zhuǎn)速：滾動軸承在一定的載荷和潤滑條件下，允許的最高轉(zhuǎn)速稱為極限轉(zhuǎn)速。滾動軸承的轉(zhuǎn)速過高會使摩擦面間產(chǎn)生高溫，使?jié)櫥?，從而導致滾動體退火或膠合而產(chǎn)生破壞。

接觸角偏位角2.滾動軸承類型的選擇熟悉軸承的類型和特性，明確使用要求，是合理選擇軸承類型的前提。一般應(yīng)考慮以下因素。（1）承受載荷情況①載荷方向。主要承受徑向力時，選用向心軸承；承受純軸向力時，選用推力軸承；同時承受徑向力和軸向力時，選用角接觸軸承。②載荷大小。承受的載荷較大時，應(yīng)選擇滾子軸承或尺寸系列較大的軸承；反之，選擇球軸承或尺寸系列較小的軸承。③載荷性質(zhì)。載荷平穩(wěn)時，可選擇球軸承；有沖擊和振動時，宜選擇滾子軸承。（2）轉(zhuǎn)速限制轉(zhuǎn)速較高時，可選擇球軸承和輕系列的軸承；反之，可選擇滾子軸承和重系列的軸承；推力軸承的極限轉(zhuǎn)速很低。（3）調(diào)心性要求對軸承的徑向尺寸有限制時，宜選輕系列、特輕系列或滾針軸承；對軸承的軸向尺寸有限制時，宜選窄系列軸承。軸及支承系統(tǒng)的剛性較差或安裝精度較低時，應(yīng)采用調(diào)心球軸承和調(diào)心滾子軸承。（4）允許的空間（5）安裝與拆卸在軸承座不是剖分而必須沿軸向裝拆軸承以及需要頻繁裝拆軸承的機械中，應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)、外圈可分離的軸承（如3類，N類等）；當軸承在長軸上安裝時，為便于裝拆可選用內(nèi)圈為圓錐孔的軸承（后置代號第2項為K）。（7）經(jīng)濟性要求在滿足使用要求的前提下，盡量選用便宜的軸承，以降低成本。普通結(jié)構(gòu)的軸承比特殊結(jié)構(gòu)的軸承便宜，球軸承比滾子軸承便宜，精度低的軸承比精度高的軸承便宜。（6）公差等級滾動軸承公差等級分為6級：0級（普通級）、6級、6X級、5級、4級及2級。普通級最低，2級最高。普通級應(yīng)用最廣。對大多數(shù)機械而言，選用0級公差的軸承足以滿足要求。但對于旋轉(zhuǎn)精度有嚴格要求的機床主軸、精密機械、儀表以及高速旋轉(zhuǎn)的軸，應(yīng)選用高精度的軸承。六、滾動軸承的失效形式及計算準則（一）滾動軸承的主要失效形式1．點蝕軸承工作時，滾動體和滾道上各點受到循環(huán)接觸應(yīng)力的作用，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)（工作小時數(shù)）后，在滾動體或滾道表面將產(chǎn)生疲勞點蝕，從而產(chǎn)生噪聲和振動，致使軸承失效。疲勞點蝕是在正常運轉(zhuǎn)條件下軸承的一種主要失效形式。2．塑性變形軸承受負荷過大或有巨大沖擊負荷時，在滾動體或滾道表面可能由于局部觸應(yīng)力超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形，形成凹坑而失效。這種失效形式主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)速極低或擺動的軸承中。3．磨損潤滑不良、雜物和灰塵的侵入都會引起軸承早期磨損，從而使軸承喪失旋轉(zhuǎn)精度、噪聲增大、溫度升高，最終導致軸承失效。此外，由于設(shè)計、安裝、使用中某些非正常的原因，可能導致軸承的破裂、保持架損壞及回火、腐蝕等現(xiàn)象，使軸承失效。滾動軸承的失效形式

對于極低速條件下工作的滾動軸承，一般不會出現(xiàn)疲勞點蝕。但當載荷很大，滾動體和滾道接觸處的局部應(yīng)力超過材料的屈服極限時，會使軸承的工作表面發(fā)生永久的塑性變形，從而使軸承不能繼續(xù)使用。滾動軸承的失效形式速度過高且散熱不良時會出現(xiàn)膠合。滾動軸承的失效形式（二）

滾動軸承的計算準則

在選擇滾動軸承類型后要確定其型號和尺寸，為此需要真對軸承的的主要失效形式進行計算。其計算準則為：1．對于一般轉(zhuǎn)速的軸承，如果軸承的制造、保管、安裝、使用等條件均良好時，軸承的主要失效形式為疲勞點蝕，因此應(yīng)按基本額定動負荷進行壽命計算。2．對于高速軸承，除疲勞點蝕外其工作表面的過熱而導致的軸承失效也是重要的失效形式，因此除需進行壽命計算外還應(yīng)驗算其極限轉(zhuǎn)速。3．對于低速軸承，可近似認為軸承各元件是在靜應(yīng)力作用下工作的，其失效形式為塑性變形，故應(yīng)按額定靜負荷進行強度計算。103【總結(jié)】【滾動軸承的失效形式和計算準則】疲勞點蝕—主要的失效形式

塑性變形

磨損1)失效形式對于一般轉(zhuǎn)速的軸承以疲勞強度計算為依據(jù)的進行軸承壽命計算對于高速軸承，進行壽命計算及校驗其極限轉(zhuǎn)速（防止粘著磨損）對于低速的軸承，進行不發(fā)生塑性變形的靜強度計算2)計算準則n=10r/min七、

滾動軸承的壽命計算

同型號的一批軸承，在相同的工作條件下，由于材質(zhì)、加工、裝配等不可避免地存在差異，因此壽命并不相同而呈現(xiàn)很大的離散性，最高壽命和最低壽命可能差40倍之多。一批在相同條件下運轉(zhuǎn)的同一型號的軸承，其可靠度為90℅（即失效率為10℅）時的壽命稱為基本額定壽命。換言之，一批同型號軸承工作運轉(zhuǎn)達到基本額定壽命時，已有10℅的軸承先后出現(xiàn)疲勞點蝕，90℅的軸承還能繼續(xù)工作。用L10（以106r為單位）或工作小時數(shù)Lh表示。1.壽命2.基本額定壽命

軸承工作時，滾動體或套圈出現(xiàn)疲勞點蝕前的累計總轉(zhuǎn)數(shù)（或工作小時數(shù)），稱為軸承的壽命。（以106r為單位）3.基本額定動負荷◆基本額定動負荷C：使軸承的基本額定壽命恰好為106轉(zhuǎn)時，軸承所能承受的載荷值，用C表示?；绢~定動負荷表征了軸承的承載能力。對于向心軸承其指純徑向載荷，用Cr表示；對于推力軸承其指純軸向載荷，用Ca表示。C值可查軸承手冊確定。

4.壽命計算公式

根據(jù)大量的試驗和理論分析結(jié)果推導出軸承疲勞壽命的計算公式如下：按預期壽命要求選擇軸承型號時，可按下式確定軸承應(yīng)具備的基本額定動載荷Cc值。5.當量動負荷P的計算

滾動軸承的基本額定動負荷是在向心軸承只受徑向負荷、推力軸承只受軸向負荷的特定條件下確定的，軸承往往承受著徑向負荷和軸向負荷的聯(lián)合作用，因此，需將該實際聯(lián)合負荷等效為一假想的當量動負荷P來處理，在此載荷作用下，軸承的工作壽命與軸承在實際工作負荷下的壽命相同。（1）只承受徑向負荷P的徑向接觸軸承。（2）只承受軸向負荷P的軸向接觸軸承。（3）同時承受徑向載荷和軸向載荷作用的深溝球軸承和角接觸軸承。5.當量動負荷P的計算6.向心角接觸軸承的載荷計算（1）向心角接觸軸承的附加軸向力角接觸軸承受徑向載荷Fr作用時，由于其存在接觸角α，承載區(qū)內(nèi)任一滾動體上的法向力可分解為徑向分力和軸向分力。各滾動體上所受軸向分力的總和即為軸承的附加軸向力Fs

。1.14Fr0.68FreFrFsFr/2YY=0.4cotα圓錐滾子軸承角接觸向心球軸承軸承類型角接觸軸承半圈承載時的附加軸向力Fs（2）向心角接觸軸承的軸向載荷計算

為了使向心角接觸軸承能正常工作，通常采用兩個軸承成對使用、對稱安裝的方式。如圖所示為成對安裝角接觸軸承的兩種安裝方式。正裝時外圈窄邊相對，軸的實際支點偏向兩支點里側(cè)；反裝時外圈窄邊相背，軸的實際支點偏向兩支點外側(cè)。簡化計算時可近似認為支點在軸承寬度的中點處。因此在計算軸承所受的軸向載荷時，不但要考慮Fs

與Fa的作用，還要考慮到安裝方式的影響。計算兩支點軸向載荷的步驟如下：1）根據(jù)軸承和安裝方式，畫出內(nèi)部軸向力FS1和FS2的方向（即正裝時相向，反裝時背向）2）判斷軸向合力FS1+FS2+FA（計算時各帶正負號）的指向，確定被“壓緊”和被“放松”的軸承。正裝時軸向合力指向的一端為緊端；反裝時軸向合力指向的一端為松端；3）壓緊端的軸向載荷Fa等于除去壓緊端本身的內(nèi)部軸向力外，所有軸向力的代數(shù)和；4）放松端的軸向載荷Fa等于放松端內(nèi)部的軸向力FS。八、滾動軸承的靜強度計算

對于轉(zhuǎn)速很低（n≤10r/min）、基本不轉(zhuǎn)或擺動的軸承，其主要失效形式是塑性變形，因此，設(shè)計時必須進行靜強度計算。對于雖然轉(zhuǎn)速較高但承受重載或沖擊負荷的軸承，除必須進行壽命計算外，還應(yīng)進行靜強度計算。1.基本額定靜載荷GB/T4662規(guī)定，使受載最大的滾動體與滾道接觸中心處引起的接觸應(yīng)力達到一定值（對于調(diào)心軸承為4600MPa,所有滾子軸承為4000MPa，所有其他球軸承為4200MPa）的負荷，作為軸承靜強度的界限，稱為基本額定靜負荷，用C0表示（向心軸承指徑向額定靜負荷C0r，推力軸承指軸向額定靜負荷C0a）其值可查閱軸承樣本。2.當量靜負荷當軸承上同時作用有徑向負荷Fr和軸向負荷Fa時，應(yīng)折合成一個當量靜負荷P0，即

若計算出的P0<Fr，則應(yīng)取P0

=Fr

；對只承受徑向負荷的軸承，P0=Fr；對只承受軸向負荷的軸承，P0=Fa

。14.5.3靜強度計算靜強度計算公式S0為靜強度安全系數(shù)；若軸承轉(zhuǎn)速較低，對運轉(zhuǎn)精度和摩擦力矩要求不高時，允許有較大接觸應(yīng)力，可取S0<1；對于推力調(diào)心軸承，不論是否旋轉(zhuǎn)，均應(yīng)取S0

≥4。九、滾動軸承的組合設(shè)計

為了保證滾動軸承的正常工作，除了要合理選擇軸承的類型和尺寸外，還必須正確、合理地進行軸承的組合設(shè)計，即正確解決軸承的軸向位置固定、軸承與其他零件的配合、軸承的調(diào)整與裝拆等問題。（一）

軸承的軸向固定1．內(nèi)圈的固定①軸肩固定。方便、可靠、最常用。②圓螺母固定?？煽?，用于高速軸向力較大時。①②1．內(nèi)圈的固定①軸肩固定。方便、可靠、最常用。②圓螺母固定?？煽?，用于高速軸向力較大時。④彈簧擋圈固定。輕巧，承受的軸向力小，常用于深溝球軸承。③軸端擋圈固定。用于高速軸向力較大時。⑤錐套固定?？磕Σ凉ぷ?，適用光軸、低速、輕載或經(jīng)常裝拆場合。③④⑤2．外圈固定◆彈簧擋圈固定。簡單、方便、緊湊，但能承受的軸向力小?！糨S承端蓋固定。最常用，適于高速、軸向力較大時?！糁箘迎h(huán)固定。與帶有止動槽的軸承配套，用于剖分式軸承座?！袈菁y環(huán)固定。用于高速、軸向力較大而不便采用軸承蓋時。彈簧擋圈固定軸承端蓋固定止動環(huán)固定螺紋環(huán)固定（二）

軸組件的軸向固定

滾動軸承組成的支承結(jié)構(gòu)必須滿足軸組件軸向定位可靠、準確的要求，并要考慮軸在工作中有熱伸長時其伸長量能夠得到補償。常用軸組件軸向固定的方法有二種。1．兩端固定2．一端固定、一端游動式（三）

軸承組合的調(diào)整◆目的：保證軸的回轉(zhuǎn)精度及軸承運轉(zhuǎn)靈活性，簡化加工?！舴椒ǎ翰捎谜{(diào)整墊片、調(diào)整環(huán)、調(diào)整螺釘、圓螺母等。調(diào)整墊片調(diào)整環(huán)調(diào)整螺釘圓螺母1．軸承間隙的調(diào)整2.軸組件位置的調(diào)整

某些場合要求軸上安裝的零件必須有準確的軸向位置，例如，錐齒輪傳動要求兩錐齒輪的頂點相重合，蝸桿傳動要求蝸輪的中間平面要通過蝸桿的軸線等。這種情況下需要有軸向位置調(diào)整的措施。如圖所示，為錐齒輪軸組件位置的調(diào)整方式，通過改變套杯與箱體間墊片1的厚度，使套杯做軸向移動，以調(diào)整錐齒輪的位置。墊片2用來調(diào)整軸承間隙（四）滾動軸承的配合

滾動軸承的內(nèi)圈與軸、外圈與孔之間應(yīng)根據(jù)具體情況來選擇不同的配合。由于滾動軸承是標準件，因此軸承內(nèi)孔與軸的配合應(yīng)采用基孔制，軸承外圈與軸承座孔的配合應(yīng)采用基軸制。通常內(nèi)圈為轉(zhuǎn)動圈，轉(zhuǎn)動圈應(yīng)采用較緊的配合，如采用n6、m6、K6、js6等，轉(zhuǎn)速愈高、載荷愈大、振動愈大，則配合應(yīng)緊些，要經(jīng)常拆卸的軸承，則配合應(yīng)松些；固定圈（一般為外圈）應(yīng)采用較松的配合，通常采用J7、J6、H7、G7等。關(guān)于配合與公差的詳細資料，可參閱機械零件設(shè)計手冊。（五）

軸承組合支承部分的剛度和同軸度

軸和安裝軸承的軸承座或箱體，應(yīng)具有足夠的剛度，同一軸線上的兩軸承孔應(yīng)保證有一定的同軸度，否則會使軸承旋轉(zhuǎn)不靈活，降低傳動效率，影響軸承的壽命。

為了使箱體或軸承座在安裝軸承處有足夠的剛度，可適當增加箱體或軸承座在該處的壁厚，或采用加強肋[圖（a）示]為了保證同軸度，盡可能采用整體鑄造的箱體或軸承座，并采用相同直徑的軸承孔，以便加工時一次定位鏜出。如果同一軸上裝有不同外徑的軸承，為了便于軸承座孔一次鏜出，可利用襯筒來安裝軸承[圖（b）所示]。ab（六）滾動軸承的安裝和拆卸◆裝配方法：內(nèi)圈與軸頸采用過盈配合時，可采用壓力機壓入，或?qū)⑤S承在油中加熱至80~100℃后進行熱裝。◆拆卸方法：軸承內(nèi)圈的拆卸常采用拆卸器（三爪）進行。外圈拆卸則用套筒或螺釘頂出。為便于拆卸，軸肩或孔肩的高度應(yīng)低于定位套圈的高度，并要留出拆卸空間。（七）

滾動軸承的潤滑與密封◆目的：減小摩擦和磨損、提高效率、延長壽命、散熱、減振、防銹、降低接觸應(yīng)力等。滾動軸承常用的潤滑劑有潤滑油、潤滑脂及固體潤滑劑。

（1）脂潤滑最常用的滾動軸承的潤滑劑為潤滑脂。脂潤滑通常用于速度不太高及不便于經(jīng)常加油的場合。其主要特點是潤滑脂不易流失、易于密封、油膜強度高、承載能力強，一次加脂后可以工作相當長的時間。潤滑脂的填充量一般應(yīng)是軸承中空隙體積的1/2～1/3。1.滾動軸承的潤滑

油潤滑適用于高速、高溫條件下工作的軸承。油潤滑的特點是摩擦系數(shù)小、潤滑可靠，且具有冷卻散熱和清洗的作用。缺點是對密封和和供油的要求較高。

（2）油潤滑

選用潤滑油時可根據(jù)溫度和dn值由圖14-23選出潤滑油應(yīng)具有的粘度值，然后根據(jù)粘度值從潤滑油產(chǎn)品目錄中選出相應(yīng)的潤滑油牌號。常用的潤滑方式有：圖14-23（1）油浴潤滑

軸承局部浸入潤滑油中，油面不得高于最低滾動體中心。該方法簡單易行，適用于中、低速軸承的潤滑。（2）飛濺潤滑

這是一般閉式齒輪傳動裝置中軸承常用的潤滑方法。利用轉(zhuǎn)動的齒輪把潤滑油甩到箱體的四周內(nèi)壁面上，然后通過溝槽把油引到軸承中。（3）噴油潤滑

利用油泵將潤滑油增壓，通過油管或油孔，經(jīng)噴嘴將潤滑油對準軸承內(nèi)圈與滾動體間的位置噴射，從面潤滑軸承。這種方式適用于高速、重載、要求潤滑可靠的軸承。（4）油霧潤滑

油霧潤滑需要專門的油霧發(fā)生器。這種方式有益于軸承冷卻，供油量可以精確調(diào)節(jié)，適用于高速、高溫軸承部件的潤滑。2.滾動軸承的密封目的是防止灰塵、水、酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇?，以保護軸承。（1）接觸式密封◆毛氈圈密封。適用脂潤滑，環(huán)境清潔，滑動速度低于4~5m/s，溫度低于90℃的場合?！舸叫蚊芊馊γ芊狻Ｃ芊馊闃藴始?，材料為皮革、塑料或耐油橡膠。分有金屬骨架和無骨架、單唇和多唇等形式。適用脂或油潤滑，滑動速度低于7m/s，溫度-40~100℃。（2）非接觸式密封◆間隙密封?？枯S與蓋間的細小間隙密封，間隙越小越長，效果越好，δ=0.1~0.3mm。適用脂或油潤滑，干燥清潔的環(huán)境?！裘詫m式密封。旋轉(zhuǎn)件與靜止件間的間隙為迷宮（曲路）形式，并在其中填充潤滑脂以加強密封效果。分為徑向和軸向兩種，徑向間隙δ不大于0.1~0.2mm；考慮到軸的熱膨脹，軸向間隙應(yīng)取大些，δ=1.5~2mm。適用脂或油潤滑，溫度不高于潤滑脂的滴點。結(jié)構(gòu)復雜，但密封效果好。3．組合密封。幾種密封組合使用。十、

滑動軸承

雖然滾動軸承有一系列優(yōu)點，在一般機器中獲得了廣泛使用，但是在高速、高精度、重載、結(jié)構(gòu)上要求剖分等場合下，滑動軸承就顯示出它的優(yōu)異性能。因而在氣輪機、離心式壓縮機、內(nèi)燃機、大型電機中多采用滑動軸承；在低速而帶有沖擊的機器，如水泥攪拌機、滾筒清砂機、破碎機等也采用滑動軸承。10.1滑動軸承的類型和結(jié)構(gòu)

根據(jù)軸承所能承受載荷的方向，它可分為向心滑動軸承和推力滑動軸承兩類。向心滑動軸承用于承受與軸線垂直的徑向力；推力滑動軸承用于承受與軸線平行的軸向力。（1）整體式徑向滑動軸承1—軸承座2—軸瓦特點：結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。應(yīng)用：低速、輕載、間歇工作而不需要經(jīng)常裝拆的場合。因磨損而造成的間隙無法調(diào)整。只能從軸向裝拆，不方便。1．向心滑動軸承（2）剖分式徑向滑動軸承特點：結(jié)構(gòu)復雜、可以調(diào)整磨損而造成的間隙、裝拆方便。應(yīng)用：需調(diào)整間隙、重型軸及經(jīng)常裝拆的場合。1—螺柱2—軸承蓋3—軸承座4—上軸瓦5—下軸瓦水平剖分式徑向滑動軸承斜剖分式徑向滑動軸承（3）自動調(diào)心式徑向滑動軸承當軸承受到的徑向力有較大偏斜時，可采用斜剖分式徑向滑動軸承，其剖分角一般為45°。特點：軸瓦與軸承座為球面接觸，可自動適應(yīng)軸的變形。適用：軸的剛度小、制造精度較低的場合。邊緣摩擦自動調(diào)心式軸承2.推力滑動軸承推力滑動軸承用來承受軸向載荷，典型結(jié)構(gòu)如圖所示。軸頸油孔球面推力軸瓦軸承座軸承襯徑向軸瓦油孔◆空心式：壓力分布較均勻，潤滑條件較實心式改善?！魡苇h(huán)式：環(huán)形端面受力，結(jié)構(gòu)簡單，潤滑方便，常用于低速、輕載的場合?！舳喹h(huán)式：可承受較大的單向或雙向載荷，但環(huán)數(shù)較多時，各環(huán)間載荷分布不均。◆實心式：端面受力，壓力分布不均勻，潤滑效果差，邊緣磨損快。實心式空心式單環(huán)式多環(huán)式軸頸的結(jié)構(gòu)形式10.2軸瓦與軸襯1.軸瓦的結(jié)構(gòu)◆整體式軸瓦：也稱軸套，用于整體式軸承。需從軸端安裝和拆卸，可修復性差。◆剖分式軸瓦：用于剖分式軸承?？梢灾苯訌妮S的中部安裝和拆卸，可修復。2.軸承襯：貼附或澆注在軸瓦內(nèi)表面上的一層減摩耐磨材料。其與軸頸直接接觸，對軸承的工作影響很大。3.油槽形式：油槽的形狀和分布應(yīng)使摩擦副表面得到均勻的潤滑。為了不影響軸承的承載能力，油槽應(yīng)開在非承載區(qū)。瓦背軸承襯10.3軸承的常用材料滑動軸承的失效形式：軸承表面的磨損、膠合或疲勞剝落。磨損膠合擴展點蝕疲勞剝落◆減摩性好：摩擦副具有較低的摩擦系數(shù)。◆耐磨性好：單位時間的磨損量（磨損率）小。◆抗膠合性好：材料的耐熱性與抗粘附性好?！羟度胄院茫翰牧先菁{硬質(zhì)顆粒嵌入，從而減輕軸承滑動表面發(fā)生刮傷或磨粒磨損的性能。此外還應(yīng)有足夠的強度和抗腐蝕能力、良好的導熱性、工藝性和經(jīng)濟性?！裟ズ闲院茫狠S瓦與軸頸表面經(jīng)短期輕載運行后，形成相互吻合的表面形狀和粗糙度的能力（或性質(zhì)）。對軸承材料的基本要求1.金屬材料（1）軸承合金。又稱為巴氏合金或白合金。以較軟的錫或鉛為基體，其中懸浮銻錫及銅錫硬晶粒。具有良好的嵌入性、摩擦順應(yīng)性、磨合性和抗膠合能力。但因強度很低，不能單獨作軸瓦，只能作為軸承襯附在青銅或鑄鐵軸瓦上，其價格較貴。適用于重載、中高速場合。（2）銅合金。有錫青銅、鉛青銅、鋁青銅和黃銅。銅合金具有較好的強度、減摩性和耐磨性。其中，錫青銅的減摩性和耐磨性最好，但嵌入性和磨合性比軸承合金差，適用于中速及重載場合；鉛青銅的抗膠合能力強，適用于高速重載；鋁青銅強度和硬度高，抗膠合能力差，適用于低速重載；黃銅是銅鋅合金，減摩性和耐磨性比青銅差，但工藝性好，適用于低速中載。（3）鋁合金。為鋁錫合金，具有強度高、耐腐蝕、導熱性好等優(yōu)點，可用鑄造、沖壓、軋制等方法制造，適合批量生產(chǎn)。但磨合性差，要求軸頸有較高的硬度和加工精度?？刹糠执鎯r格較貴的軸承合金或青銅材料。（4）鑄鐵?；诣T鐵、耐磨鑄鐵和球磨鑄鐵。鑄鐵中的石墨具有潤滑作用，價格低廉，但磨合性差。適用于低速、輕載和不重要的場合。2．粉末冶金材料由銅、鐵、石墨等粉末經(jīng)壓制、燒結(jié)而成多孔隙（10%~35%)材料，又稱陶瓷金屬。工作前在熱油中浸泡幾個小時，使孔隙中充滿潤滑油，工作時軸瓦溫度升高，油膨脹后進入摩擦表面進行潤滑，停車后由于毛細作用，油又吸回軸瓦內(nèi)，故又稱為含油軸承，可在長時間不加油的情況下工作。但其性脆，適用于中、低速、無沖擊、潤滑不便或要求清潔的場合。3.非金屬材料

◆塑料：酚醛塑料、尼龍、聚四氟乙烯等，具有摩擦因數(shù)小、抗壓強度高、耐腐蝕性和耐磨性好等優(yōu)點。但導熱能力差，應(yīng)注意冷卻?！粝鹉z：具有良好的彈性和減摩性，故常用于以水做潤滑劑且環(huán)境較臟污之處。其內(nèi)壁上帶有軸向溝槽，以利潤滑劑流通，而且還可以增強冷卻效果和沖走污物?！籼肌河刹煌亢褪珮?gòu)成的人造材料，石墨量越多材料越軟，摩擦因數(shù)越小。還可以在其中加入金屬、聚四氟乙烯和二硫化鉬等。是電動機電刷的常用材料。十一、

滾動軸承與滑動軸承的比較【案例精解】已知：齒輪減速器的高速軸軸承轉(zhuǎn)速4000r/min,采用一對內(nèi)徑40mm的深溝球軸承，已知軸承徑向載荷Fr=2000N，軸向載荷Fa=900N,預期壽命[Lh]=4000h,試選擇軸承型號。解：1、求當量動載荷P由表，fp=1.3初定由表，得X=0.56，Y=1.9線性插值法計算e=0.232.求基本額定動載荷3.選擇軸承型號

由附錄表3，按內(nèi)徑d=40mm,選6308軸承Cr=40800N>Crc，C0r=24000N,Fa/C0r=0.0375,仍滿足。結(jié)論：選用深溝球軸承6308【案例精解】以向心滑動軸承為例介紹其校核過程已知條件：徑向載荷Fr

(N)、軸轉(zhuǎn)速n(r/min)、軸頸d(mm)，軸承寬度B(mm)。1．校核軸承壓強p(MPa)[p]—材料的許用壓強，MPa。2．校核摩擦熱v—軸頸圓周速度，m/s；3．校核滑動速度v(m/s)[v]—材料的許用滑動速度[pv]—材料的pv許用值，MPa·m/s【任務(wù)實施】1.任務(wù)分析

本任務(wù)是帶式輸送機所用的單級齒輪減速器的低速軸的軸承設(shè)計，考慮齒輪傳動產(chǎn)生的徑向載荷、齒輪、軸、鍵自重，軸承的受力主要是徑向載荷，轉(zhuǎn)速也不高，故可考慮優(yōu)先選用60000型深溝球軸承，然后進行計算選擇。

2.任務(wù)完成結(jié)論參考教材。

【下次任務(wù)布置】

（一）預習1、預習任務(wù)5.3軸轂聯(lián)接的分析與設(shè)計，觀看教學視頻，完成網(wǎng)上作業(yè)。（二）作業(yè)1.在機械設(shè)備中為何廣泛采用滾動軸承？2.向心角接觸軸承為什么要成對使用、反向安裝？3.滾動軸承的組合設(shè)計要考慮哪幾方面的問題？4.軸承常用的密封裝置有哪些？各適用于什么場合？5.滑動軸承有哪幾種類型？各有什么特點？本任務(wù)到此結(jié)束，同學們再見??！

《機械分析與設(shè)計基礎(chǔ)》

情境5典型機械零件的分析與設(shè)計

任務(wù)5.3軸轂聯(lián)接的分析與設(shè)計1.任務(wù)條件

已知單級圓柱齒輪減速器，其低速軸上的零件如圖所示。根據(jù)前面任務(wù)的計算結(jié)果，單級圓柱齒輪減速器中直齒圓柱齒輪和低速軸的材料都是45#鋼，大齒輪輪轂寬度為B=70mm，與齒輪配合的軸的直徑d=60mm，傳遞的扭矩T=429.51N.mm，載荷穩(wěn)定。2.任務(wù)要求分析和設(shè)計軸和齒輪之間聯(lián)接的普通平鍵，并進行強度校核。【下達任務(wù)】減速器的低速軸系

【能力目標】

1.學會分析與設(shè)計鍵聯(lián)接、銷聯(lián)2.學會平鍵的選擇設(shè)計。151

知識導航

按是否可拆分為

一、聯(lián)接：

將兩個或兩個以上的物體接合在一起的組合結(jié)構(gòu)。按被聯(lián)接件之間是否產(chǎn)生相對運動可分為

可拆聯(lián)接不可拆聯(lián)接動聯(lián)接：靜聯(lián)接：即運動副被聯(lián)接零件間不允許產(chǎn)生相對運動的聯(lián)接,簡稱聯(lián)接。

多次裝拆時，不會破壞或損傷聯(lián)接中的任何一個零件，如鍵聯(lián)接、螺紋聯(lián)接和銷聯(lián)接等。

在拆卸時，至少要毀壞聯(lián)接中的某一部分才能將被聯(lián)接件拆開，如焊接、鉚接、粘接、過盈配合聯(lián)接等。

5.3.0聯(lián)接的概述與認知1.鉚接鉚接：利用鉚釘將被聯(lián)接件聯(lián)接在一起的聯(lián)接。二、常用不可拆聯(lián)接簡介鉚接特點：（1）工藝設(shè)備簡單；（2）抗震、耐沖擊；（3）牢固可靠；（4）結(jié)構(gòu)笨重；（5）對被聯(lián)接件強度削弱較大；（6）工作環(huán)境差；2.膠接

膠接：利用膠粘劑在一定條件下把預制的元件聯(lián)接在一起的聯(lián)接。（1）不受材料限制；（2）接頭應(yīng)力分布均勻，避免了變形；（3）機械加工量少，重量輕；（4）密封性好，絕緣、耐腐蝕；（5）工藝過程易實現(xiàn)機械化和自動化；（6）強度較低，并隨溫度增高而降低；（7）耐老化、耐介質(zhì)性能差，且不穩(wěn)定。膠接特點：3.焊接焊接：用局部加熱方法，將被聯(lián)接件聯(lián)成一體的聯(lián)接（1）工藝簡單，操作方便；（2）聯(lián)接質(zhì)量好，強度高；（3）聯(lián)接靈活，重量輕；（4）用材廣泛；（5）工人勞動條件好；（6）單件生產(chǎn)成本低，周期短，應(yīng)用廣泛。

焊接特點：4.過盈配合

過盈配合：利用零件間過盈配合形成的緊聯(lián)接，工作時靠配合面上的摩擦力來傳遞載荷。過盈配合特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單。（2）對中性好。（3）對軸削弱較少；在沖擊振動載荷下工作可靠。（4）對配合尺寸的精度要求高，表面粗糙度【小結(jié)】聯(lián)接的重點知識動聯(lián)接靜聯(lián)接可拆聯(lián)接：鍵聯(lián)接銷聯(lián)接螺紋聯(lián)接小過盈聯(lián)接焊接鉚接粘接大過盈聯(lián)接不可拆聯(lián)接：聯(lián)接的組成

聯(lián)接的類型機械聯(lián)接一般由被聯(lián)接件和聯(lián)接件組成，有些時候被聯(lián)接件之間進行直接聯(lián)接，并無獨立的聯(lián)接件。靜聯(lián)接：

聯(lián)接的目的動聯(lián)接：各種運動副實現(xiàn)機械運動便于機械的制造、裝配、運輸、安裝和維護，降低成本。下面重點學習鍵、銷、螺紋聯(lián)接和軸間聯(lián)接等可拆聯(lián)接。

鍵聯(lián)接：用來實現(xiàn)軸和輪轂（如齒輪、帶輪）之間的周向固定并用來傳遞運動和轉(zhuǎn)矩的聯(lián)接，有些還可以實現(xiàn)軸上零件的軸向固定或軸向位移。鍵聯(lián)接的組成：軸上的鍵槽、輪上的鍵槽、鍵。鍵已標準化，為標準件，設(shè)計時先選擇，再驗算。5.3.1鍵連接的類型

松鍵聯(lián)接依靠鍵與鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩。鍵的上表面與輪轂上的鍵槽底部之間留有間隙，鍵不會影響軸與輪轂的同心精度。

鍵是一種標準零件。鍵聯(lián)接根據(jù)裝配時是否預緊，可分為松鍵聯(lián)接和緊鍵聯(lián)接。松鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、定心性好等優(yōu)點，因而應(yīng)用廣泛。這種鍵不能實現(xiàn)傳動件的軸向固定。松鍵聯(lián)接包括平鍵、半圓鍵和花鍵聯(lián)接。

一、

松鍵聯(lián)接（一）平鍵聯(lián)接

※特點

結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、裝拆方便，對中良好，因而得到廣泛應(yīng)用。但不能實現(xiàn)軸向固定※結(jié)構(gòu)鍵主體為各面平行的長方體，軸、輪轂上分別開鍵槽，鍵寬=槽寬，鍵高<槽總深，側(cè)面接觸，頂面與輪轂鍵槽底有間隙

※工作面及工作原理兩側(cè)面是工作面，工作時靠鍵與槽側(cè)面相互擠壓傳遞扭矩

※