《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課件1第6章

項(xiàng)目六軸系零部件設(shè)計(jì)6.1軸的設(shè)計(jì)6.2滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)6.3滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)6.4軸承蓋的選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)6.5聯(lián)軸器與離合器選型設(shè)計(jì)

6.1軸的設(shè)計(jì)

6.1.1概述

1.軸的功用

軸是組成機(jī)器的重要零件之一，所有作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的零件(例如齒輪、蝸輪、凸輪、皮帶輪等)，都必須安裝在軸上才能實(shí)現(xiàn)其回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。概括地說(shuō)，軸的功用有以下兩個(gè)方面：(1)支承回轉(zhuǎn)零件，如齒輪、蝸輪、凸輪、皮帶輪等；(2)傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。

2.軸的分類

1)按軸線的形狀分類

按軸線的形狀，軸可分為以下三類：

(1)直軸：廣泛應(yīng)用于各類機(jī)械中，如圖6-1所示。

(2)曲軸：常用于往復(fù)式機(jī)械傳動(dòng)中，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)相互進(jìn)行轉(zhuǎn)換(例如沖床、內(nèi)燃機(jī)等)，如圖6-2所示。

(3)軟軸：常用于電動(dòng)手持小型機(jī)具(例如鉸孔機(jī))、醫(yī)療器械和汽車?yán)锍瘫淼膫鲃?dòng)中，它的主要特點(diǎn)是具有良好的撓性，可以把轉(zhuǎn)矩和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)靈活地傳遞到空間的任何位置，如圖6-3所示。圖6-1直軸圖6-2曲軸圖6-3軟軸

2)按承受載荷的不同分類

按承受載荷的不同直軸可分為以下三類：

(1)心軸：只承受彎曲作用的軸。它分為固定心軸和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸兩種。圖6-4(a)所示的軸為轉(zhuǎn)動(dòng)心軸，當(dāng)輪回轉(zhuǎn)時(shí)，軸固定不動(dòng)。圖6-4(b)所示的軸為固定心軸，它能轉(zhuǎn)動(dòng)。

(2)傳動(dòng)軸：主要承受扭轉(zhuǎn)作用(不承受或只承受很小的彎曲作用)的軸。圖6-5所示的汽車變速箱與后橋間的軸就是傳動(dòng)軸。

(3)轉(zhuǎn)軸：同時(shí)承受彎曲和扭轉(zhuǎn)作用的軸。圖6-6所示減速器的輸出軸即為轉(zhuǎn)軸，它是機(jī)械中最常見(jiàn)的軸。圖6-4心軸圖6-5傳動(dòng)軸圖6-6轉(zhuǎn)軸

3)按外形分類

按外形可將直軸分為以下兩類：

(1)光軸：在軸的全長(zhǎng)上直徑都相等的直軸，它主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩，如圖6-1(a)所示。

(2)階梯軸：在軸的全長(zhǎng)上軸各段的直徑不相等的直軸。由于階梯軸便于軸上零件的裝拆和固定，又能節(jié)省材料和減輕重量，所以在機(jī)械中應(yīng)用廣泛，如圖6-1(b)所示。

直軸一般都制成實(shí)心的。在那些由于機(jī)器結(jié)構(gòu)的要求而需在軸中裝設(shè)其它零件，或者減輕軸的重量具有重大作用的場(chǎng)合，則將軸制成空心的。

3.軸的設(shè)計(jì)要求和一般設(shè)計(jì)步驟

足夠的強(qiáng)度、合理的結(jié)構(gòu)和良好的工藝性是設(shè)計(jì)軸必須滿足的基本要求。此外，不同機(jī)械對(duì)軸又有不同的特殊要求，如機(jī)床主軸要有足夠的剛度，以防止工作時(shí)產(chǎn)生不允許的變形；汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子軸要有足夠的振動(dòng)穩(wěn)定性，以防止發(fā)生共振而破壞；重型軸則要考慮其毛坯的制造、運(yùn)輸、安裝等問(wèn)題。

軸設(shè)計(jì)的一般步驟是：按工作條件等選擇軸的材料和熱處理方法；初步估算軸的最小直徑；進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；進(jìn)行必要的強(qiáng)度、剛度、振動(dòng)穩(wěn)定性等校核計(jì)算；最后繪制軸的工作圖。整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程要與有關(guān)零件的設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)合進(jìn)行。本項(xiàng)目以階梯軸為研究對(duì)象討論軸的設(shè)計(jì)步驟和方法，其主要內(nèi)容包括強(qiáng)度計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。強(qiáng)度計(jì)算是使軸具有工作能力的基本保證，其計(jì)算方法在材料力學(xué)中已經(jīng)介紹過(guò)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理確定軸各部分的形狀和結(jié)構(gòu)尺寸，它除應(yīng)考慮強(qiáng)度和剛度因素外，還要考慮使用、加工和裝配等方面的許多因素，這比強(qiáng)度計(jì)算考慮的因素更多、更復(fù)雜。因此，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本項(xiàng)目討論的重點(diǎn)。6.1.2軸的材料

軸工作時(shí)的應(yīng)力一般為循環(huán)變應(yīng)力，所以軸的失效形式主要是疲勞破壞。因此，對(duì)軸的材料的主要要求是：具有足夠的疲勞強(qiáng)度；對(duì)應(yīng)力集中的敏感性小；與滑動(dòng)零件接觸的表面應(yīng)有足夠的耐磨性。另外還應(yīng)易于加工和熱處理等。

軸的常用材料主要是優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金鋼。

優(yōu)質(zhì)碳素鋼價(jià)格低廉、對(duì)應(yīng)力集中的敏感性小，并能通過(guò)熱處理改善其綜合性能，故應(yīng)用很廣。一般機(jī)械的軸常用35、45鋼，其中以45鋼應(yīng)用最普遍。受力較小或不甚重要的軸，也可用Q235、Q275等普通碳素鋼。合金鋼具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和優(yōu)越的淬火性能，但其價(jià)格較貴，對(duì)應(yīng)力集中比較敏感，常用于要求減輕重量、提高軸頸耐磨性及在非常高的溫度下工作的軸。由于合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差很少，因此合金鋼不宜用于對(duì)剛度要求高的軸。

軸的毛坯一般采用軋制的圓鋼或鍛件。鍛件的強(qiáng)度較高，重要的軸、階梯尺寸變化大的軸，應(yīng)采用鍛制毛坯。

形狀復(fù)雜的曲軸和凸輪軸，也可以采用球墨鑄鐵制造。球墨鑄鐵具有價(jià)廉、應(yīng)力集中不敏感、吸振性好和容易鑄成復(fù)雜形狀等優(yōu)點(diǎn)，但鑄件的品質(zhì)不易控制。

軸的常用材料及機(jī)械性能見(jiàn)表6-1。表6-1軸的常用材料及機(jī)械性能

6.1.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是確定軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。

軸的結(jié)構(gòu)主要取決于以下因素：軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸上零件的類型、尺寸、數(shù)量、布置以及固定方式；載荷的大小、性質(zhì)、方向及分布情況；軸承的類型及尺寸；軸的加工及裝配工藝性等。由于影響因素較多，而且有時(shí)互相矛盾，所以軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較大的靈活性和多樣性，因此不可能有標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)不同情況作具體分析，定出較合理的結(jié)構(gòu)。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的基本要求是：軸的受力合理；有利于提高軸的強(qiáng)度和剛度；有利于節(jié)約材料和減輕重量；軸及軸上零件定位準(zhǔn)確、固定可靠、軸上零件便于裝拆和調(diào)整；具有良好的制造工藝性。

軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的已知條件是：傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)圖；初步計(jì)算出軸的最小軸徑；軸上傳動(dòng)零件(如齒輪、聯(lián)軸器、皮帶輪等)的主要參數(shù)及尺寸等。初步設(shè)計(jì)時(shí)，還不知道軸上支反力的作用點(diǎn)，故不能按軸的彎矩計(jì)算軸徑。通常按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度來(lái)初步估算軸的最小直徑，求得最小直徑按擬訂的裝配方案，從最小直徑起逐一確定各段軸的直徑和長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各軸徑應(yīng)與裝配在該軸段上的傳動(dòng)件、標(biāo)準(zhǔn)件的孔相匹配。軸的各段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)各零件與軸配合部分的軸向尺寸確定，為保證軸向定位可靠，軸頭長(zhǎng)一般比與之配合的輪轂長(zhǎng)短2～3mm。

1.軸上零件的定位和固定

1)軸及軸上零件的定位

軸的定位通常是靠軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

軸上零件的定位一般是靠軸肩或軸環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在圖6-7中，齒輪靠軸環(huán)定位，聯(lián)軸器和左軸承靠軸肩定位，右軸承通過(guò)簡(jiǎn)套和齒輪也靠軸環(huán)間接定位。

軸肩和軸環(huán)的尺寸參看表6-2。圖6-7軸上零件的定位表6-2軸肩和軸環(huán)的尺寸

2)軸上零件的軸向固定

軸上零件軸向固定的目的是使其準(zhǔn)確而可靠地處在規(guī)定的位置。如圖6-7所示，齒輪靠軸環(huán)和套筒軸向固定；左軸承靠軸肩和軸承蓋軸向固定，右軸承靠套筒和軸承蓋軸向固定；聯(lián)軸器靠軸肩和另一半與它相聯(lián)的聯(lián)軸器(圖中未畫出)軸向固定。

常用的軸向固定方式及應(yīng)用場(chǎng)合見(jiàn)表6-3。表6-3軸上零件常用軸向固定方式

3)軸上零件的周向固定

軸上零件周向固定的目的是傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。如圖6-7所示，齒輪和聯(lián)軸器用鍵作周向固定，而滾動(dòng)軸承因其不傳遞轉(zhuǎn)矩，故采用有較小過(guò)盈量的配合來(lái)作周向固定。

常用軸上零件的周向固定方式及其應(yīng)用場(chǎng)合見(jiàn)表6-4。表6-4軸上零件的周向固定方式

2.軸的結(jié)構(gòu)工藝性

軸的結(jié)構(gòu)工藝性是指所設(shè)計(jì)的軸是否便于加工和裝配。為了使軸的工藝性好，軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：(1)軸的形狀力求簡(jiǎn)單，以便于加工和檢驗(yàn)。由于軸上通常裝有多個(gè)零件，若采用直徑不變的光軸，其形狀雖然簡(jiǎn)單，但裝配和定位將不方便，故一般多做成階梯軸。當(dāng)然，軸上的臺(tái)階數(shù)不宜過(guò)多，因?yàn)槎嗉庸ひ粋€(gè)臺(tái)階，就要多一次對(duì)刀，多調(diào)整或換一次量具。另外，軸的臺(tái)階數(shù)增多，軸上的應(yīng)力集中源也相應(yīng)增多，軸發(fā)生疲勞破壞的可能性也隨之增大。所以在滿足裝配要求的前提下，軸上的臺(tái)階數(shù)盡可能少些。

(2)階梯軸上的軸肩處若裝有零件，為保證零件能緊貼軸肩端面，軸肩處的過(guò)渡圓角半徑應(yīng)小于零件孔的圓角半徑R或倒角C，如圖6-8所示。配合表面處的圓角半徑和倒角尺寸應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表6-5。

(3)對(duì)粗糙度要求較嚴(yán)格，需經(jīng)磨削加工的表面，在軸肩處應(yīng)設(shè)置砂輪越程槽，以便磨削時(shí)砂輪可以磨削到軸肩的端部，如圖6-9所示。砂輪越程槽的尺寸見(jiàn)表6-6。

(4)軸上若要車制螺紋，則其直徑應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，螺紋尾部留有退刀槽，以保證靠近尾部的螺紋牙也能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的高度，如圖6-10所示。螺紋退刀槽的尺寸見(jiàn)表6-7。圖6-8圓角表6-5配合表面處的圓角半徑和倒角尺寸(GB6403.4—86)

圖6-9越程槽表6-6砂輪越程槽(GB6403.5—86)

圖6-10退刀槽表6-7螺紋退刀槽尺寸(GB3—79)

(5)軸端應(yīng)有倒角(尺寸見(jiàn)表6-5)，以利于裝配時(shí)的對(duì)中和避免把軸上零件的孔壁擦傷。有較大過(guò)盈配合處的壓入端應(yīng)采用錐形結(jié)構(gòu)，如圖6-11所示，以使零件能順利地壓入。

(6)裝配在階梯軸上的零件，用套筒、壓板或螺母等作軸向固定時(shí)，應(yīng)將裝零件的軸頭做得短些(一般短2~3mm，可參看表6-3中的圖)，以保證所裝零件的一端能和套筒、壓板或螺母相互貼緊。

(7)軸的圓角、倒角和退刀槽應(yīng)盡可能取相同的尺寸，以便減少刀具的數(shù)量和節(jié)省換刀的時(shí)間。軸上的幾個(gè)鍵槽應(yīng)布置在軸的同一母線上(圖6-7)，以減少軸的裝夾次數(shù)，如軸上多個(gè)開(kāi)鍵槽的軸頭直徑相差不大，則可采用相同截面尺寸的鍵槽，以便節(jié)省換刀時(shí)間。

圖6-11錐形結(jié)構(gòu)

3.軸各段的直徑和長(zhǎng)度確定

軸主要由軸頸、軸頭、軸身三部分組成(圖6-7)。與軸承配合的軸段稱為軸頸，與輪轂配合的軸段稱為軸頭，聯(lián)接軸頸與軸頭的軸段稱為軸身。軸上直徑變化所形成的階梯稱為軸肩(單向變化)或軸環(huán)(雙向變化)。軸肩分定位軸肩與自由軸肩。軸頸、軸頭、定位軸肩和定位軸環(huán)表面是軸上的重要部分，一般應(yīng)具有較高的加工精度和較小的表面粗糙度。在初步確定軸的直徑時(shí)，由于軸承支點(diǎn)間的距離尚未確定，不知道支反力的作用位置，故不能決定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的彎矩來(lái)確定其直徑。故進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，按軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩初步估算軸的直徑。但應(yīng)注意，這樣估算的直徑只能作為階梯軸上只受扭矩的軸段的最小直徑dmin(一般為軸承外伸段軸頭的直徑)，如圖6-7所示，d1=dmin。當(dāng)然，軸的最小直徑也可憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)

確定，或參考同類機(jī)器用類比的方法定出。求得d1=dmin后，就可根據(jù)軸上零件的定位、固定、裝拆方案，從dmin段起逐一確定各段軸的直徑(即將各段直徑逐一加大)，這樣就確定了階梯軸各段的直徑(圖6-7)。

聯(lián)軸器與滾動(dòng)軸承之間的軸段直徑d2應(yīng)大于d1，以便形成軸肩，使聯(lián)軸器定位。

裝滾動(dòng)軸承處的軸徑d3應(yīng)大于d2，這一方面是為了便于滾動(dòng)軸承的裝拆，另一方面也可節(jié)省軸的加工費(fèi)用。因?yàn)檠b滾動(dòng)軸承的軸段加工精度要求高，可以節(jié)省加工工時(shí)。

裝齒輪的軸徑d4應(yīng)大于d3，這不僅便于齒輪的裝拆，而且也可避免因裝拆齒輪而刮傷軸頸表面。為了使齒輪定位，裝齒輪軸段的左側(cè)做成軸環(huán)結(jié)構(gòu)，軸環(huán)直徑d5大于d4。在同一軸上，一般都采用相同型號(hào)的滾動(dòng)軸承，故左端裝滾動(dòng)軸承處的直徑亦取d3。在確定d6時(shí)，既要考慮軸承的定位，又要便于軸承的拆卸。為了便于加工和檢驗(yàn)，軸的直徑取整數(shù)為好。與輪轂配合的軸頭還應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)直徑系列(表6-8)，裝滾動(dòng)軸承的軸頸的直徑還必須按滾動(dòng)軸承的內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)選取。

軸各段的長(zhǎng)度主要根據(jù)軸上各零件與軸配合部分的軸向尺寸來(lái)確定，如圖6-7中軸的各段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)齒輪和聯(lián)軸器的輪轂長(zhǎng)度L和軸承寬度B等來(lái)確定。另外，還應(yīng)考慮齒輪與箱壁間的距離C、軸承與箱壁的距離a與b，以及軸承蓋與聯(lián)軸器的裝拆要求(如尺寸m)等因素，具體數(shù)據(jù)可參考機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)。表6-8軸頭的標(biāo)準(zhǔn)直徑(摘自GB2822—81)

6.1.4軸的強(qiáng)度計(jì)算

軸的強(qiáng)度計(jì)算方法有三種：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度的初步計(jì)算，按彎扭組合強(qiáng)度校核計(jì)算和按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的精確校核計(jì)算。對(duì)于用普通碳素鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制造的一般用途的軸，當(dāng)單件或小批量生產(chǎn)時(shí)，安全系數(shù)的精確校核計(jì)算通常可以不必進(jìn)行。故本項(xiàng)目只介紹前兩種計(jì)算方法，

第三種計(jì)算方法可參考有關(guān)資料。

1.按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算軸徑

對(duì)只傳遞扭矩而不承受彎矩或彎矩較小的傳動(dòng)軸，可用此法計(jì)算軸的直徑；對(duì)于同時(shí)承受較大彎矩和扭矩的轉(zhuǎn)軸，可用此法來(lái)計(jì)算軸的最小直徑dmin，以便進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?？紤]到所受彎矩的影響，可適當(dāng)降低許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。

按圓軸受扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件建立軸的直徑計(jì)算公式為

式中:A是決定于軸的材料并考慮彎曲影響的系數(shù)，其值見(jiàn)表6-9;P是軸所傳遞的功率(kW)；n是軸的轉(zhuǎn)速(r/min)。

當(dāng)剖面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑，考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。一般開(kāi)有一個(gè)鍵槽，軸徑增大5％左右，開(kāi)有兩個(gè)鍵槽，軸徑增大10％左右，然后圓整為標(biāo)準(zhǔn)值(表6-8)。表6-9幾種材料的A值

2.按彎扭組合強(qiáng)度計(jì)算

在軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成以后，軸上零件的位置已經(jīng)確定，軸各截面的彎矩即可算出。因此，可按彎矩和扭矩的聯(lián)合作用來(lái)校核軸的強(qiáng)度。此法可作為一般轉(zhuǎn)軸強(qiáng)度的最終校核計(jì)算，也可作為重要轉(zhuǎn)軸的初步校核計(jì)算。

1)計(jì)算時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題

(1)把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的梁。

(2)軸和軸上零件的自重(除很重的零件外)及軸承中的摩擦力矩忽略不計(jì)。

(3)軸上所受的載荷，通常可作為集中力。力的作用點(diǎn)取在輪轂寬度的中點(diǎn)。

(4)軸承支承反力假定作用在軸承寬度的中點(diǎn)。

2)計(jì)算步驟

(1)畫出軸的空間受力簡(jiǎn)圖，并將各力按垂直平面(V平面)和水平平面(H平面)分解成兩平面內(nèi)的分力。

(2)求出垂直平面和水平平面內(nèi)的支承反力。

(3)分別計(jì)算垂直平面和水平平面內(nèi)的彎矩MV和MH,并畫出彎矩圖。

(4)計(jì)算合成彎矩并畫出合成彎矩圖：

(5)計(jì)算扭矩T，畫扭矩圖。(N·m)

(6)按第三強(qiáng)度理論計(jì)算當(dāng)量彎矩：

式中：α是根據(jù)扭矩性質(zhì)而定的校正系數(shù)(即引入系數(shù)α后，扭矩T1即轉(zhuǎn)化為當(dāng)量彎矩)。當(dāng)扭矩按對(duì)稱循環(huán)變化時(shí)，取α=1；當(dāng)扭矩按脈動(dòng)循環(huán)變化時(shí)，取α=0.6；當(dāng)扭矩平穩(wěn)、不變時(shí)，取α=0.3。(N·m)

(7)計(jì)算軸的直徑。

根據(jù)當(dāng)量彎曲應(yīng)力建立強(qiáng)度條件，

由此可得

式中：W——軸計(jì)算截面的抗彎截面模量(mm3)；

［σ］b——軸的許用應(yīng)力(MPa)，其值見(jiàn)表6-10。(6-1)(6-2)表6-10軸的許用彎曲應(yīng)力MPa

使用上式時(shí)注意：

(1)對(duì)于轉(zhuǎn)軸，取[σ]b=[σ-1]b；對(duì)于固定心軸，若載荷有變化，取[σ]b=[σ0]b；若載荷不變，取[σ]b=[σ+1]b。

(2)當(dāng)軸的剖面有鍵槽時(shí)，應(yīng)將計(jì)算的直徑增大4％～5％(單鍵)或7％～10％(雙鍵)。如果是花鍵軸，則計(jì)算的軸徑為花鍵軸的內(nèi)徑。

(3)應(yīng)用式(6-1)校核計(jì)算時(shí)，應(yīng)選定危險(xiǎn)截面。危險(xiǎn)截面一般是受載大、截面積小、應(yīng)力集中較嚴(yán)重的截面。當(dāng)同時(shí)存在幾個(gè)危險(xiǎn)截面時(shí)，應(yīng)該全部核算。若按式(6-2)算得的軸徑(包括考慮因開(kāi)鍵槽而增大以后的軸徑)小于或等于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所確定的直徑，則說(shuō)明原定軸徑的強(qiáng)度是足夠的；反之，則說(shuō)明軸的強(qiáng)度不足，需重考慮加大軸的直徑。

6.1.5軸的剛度計(jì)算簡(jiǎn)介

軸在工作時(shí)由于受載荷的作用，必然會(huì)產(chǎn)生彈性變形，如軸的剛度不足，則將產(chǎn)生過(guò)大的變形，從而影響軸上零件的正常工作。例如，當(dāng)軸的變形量過(guò)大時(shí)，會(huì)使軸上的齒輪嚙合產(chǎn)生過(guò)大的偏載，使軸承產(chǎn)生不均勻磨損，使機(jī)床的精度降低等。所以對(duì)重要的和精度要求高的軸，通常還要進(jìn)行剛度的校核計(jì)算。軸的剛度校核計(jì)算就是使軸在工作時(shí)的變形量不超過(guò)某個(gè)允許的范圍。軸的剛度分彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩類。彎曲剛度的校核計(jì)算主要是控制軸產(chǎn)生彎曲變形時(shí)的撓度和轉(zhuǎn)角的大??；扭轉(zhuǎn)剛度的校核計(jì)算是控制產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的扭轉(zhuǎn)角的數(shù)值。軸的變形量可按材料力學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行，也可參看機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中的有關(guān)公式計(jì)算。表6-11中列出了軸的許用變形量，供設(shè)計(jì)時(shí)參考。表6-11軸的許用變形量

6.1.6軸的工作圖

1.軸的技術(shù)要求

為了保證軸、軸承和軸上裝配的零件有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)性能，必須按制造工藝條件對(duì)軸規(guī)定必要的技術(shù)要求，并標(biāo)注在軸的工作圖上，如尺寸精度、配合、表面粗糙度、熱處理及表面形狀和位置公差等。

2.軸的工作圖

軸經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度和剛度等的校核計(jì)算及技術(shù)要求設(shè)計(jì)以后，就可以繪制軸的工作圖。繪制軸工作圖的主要要求是：

(1)圖面清晰，表達(dá)完整，符合機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。(2)若是齒輪軸，還應(yīng)符合齒輪工作圖的有關(guān)規(guī)定。

(3)軸向尺寸的標(biāo)注應(yīng)便于加工和測(cè)量。

①設(shè)計(jì)基準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)尺寸的基準(zhǔn))應(yīng)與測(cè)量基準(zhǔn)盡可能一致，避免加工時(shí)進(jìn)行不必要的換算。

②不允許形成封閉尺寸鏈，一般選擇最次要軸段(對(duì)長(zhǎng)度公差沒(méi)有要求的軸段)為尺寸鏈的缺口。

(4)標(biāo)注公差、配合、表面粗糙度等，寫出熱處理及其它技術(shù)要求。

軸的工作圖可參看圖6-12。6.1.7軸的設(shè)計(jì)示例分析

對(duì)于一般軸的設(shè)計(jì)遵循如下步驟：

(1)選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力。

(2)利用公式估算軸的直徑。

(3)對(duì)軸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)對(duì)軸按彎扭合成進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(5)對(duì)軸進(jìn)行疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核。例6-1設(shè)計(jì)如圖6-13所示一帶式輸送機(jī)中的單級(jí)斜齒輪減速器的低速軸。

已知電動(dòng)機(jī)的功率為P=25kW，轉(zhuǎn)速n1=970r/min，傳動(dòng)零件(齒輪)的主要參數(shù)及尺寸為：法面模數(shù)mn=4mm，齒數(shù)比u=3.95,小齒輪齒數(shù)z1＝20，大齒輪齒數(shù)z2＝79，分度圓上的螺旋角β=8°6′34″，小齒輪分度圓直徑d1＝80.81mm，大齒輪分度圓直徑d2＝319.19mm，中心距a=200mm，齒寬B1=85mm、B2=80mm。

(1)選擇軸的材料。

該軸沒(méi)有特殊的要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的45號(hào)鋼，可以查得其強(qiáng)度極限σb＝650MPa。圖6-13齒輪減速器簡(jiǎn)圖

(2)初步估算軸徑。

按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算輸出端聯(lián)軸器處的最小直徑,按軸的材料為45號(hào)鋼，取A＝110。

輸出軸的功率P2=Pη1η2η3(η1為聯(lián)軸器的效率，等于0.99；η2為滾動(dòng)軸承的效率，取0.99；η3為齒輪傳動(dòng)效率，取0.98)，所以P2=25×0.99×0.99×0.98＝24.5kW。輸出軸轉(zhuǎn)速r/min，根據(jù)公式有

由于在聯(lián)軸器處有一個(gè)鍵槽，故軸徑應(yīng)增加5％；為了使所選軸徑與聯(lián)軸器孔徑相適應(yīng)，需要同時(shí)選取聯(lián)軸器。從手冊(cè)可以查得，選用HL4彈性聯(lián)軸器J55×84/Y55×112GB5014-85。故取聯(lián)軸器聯(lián)接處的軸徑為55mm。

(3)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)齒輪減速器的簡(jiǎn)圖確定軸上主要零件的布置圖(如圖6-14)，并通過(guò)初步估算定出軸的最小直徑進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖6-14軸上主要零件的布置圖①軸上零件的軸向定位。

齒輪的一端靠軸肩定位，另一端靠套筒定位，裝拆、傳力均較為方便；兩段軸承處常用同一尺寸，以便于購(gòu)買、加工、安裝和維修；為了便于拆裝軸承，軸承處軸肩不宜過(guò)高(其高度最大值可從軸承標(biāo)準(zhǔn)中查得)，故左端軸承與齒輪間設(shè)置兩個(gè)軸肩，如圖6-15所示。

②軸上零件的周向定位。

齒輪與軸、半聯(lián)軸器與軸的周向定位均采用平鍵聯(lián)接及過(guò)盈配合。根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)，并考慮便于加工，取在齒輪、半聯(lián)軸器處的鍵剖面尺寸為b×h=18×11，配合均采用H7/k6；滾動(dòng)軸承內(nèi)圈與軸的配合采用基孔制，軸的尺寸公差為k6。

圖6-15軸上零件的裝配方案③確定各段軸徑的直徑和長(zhǎng)度。如圖6-16所示，軸徑：從聯(lián)軸器開(kāi)始向左取55→62→65→70→80→70

→65。軸長(zhǎng)：取決于軸上零件的寬度及它們的相對(duì)位置。選用7213C軸承，其寬度為23mm；齒輪端面至箱體內(nèi)壁間的距離取a＝15mm；考慮到箱體的鑄造誤差，裝配時(shí)留有余地，取滾動(dòng)軸承與箱體內(nèi)壁的距離s=5mm；軸承處箱體凸緣寬度，應(yīng)按箱蓋與箱座聯(lián)接螺栓尺寸及結(jié)構(gòu)要求確定，暫定：該寬度＝軸承寬＋(0.08～0.1)a＋(10～20)mm，取為50mm；軸承蓋厚度取20mm；軸承蓋與聯(lián)軸器之間的距離取15mm；半聯(lián)軸器與軸配合長(zhǎng)度為84mm，為使壓板壓住半聯(lián)軸器,取其相應(yīng)的軸長(zhǎng)為82mm；已知齒輪寬度B2=80mm，為使套筒壓住齒輪端面，取其相應(yīng)的軸長(zhǎng)為78mm。圖6-16軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)以上考慮可確定每段軸長(zhǎng)，并可以計(jì)算出軸承與齒輪、聯(lián)軸器間的跨度。

④考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性。

考慮軸的結(jié)構(gòu)工藝性，在軸的左端與右端均制成2×45°倒角；左端支撐軸承的軸徑為磨削加工，留有砂輪越程槽；為便于加工，齒輪、半聯(lián)軸器處的鍵槽布置在同一母線上，并取同一剖面尺寸。

(4)軸的強(qiáng)度計(jì)算。

先作出軸的受力計(jì)算圖(即力學(xué)模型)，如圖6-17(a)所示，取集中載荷作用于齒輪及軸承的中點(diǎn)。①求齒輪上作用力的大小和方向。

轉(zhuǎn)矩：

圓周力：

徑向力：

軸向力：Fa2=Ft2tanβ=5847×tan8°6′34″=833(N)

Ft2、Fr2、Fa2的方向如圖6-17所示。圖6-17軸的強(qiáng)度計(jì)算②求軸承的支反力。

水平面上的支反力：

垂直面上的支反力：③畫彎矩圖。

剖面C處的彎矩如圖6-17(b)、(c)、(d)所示。

水平面上的彎矩：

MC＝71FRA×10-3=71×2923.5×10-3=207.6(N·m)

垂直面上的彎矩：合成彎矩：④畫轉(zhuǎn)矩圖。

轉(zhuǎn)矩圖如圖6-17(e)所示，圖中

T2=933.2

(N·m)

⑤畫當(dāng)量彎矩圖。

當(dāng)量彎矩圖如圖6-17(f)所示。

因?yàn)閱蜗蚧剞D(zhuǎn)，視轉(zhuǎn)矩為脈動(dòng)循環(huán)，。已知σb＝650MPa，查表得[σ-1]b＝59MPa，[σ0]b＝98MPa，則α＝0.602。剖面C處的當(dāng)量彎矩：

⑥判斷危險(xiǎn)剖面并驗(yàn)算強(qiáng)度。

·剖面C當(dāng)量彎矩最大，而其直徑與鄰接段相差不大，故剖面C為危險(xiǎn)剖面。

已知Me＝MC2″＝615.7(N·m)，[σ-1]b＝59MPa，則

·剖面D處雖然僅受轉(zhuǎn)矩，但其直徑較小，則該剖面也為危險(xiǎn)剖面。

所以強(qiáng)度足夠。

6.2滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)

軸承是支撐軸的部件，按其工作時(shí)的摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)摩擦軸承(簡(jiǎn)稱滑動(dòng)軸承)和滾動(dòng)摩擦軸承(簡(jiǎn)稱滾動(dòng)軸承)兩大類。雖然滾動(dòng)軸承有一系列優(yōu)點(diǎn)，在一般機(jī)械中獲得廣泛的應(yīng)用，但是在高速、高精度、重載、結(jié)構(gòu)上要求剖分安裝等場(chǎng)合下，滑動(dòng)軸承則獲得廣泛使用。本單元主要討論滑動(dòng)軸承。6.2.1滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)軸承的運(yùn)動(dòng)形式是以軸頸與軸瓦相對(duì)滑動(dòng)為主要特征，也即摩擦性質(zhì)為滑動(dòng)摩擦。實(shí)踐表明，滑動(dòng)軸承的潤(rùn)滑條件不同，會(huì)出現(xiàn)不同的摩擦狀態(tài)。軸承工作面的摩擦狀態(tài)分為干摩擦狀態(tài)、邊界摩擦狀態(tài)、混合摩擦狀態(tài)和流體摩擦狀態(tài)四類，如圖6-18所示。圖6-18摩擦狀態(tài)兩摩擦表面直接接觸，相對(duì)滑動(dòng)，又不加入任何潤(rùn)滑劑，稱為干摩擦；兩摩擦表面被流體(液體或氣體)層完全隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)僅取決于流體內(nèi)部分子之間黏性阻力，稱為流體摩擦；兩摩擦表面被吸附在表面的邊界膜隔開(kāi)，摩擦性質(zhì)取決于邊界膜和表面吸附性質(zhì)，稱為邊界摩擦狀態(tài)；實(shí)際上，干摩擦狀態(tài)和邊界摩擦狀態(tài)很難精確區(qū)分，所以這兩種摩擦狀態(tài)也常常歸并為邊界摩擦狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，軸承工作表面有時(shí)是邊界摩擦和流體摩擦并存的混合狀態(tài)，稱為混合摩擦。邊界摩擦和混合摩擦又常稱為非液體摩擦。

所以，滑動(dòng)軸承按其摩擦性質(zhì)可以分為液體滑動(dòng)摩擦軸承和非液體滑動(dòng)摩擦軸承兩類。

1.液體滑動(dòng)摩擦軸承

由于在液體滑動(dòng)軸承中，軸頸和軸承的工作表面被一層潤(rùn)滑油膜隔開(kāi)，兩零件之間沒(méi)有直接接觸，軸承的阻力只是潤(rùn)滑油分子之間的摩擦，所以摩擦系數(shù)很小，一般僅為0.001～0.008。這種軸承的壽命長(zhǎng)、效率高，但是制造精度要求也高，并需要在一定的條件下才能實(shí)現(xiàn)液體摩擦。

2.非液體滑動(dòng)摩擦軸承

非液體滑動(dòng)摩擦軸承的軸頸與軸承工作表面之間雖有潤(rùn)滑油的存在，但在表面局部凸起部分仍發(fā)生金屬的直接接觸,因此摩擦系數(shù)較大，一般為0.1～0.3，容易磨損。但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)制造精度和工作條件的要求不高，故在機(jī)械中得到廣泛使用。干摩擦的摩擦系數(shù)大，磨損嚴(yán)重，軸承工作壽命短。所以，在滑動(dòng)軸承中應(yīng)力求避免干摩擦。

所以，高速長(zhǎng)期運(yùn)行的軸承要求工作在液體摩擦狀態(tài)下，一般工作條件下軸承則維持在邊界摩擦或混合摩擦狀態(tài)下工作。因此本單元主要討論非液體滑動(dòng)摩擦軸承。

按照軸承承受的載荷可將其分為：徑向滑動(dòng)軸承，主要承受徑向載荷Fr；止推滑動(dòng)軸承，主要承受軸向載荷Fa，如圖6-19所示。圖6-19徑向滑動(dòng)軸承與軸向滑動(dòng)軸承在機(jī)械中，雖然廣泛采用滾動(dòng)軸承，但在許多情況下又必須采用滑動(dòng)軸承。這是因?yàn)榛瑒?dòng)軸承具有滾動(dòng)軸承不能代替的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)?；瑒?dòng)軸承的主要優(yōu)點(diǎn)是：①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、加工、拆裝方便；②具有良好的耐沖擊性和良好的吸振性能，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，旋轉(zhuǎn)精度高；③壽命長(zhǎng)。但也有其缺點(diǎn)，主要有：①維護(hù)復(fù)雜，對(duì)潤(rùn)滑條件較高；②邊界潤(rùn)滑軸承，摩擦損耗較大。因而在大型汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、軋鋼機(jī)及高速磨床上多采用滑動(dòng)軸承。此外，在低速而帶有沖擊載荷的機(jī)器中，如水泥攪拌器、滾筒清砂機(jī)、破碎機(jī)等沖壓機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械中也多采用滑動(dòng)軸承。

1)徑向滑動(dòng)軸承

常用的徑向滑動(dòng)軸承，我國(guó)已制定了標(biāo)準(zhǔn)，通常情況下可以根據(jù)工作條件進(jìn)行選用。徑向滑動(dòng)軸承可以分為整體式和剖分式(對(duì)開(kāi)式)兩大類。

(1)整體式徑向滑動(dòng)軸承。

整體式滑動(dòng)軸承(JB/T2560—91)如圖6-20所示。它由軸承座和軸承套組成。軸承套壓裝在軸承座孔中，一般配合為H8/s7。軸承座用螺栓與機(jī)座聯(lián)接，頂部設(shè)有安裝注油油杯的螺紋孔。軸套上開(kāi)有油孔，并在其內(nèi)表面開(kāi)油溝以輸送潤(rùn)滑油。這種軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低，但當(dāng)滑動(dòng)表面磨損后無(wú)法修整，而且裝拆軸的時(shí)候只能作軸向移動(dòng)，有時(shí)很不方便，有些粗重的軸和中間具有軸頸的軸(如內(nèi)燃機(jī)的曲軸)就不便或無(wú)法安裝。所以，整體式滑動(dòng)軸承多用于低速、輕載和間歇工作的場(chǎng)合，例如手動(dòng)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械中等。

這類軸承座的標(biāo)記為：HZ×××軸承座JB/T2560。其中：H表示滑動(dòng)軸承座；Z表示整體式；×××表示軸承內(nèi)徑(單位mm)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為：HZ020~140。圖6-20整體式滑動(dòng)軸承

(2)剖分式滑動(dòng)軸承。

剖分式滑動(dòng)軸承由軸承蓋、軸承座、剖分軸瓦和螺栓組成。對(duì)開(kāi)式二螺柱正滑動(dòng)軸承(JB/T2561—91或JB/T2562—91)如圖6-21所示。

軸承座水平剖分為軸承座和軸承蓋兩部分，并用二個(gè)螺栓聯(lián)接。為了防止軸承蓋和軸承座橫向錯(cuò)動(dòng)和便于裝配時(shí)對(duì)中，軸承蓋和軸承座的剖分面做成階梯狀。對(duì)開(kāi)式滑動(dòng)軸承

在裝拆軸時(shí)，軸頸不需要軸向移動(dòng)，裝拆方便。另外，適當(dāng)增減軸瓦剖分面間的調(diào)整墊片，可以調(diào)節(jié)軸頸與軸承之間的間隙。圖6-21對(duì)開(kāi)式二螺柱正滑動(dòng)軸承這種軸承所受的徑向載荷方向一般不超過(guò)剖分面垂線左右35°的范圍，否則應(yīng)該使用斜剖分面軸承。為使?jié)櫥湍芫鶆虻胤植荚谡麄€(gè)工作表面上，一般在不承受載荷的軸瓦表面開(kāi)出油溝和油孔。

這類軸承軸瓦與座孔之間的配合為H8/m7。軸承座標(biāo)記為：H2×××軸承座JB2561—91(或H4×××)。其中：H表示滑動(dòng)軸承座，2表示螺栓數(shù)，×××表示軸承內(nèi)徑(單位mm)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為H2030～H2160(H4050～H4220)。圖6-22對(duì)開(kāi)式四螺栓斜滑動(dòng)軸承對(duì)開(kāi)式四螺栓斜滑動(dòng)軸承(JB/T2563—91)如圖6-22所示。軸承剖分面與水平面成45°角，軸承載荷的方向應(yīng)位于垂直剖分面的軸承中心線左右35°的范圍內(nèi)，其特點(diǎn)與對(duì)開(kāi)式正滑動(dòng)軸承相同。

軸承座的標(biāo)記為：HX×××軸承座JB/T2563—91。其中：H表示滑動(dòng)軸承座，X表示斜座，×××表示軸承內(nèi)徑(單位mm)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為HX050～HX220。

當(dāng)軸頸較長(zhǎng)(寬徑比大于1.5～1.75)，軸的剛度較小，或由于兩軸承不是安裝在同一剛性機(jī)架上，同心度較難保證時(shí)，都會(huì)造成軸瓦端部的局部接觸(如圖6-23所示)，使軸瓦局部嚴(yán)重磨損。為此，可采用能相對(duì)軸承自行調(diào)節(jié)軸線位置的滑動(dòng)軸承，稱為回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承，如圖6-24所示。這種滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是軸瓦的外表面做成凸形球面，與軸承蓋及軸承座上的凹形球面相配合，當(dāng)軸變形時(shí)，軸瓦可隨軸線自動(dòng)調(diào)節(jié)位置，從而保證軸頸和軸瓦為球面接觸。圖6-23軸瓦端部的局部接觸圖6-24回轉(zhuǎn)滑動(dòng)軸承

(3)軸承與軸瓦結(jié)構(gòu)。

整體式軸承中與軸頸配合的零件稱為軸套，如圖6-25所示，它分為不帶擋邊和帶擋邊的兩種結(jié)構(gòu)，其基本尺寸、公差參見(jiàn)GB2509—81或GB2510—81。

對(duì)開(kāi)式軸承的軸瓦由上下兩半組成，如圖6-26所示。為使軸瓦既有一定的強(qiáng)度，又有良好的減磨性，常在軸瓦內(nèi)表面澆鑄一層減磨性好的材料(如軸承合金)，稱為軸承襯。軸承襯應(yīng)可靠地貼合在軸瓦表面上，為此可以采用如圖6-27所示的結(jié)合形式(圖中涂黑層表示軸承襯)。圖6-25軸套圖6-26對(duì)開(kāi)式軸承軸瓦圖6-27軸瓦與軸承襯的結(jié)合形式為了將潤(rùn)滑油引入軸承，并布滿工作表面，常在其上開(kāi)有供油孔和油溝。供油孔和油溝應(yīng)開(kāi)在軸瓦的非承載區(qū)，否則會(huì)降低油膜的承載能力，如圖6-28所示。

軸瓦全長(zhǎng)上開(kāi)通，以免潤(rùn)滑油自油溝端部大量泄漏。常見(jiàn)的油溝形式如圖6-29所示。

對(duì)于一些重型機(jī)器的軸承軸瓦，其上常開(kāi)設(shè)油室，它既可以使?jié)櫥臻g增大，又有儲(chǔ)油和保證潤(rùn)滑油穩(wěn)定供應(yīng)的作用，如圖6-30所示。圖6-28油溝布置對(duì)油膜承載能力的影響圖6-29油孔和油溝圖6-30油室

2)推力滑動(dòng)軸承

推力滑動(dòng)軸承用于承受軸向載荷。圖6-31所示為一簡(jiǎn)單的推力軸承結(jié)構(gòu)，它由軸承座、套筒、徑向軸瓦、止推軸瓦所組成。

為了便于對(duì)中，止推軸瓦底部制成球面形式，并用銷釘來(lái)防止它隨軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)，潤(rùn)滑油從底部進(jìn)入，上部流出。其最簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)如圖6-32(a)所示，多用于低速輕載的場(chǎng)合。

由于工作面上相對(duì)滑動(dòng)速度不等，越靠近邊緣處相對(duì)滑動(dòng)速度越大，磨損越嚴(yán)重，會(huì)造成工作面上壓強(qiáng)分布不均勻，相對(duì)滑動(dòng)端面通常采用環(huán)狀端面。當(dāng)載荷較大時(shí)，可采用多環(huán)軸頸，如圖6-32(b)所示，這種結(jié)構(gòu)能夠承受雙向軸向載荷。

圖6-31止推滑動(dòng)軸承圖6-32推力滑動(dòng)軸承6.2.2滑動(dòng)軸承的失效形式及材料

1.滑動(dòng)軸承的失效形式

滑動(dòng)軸承的失效通常由多種原因引起，失效的形式有很多種，有時(shí)幾種失效形式并存，相互影響。

1)磨粒磨損

進(jìn)入軸承間隙的硬顆粒物(如灰塵、砂礫等)有的嵌入軸承表面，有的游離于間隙中并隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，它們都將對(duì)軸頸和軸承表面起研磨作用。在機(jī)器啟動(dòng)、停車或軸頸與軸承發(fā)生邊緣接觸時(shí)，它們都將加劇軸承磨損，導(dǎo)致幾何形狀改變、精度喪失，軸承間隙加大，使軸承性能在預(yù)期壽命前急劇惡化。

2)刮傷

進(jìn)入軸承間隙的硬顆?；蜉S頸表面粗糙的輪廓峰頂，將在軸承上劃出線狀傷痕，導(dǎo)致軸承因刮傷而失效。

3)膠合(也稱為燒瓦)

當(dāng)軸承溫升過(guò)高，載荷過(guò)大，油膜破裂時(shí)，或在潤(rùn)滑油供應(yīng)不足的條件下，軸頸和軸承的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面材料發(fā)生粘附和遷移，從而造成軸承損壞，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致相對(duì)運(yùn)動(dòng)的中止。

4)疲勞剝落

在載荷反復(fù)作用下，軸承表面出現(xiàn)與滑動(dòng)方向垂直的疲勞裂紋，當(dāng)裂紋向軸承襯與襯背結(jié)合面擴(kuò)展后，將造成軸承襯材料的剝落。它與軸承襯和襯背因結(jié)合不良或結(jié)合力不足造成軸承襯的剝離有些相似，但疲勞剝落周邊不規(guī)則，結(jié)合不良造成的剝離周邊比較光滑。

5)腐蝕

潤(rùn)滑劑在使用中不斷氧化，所生成的酸性物質(zhì)對(duì)軸承材料有腐蝕性，特別對(duì)制造銅鋁合金中的鉛，易受腐蝕而形成點(diǎn)狀剝落。氧對(duì)錫基巴氏合金的腐蝕，會(huì)使軸承表面形成一層由SnO2和SnO混合組成的黑色硬質(zhì)覆蓋層，它能擦傷軸頸表面，并使軸承間隙變小。此外，硫?qū)y或銅的軸承材料的腐蝕，潤(rùn)滑油中水分對(duì)銅鉛合金的腐蝕，都應(yīng)予以注意。以上列舉了常見(jiàn)的幾種失效形式，由于工作條件不同，滑動(dòng)軸承還可出現(xiàn)氣蝕、流體侵蝕、電侵蝕和微動(dòng)磨損等損傷。從美國(guó)、英國(guó)和日本三家汽車廠統(tǒng)計(jì)的汽車用滑動(dòng)軸承故障原因的平均比率來(lái)看，因不干凈或由異物進(jìn)入而導(dǎo)致故障的比率較大，參見(jiàn)表6-12。表6-12滑動(dòng)軸承失效原因

2.滑動(dòng)軸承材料

軸瓦與軸承襯的材料通稱為軸承材料。針對(duì)以上所述的失效形式，軸承材料的性能應(yīng)著重滿足以下要求：

(1)良好的減摩性、耐磨性和抗膠合性。

減摩性是指材料具有低的摩擦系數(shù)。耐磨性是指材料的抗磨性能(通常以磨損率表示)。抗膠合性是指材料的耐熱性和抗粘附性。

(2)良好的摩擦順應(yīng)性、嵌入性和磨合性。

摩擦順應(yīng)性是指材料通過(guò)表層彈塑性變形來(lái)補(bǔ)償軸承滑動(dòng)表面初始配合不良的能力。嵌入性是指材料容納硬質(zhì)顆粒嵌入，從而減輕軸承滑動(dòng)表面發(fā)生刮傷或磨粒磨損的性能。磨合性是指軸瓦與軸頸表面經(jīng)過(guò)短期輕載運(yùn)轉(zhuǎn)后，易于形成相互吻合的表面粗糙度。

(3)足夠的強(qiáng)度和抗腐蝕能力。

(4)良好的導(dǎo)熱性、工藝性、經(jīng)濟(jì)性等。

應(yīng)該指出的是：沒(méi)有一種軸承材料全面具備上述性能，因而必須針對(duì)各種具體的情況，仔細(xì)進(jìn)行分析后合理選用。常用的材料可以分為三大類：金屬材料，如軸承合金、銅合金、鋁基合金和鑄鐵等；多孔質(zhì)金屬材料；非金屬材料，如工程塑料、碳—石墨等。

1)軸承合金(通稱巴氏合金或白合金)

軸承合金是錫、鉛、銻、銅的合金，它以錫或鉛作為基體，其內(nèi)含有銻錫(Sb-Sn)或銅錫(Cu-Sn)的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，軟基體則用來(lái)增加材料的塑性。軸承合金的彈性模量和彈性極限都很低，在所有軸承材料中，它的嵌入性及摩擦順應(yīng)性最好，很容易和軸頸磨合，也不易與軸頸發(fā)生膠合。但軸承合金的強(qiáng)度很低，不能單獨(dú)制作軸瓦，只能粘附在青銅、鋼或鑄鐵軸瓦上作軸承襯。軸承合金適用于重載、中高速場(chǎng)合，價(jià)格較貴。

2)銅合金

銅合金具有較高的強(qiáng)度，較好的減磨性和耐磨性。由于青銅的減磨性和耐磨性比黃銅好，故青銅是最常用的材料。青銅有錫青銅、鉛青銅和鋁青銅等幾種，其中錫青銅的減摩性和耐磨性最好，應(yīng)用廣泛。但錫青銅比軸承合金硬度高，磨合性及嵌入性差，適用于重載及中速場(chǎng)合。鉛青銅抗膠合能力強(qiáng)，適用于高速、重載軸承。鋁青銅的強(qiáng)度及硬度較高，抗膠合能力較差，適用于低速重載軸承。在一般機(jī)械中有50％的滑動(dòng)軸承采用青銅材料。

3)鋁基軸承合金

鋁基軸承合金在許多國(guó)家獲得了廣泛的應(yīng)用。它有相當(dāng)好的耐蝕性和較高的疲勞強(qiáng)度，摩擦性也較好。這些品質(zhì)使鋁基軸承合金在部分領(lǐng)域取代了較貴的軸承合金和青銅。鋁基軸承合金可以制成單金屬零件(如軸套、軸承等)，也可以制成雙金屬零件，雙金屬軸瓦以鋁基軸承合金為軸承襯，以鋼作襯背。

4)灰鑄鐵和耐磨鑄鐵

普通灰鑄鐵或加有鎳、鉻鈦等合金成分的耐磨灰鑄鐵或者是球墨鑄鐵，都可以用作軸承材料。這類材料中的片狀或球狀石墨在材料表面上覆蓋后，可以形成一層起潤(rùn)滑作用的石墨層，故具有一定的減摩性和耐磨性。此外石墨能吸附碳?xì)浠衔铮兄谔岣哌吔鐫?rùn)滑性能，故采用灰鑄鐵作軸承材料時(shí)應(yīng)加潤(rùn)滑油。由于鑄鐵性脆、磨合性能差，故只適用于輕載低速和不受沖擊載荷的場(chǎng)合。

5)多孔質(zhì)金屬材料

多孔質(zhì)金屬材料是不同類型的金屬粉末經(jīng)壓制、燒結(jié)而成的。這種材料是多孔結(jié)構(gòu)的，孔隙約占體積的10％～35％。使用前先把軸瓦在加熱的油中浸漬數(shù)小時(shí)，使孔隙中充滿潤(rùn)滑油，因而通常把這種材料制成的軸承稱為含油軸承，它具有自潤(rùn)滑性。工作時(shí)，由于軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)的抽吸作用及軸承發(fā)熱時(shí)油的膨脹作用，油便進(jìn)入摩擦表面間起潤(rùn)滑作用；不工作時(shí)，因毛細(xì)管作用，油便被吸回到軸承內(nèi)部，故在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，即使不加油仍能很好的工作。如果定期給以供油，則使用效果更好。但由于其韌性較小，故宜用于平穩(wěn)無(wú)沖擊載荷及中低速情況。常用的有多孔鐵和多孔質(zhì)青銅：多孔鐵常用來(lái)制作磨粉機(jī)軸套、機(jī)床油泵襯套、內(nèi)燃機(jī)凸輪軸襯套等；多孔質(zhì)青銅常用來(lái)制作電唱機(jī)、電風(fēng)扇、紡織機(jī)械及汽車發(fā)電機(jī)的軸承。我國(guó)也有專門制造含油軸承的生產(chǎn)廠家，需用時(shí)可根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)選用。

6)非金屬材料

非金屬材料中應(yīng)用最廣的是各種塑料，如酚醛樹(shù)脂、尼龍、聚四氟乙烯等。聚合物的特性是：與許多化學(xué)物質(zhì)不起反應(yīng)，抗腐蝕性好，例如聚四氟乙烯(PTEE)能抗強(qiáng)酸和弱堿；具有一定的自潤(rùn)滑性，可以在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作，在高溫條件下具有一定的潤(rùn)滑能力；具有包容異物的能力(嵌入性好)，不宜擦傷配合零件表面；減摩性及耐磨性比較好。

選擇聚合物作軸承材料時(shí)，必須注意以下一些問(wèn)題：①由于聚合物的熱傳導(dǎo)能力差，只有鋼的百分之幾，因此必須考慮摩擦熱的消散問(wèn)題，它嚴(yán)格限制聚合物軸承的工作轉(zhuǎn)速及壓力值。②因?yàn)榫酆衔锏木€脹系數(shù)比鋼大得多，因此聚合物軸承與鋼制軸頸的間隙比金屬軸承的間隙大。③聚合物材料的強(qiáng)度和屈服極限較低，因而在裝配和工作時(shí)能承受的載荷有限。④聚合物在常溫下會(huì)產(chǎn)生蠕變現(xiàn)象，因而不宜用來(lái)制作間隙要求嚴(yán)格的軸承。碳—石墨是電機(jī)電刷的常用材料，也是不良環(huán)境中的軸承材料。碳—石墨是由不同量的碳和石墨構(gòu)成的人造材料，石墨含量越多，材料越軟，摩擦系數(shù)越小。可在碳—石墨材料中加入金屬、聚四氟乙烯或二硫化鉬成分，也可以浸漬液體潤(rùn)滑劑。碳—石墨軸承具有自潤(rùn)滑性，它的自潤(rùn)性和減摩性取決于吸附的水蒸氣量。碳—石墨和含有碳?xì)浠衔锏臐?rùn)滑劑有親和力，加入潤(rùn)滑劑有助于提高其邊界潤(rùn)滑性能。此外，它還可以作水潤(rùn)滑的軸承材料。橡膠主要用于以水作潤(rùn)滑劑或環(huán)境較臟污之處。橡膠軸承內(nèi)壁上帶有縱向溝槽，便于潤(rùn)滑劑的流通、加強(qiáng)冷卻效果并沖走臟物。

木材具有多孔質(zhì)結(jié)構(gòu)，可用填充劑來(lái)改善其性能。填充聚合物能提高木材的尺寸穩(wěn)定性和減少吸濕量，并能提高強(qiáng)度。采用木材(以溶于潤(rùn)滑油的聚乙烯作填充劑)制成的軸承，可在灰塵極多的條件下工作，例如用作建筑、農(nóng)業(yè)中使用的帶式輸送機(jī)支撐滾子的滑動(dòng)軸承。6.2.3非液體滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)

非液體滑動(dòng)軸承的主要失效形式為工作表面的磨損和膠合，所以其設(shè)計(jì)計(jì)算準(zhǔn)則是：維持邊界油膜不破裂。由于影響非液體摩擦滑動(dòng)軸承承載能力的因素十分復(fù)雜，所以目前所采用的計(jì)算方法仍限于簡(jiǎn)化條件。

1．徑向滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)時(shí)，一般已經(jīng)知道軸頸直徑d，轉(zhuǎn)速n，軸承承受的徑向載荷FR(圖6-33)，然后按照下述步驟進(jìn)行計(jì)算。圖6-33徑向滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(1)根據(jù)工作條件和使用要求，確定軸承的結(jié)構(gòu)形式，并選定軸瓦材料。

(2)確定軸承的寬度B。一般按寬徑比B/d及d來(lái)確定B。B/d越大，軸承的承載能力越大，但油不易從兩端流出，散熱性差，油溫升高；B/d越小，則兩端泄漏量大，摩擦功耗小，軸承溫升小，但承載能力小。通常取B/d＝0.5～1.5。若必須要求B/d>1.5～1.75，則應(yīng)改善潤(rùn)滑條件，并采用自動(dòng)調(diào)位軸承。

常用機(jī)械推薦值見(jiàn)表6-13。表6-13常用機(jī)械B/d推薦值

(3)驗(yàn)算軸承的工作壓力。

①校核壓強(qiáng)p。

對(duì)于低速或間歇工作的軸承，為了防止?jié)櫥蛷墓ぷ鞅砻鏀D出，保證良好的潤(rùn)滑而不致過(guò)度磨損，壓強(qiáng)p應(yīng)滿足下列條件：

式中：FR為軸承軸向載荷，單位為N；[p]為許用壓強(qiáng)，單位為MPa，可以從有關(guān)手冊(cè)查到；d、B為軸頸的直徑和工作長(zhǎng)度，單位為mm。②校核壓強(qiáng)速度值pv。

壓強(qiáng)速度pv值間接反映軸承的溫升，對(duì)于載荷較大和速度較高的軸承，為了保證軸承工作時(shí)不致過(guò)度發(fā)熱產(chǎn)生膠合失效，pv值應(yīng)滿足下列條件：

式中：n為軸的轉(zhuǎn)速，單位r/min；

[pv]為pv的許用值，也可以從有關(guān)手冊(cè)查到。③校核速度v。

對(duì)于壓強(qiáng)p小的軸承，即使p和pv值驗(yàn)算合格，由于滑動(dòng)速度過(guò)高時(shí)也會(huì)產(chǎn)生加速磨損而使軸承報(bào)廢，因此，還要作速度的驗(yàn)算，其條件式為

[v]為許用速度值，單位為m/s，也可以從有關(guān)手冊(cè)查到。

④選擇軸承配合。

在非液體滑動(dòng)摩擦軸承中，根據(jù)不同的使用要求，為了保證一定的旋轉(zhuǎn)精度，必須合理選擇軸承的配合，以保證一定的間隙，具體的選擇如表6-14所示。表6-14軸承配合的選擇

2．止推滑動(dòng)軸承設(shè)計(jì)計(jì)算

止推滑動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)步驟與徑向滑動(dòng)軸承相同。

圖6-34所示為止推軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其主要核算步驟如下：(1)校核壓強(qiáng)p。

式中：FA為軸向載荷，單位為N；

d1、d2為軸環(huán)的內(nèi)外徑，單位為mm，一般取d1＝(0.4～0.6)d2；圖6-34止推滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

[p]為p的許用值，單位MPa，可以在手冊(cè)上查得；

K為考慮油槽使支撐面積減小的系數(shù)，一般取K=0.90～0.95。

(2)校核pvm值。

pvm≤[pv]

式中：vm為軸環(huán)的平均速度，單位為m/s，

為軸環(huán)平均直徑，單位為mm；

[pv]為許用值，單位MPa·m/s，見(jiàn)表6-15。表6-15滑動(dòng)軸承的許用[pv]值

常用軸承形式及尺寸如表6-16所示。

壓強(qiáng)計(jì)算公式為

式中，z為軸環(huán)的數(shù)目。表6-16止推滑動(dòng)軸承形式及尺寸

3.計(jì)算示例

例6-2用于離心泵的徑向滑動(dòng)軸承，軸頸d＝50mm，轉(zhuǎn)速n＝1500r/min，承受的徑向載荷FR=2500N，軸承材料為ZCuSn5Zn5Pb5。根據(jù)非液體摩擦滑動(dòng)軸承計(jì)算方法校核該軸承是否可用？如不可用，應(yīng)如何改進(jìn)(按軸的強(qiáng)度計(jì)算，軸頸直徑不得小于50mm)?

解查表得到ZCuSn5Zn5Pb5的許用值：[p]=5MPa，[v]=3m/s，[pv]=10MPa·m/s。按已知數(shù)據(jù)，并取B/d＝1，得

由以上計(jì)算可知，v>[v]，故考慮從以下兩個(gè)方面來(lái)改進(jìn)：

(1)減小軸頸以降低速度，取d=50mm，則

故，此方案不可用。

(2)改選材料。

在銅合金軸瓦上澆鑄軸承合金ZChSn10P16—16—2，查表得[p]=15MPa，[v]=12m/s，[pv]=15MPa·m/s。其它參數(shù)不變，可滿足要求。

6.3滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)

滾動(dòng)軸承是機(jī)器上一種重要的通用部件。它依靠主要元件間的滾動(dòng)接觸來(lái)支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件，具有摩擦阻力小、容易啟動(dòng)、效率高、軸向尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，而且由于大量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，具有制造成本低的優(yōu)點(diǎn)，因而其在各種機(jī)械中得到了廣泛的使用。

滾動(dòng)軸承已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，由專門的工廠大量生產(chǎn)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，我們的主要工作就是根據(jù)具體的工作條件正確選用軸承的類型和尺寸，并進(jìn)行軸承安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑、密封等軸承組合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。6.3.1滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)和類型

1.滾動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)

滾動(dòng)軸承嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是一個(gè)組合標(biāo)準(zhǔn)件，其基本結(jié)構(gòu)如圖6-35所示。它主要由內(nèi)圈1、外圈2、滾動(dòng)體3和保持架4等四個(gè)部分組成。通常其內(nèi)圈用來(lái)與軸頸配合裝配，外圈的外徑用來(lái)與軸承座或機(jī)架座孔相配合裝配。有時(shí)也有軸承內(nèi)圈與軸固定不動(dòng)、外圈轉(zhuǎn)動(dòng)的場(chǎng)合。作為轉(zhuǎn)軸支撐的滾動(dòng)軸承，顯然其中的滾動(dòng)體是必不可少的元件；有時(shí)為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本造價(jià)，可根據(jù)需要而省去內(nèi)圈、外圈甚至保持架等，這時(shí)滾動(dòng)體直接與軸頸和座孔滾動(dòng)接觸。例如自行車上的滾動(dòng)軸承就是這樣的簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)。

當(dāng)內(nèi)、外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體即在內(nèi)外圈的滾道中滾動(dòng)。

常見(jiàn)的滾動(dòng)體形狀如圖6-36所示，有球形、圓柱形、滾針、圓錐、球面滾子和非對(duì)稱球面滾子。圖6-35滾動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)圖6-36滾動(dòng)體形狀滾動(dòng)軸承的內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體一般采用軸承鉻鋼(如GCr9、Gcr15、GCr15SiMn等)經(jīng)淬火制成，硬度在HRC60以上。

保持架使?jié)L動(dòng)體均勻分布在圓周上，其作用是：避免相鄰滾動(dòng)體之間的接觸。保持架有沖壓式和實(shí)體式兩種。

沖壓式：用低碳鋼沖壓制成。

實(shí)體式：用銅合金、鋁合金或工程塑料制成，具有較好的定心精度，適用于較高速的軸承。

2.滾動(dòng)軸承的主要類型及性能

滾動(dòng)軸承的分類依據(jù)主要是其所能承受的載荷方向(或公稱接觸角)和滾動(dòng)體的種類。所以滾動(dòng)軸承的一個(gè)重要參數(shù)就是接觸角。接觸角的概念：滾動(dòng)體和套圈接觸處的法線與軸承徑向平面(垂直于軸承軸心線的平面)之間的夾角α稱為公稱接觸角。α越大，則軸承承受軸向載荷的能力就越大。按軸承的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和所能承受的外載荷或公稱接觸角的不同，滾動(dòng)軸承分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三種。

(1)向心軸承(也稱徑向軸承)：主要或只能承受徑向載荷的滾動(dòng)軸承，其公稱壓力角為0°～45°。向心軸承按公稱接觸角的不同又可以分為徑向接觸軸承和向心角接觸軸承。

①?gòu)较蚪佑|軸承：公稱接觸角為0°的向心軸承，如深溝球軸承、圓柱滾子軸承和滾針軸承等。其中深溝球軸承除了主要承受徑向載荷外，同時(shí)還可以承受一定的軸向載荷(雙向)，在高轉(zhuǎn)速時(shí)甚至可以代替推力軸承來(lái)承受純軸向載荷，因此有時(shí)也把它看做向心推力軸承。它的設(shè)計(jì)計(jì)算也與后述的向心推力軸承(角接觸球軸承、圓錐滾子軸承類似)。與尺寸相同的其它軸承相比，深溝球軸承具有摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格低廉，故獲得了最為廣泛的應(yīng)用。②向心角接觸軸承：公稱接觸角在0°～45°的向心軸承，如角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、調(diào)心軸承等。

調(diào)心軸承在主要承受徑向載荷的同時(shí)，也可以承受不大的軸向載荷。其主要特點(diǎn)在于：允許內(nèi)外圈軸線有較大的偏斜(2°～3°)，因而具有自動(dòng)調(diào)心的功能，可以適應(yīng)軸的撓曲和兩軸承孔的同軸度誤差較大的情況。

(2)推力軸承：主要用于承受軸向載荷的滾動(dòng)軸承，其公稱接觸角為45°～90°。推力軸承按公稱接觸角的不同又分為：

①軸向接觸軸承：公稱接觸角為90°的推力軸承，如推力球軸承等。②推力角接觸軸承：公稱接觸角為45°到90°的推力軸承，如推力角接觸軸承等。

按照承受單向軸向力和雙向軸向力也可以將其分為單列和雙列推力軸承。

(3)向心推力軸承：這類軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，可以同時(shí)承受徑向載荷和較大的軸向載荷。

工程上常用的滾動(dòng)軸承分為五類：深溝球軸承、圓柱滾子軸承、單列推力球軸承、角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。各類滾動(dòng)軸承的性能見(jiàn)表6-17。表6-17滾動(dòng)軸承的類型、主要特性及應(yīng)用

6.3.2滾動(dòng)軸承的代號(hào)

滾動(dòng)軸承的種類很多，而各類軸承又有不同結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等級(jí)等。為了表征各類軸承的不同特點(diǎn)，為了便于組織生產(chǎn)、管理、選擇和使用，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了滾動(dòng)軸承代號(hào)的表示方法，由數(shù)字和字母所組成。

滾動(dòng)軸承的代號(hào)由三個(gè)部分組成：前置代號(hào)、基本代號(hào)和后置代號(hào)，見(jiàn)表6-18。表6-18滾動(dòng)軸承的代號(hào)組成

1.基本代號(hào)

基本代號(hào)是表示軸承主要特征的基礎(chǔ)部分，也是我們應(yīng)著重掌握的內(nèi)容，包括軸承類型、尺寸系列和內(nèi)徑。

類型代號(hào)用阿拉伯?dāng)?shù)字(以下簡(jiǎn)稱數(shù)字)或大些拉丁字母(簡(jiǎn)稱字母)表示，個(gè)別情況下可以省略。

尺寸系列是由軸承的直徑系列代號(hào)和寬(高)度系列代號(hào)組合而成的，用兩位數(shù)字表示。寬度系列是指結(jié)構(gòu)、內(nèi)徑和直徑都相同的軸承，在寬度方面的變化。寬度系列代號(hào)為一系列不同數(shù)字，依8、0、1、…、6次序遞增(推力軸承的高度依7、9、1、2順序遞增)。當(dāng)寬度系列為0系列時(shí)，對(duì)多數(shù)軸承在代號(hào)中可以不予標(biāo)出(但對(duì)調(diào)心軸承需要標(biāo)出)。寬度系列代號(hào)用基本代號(hào)右起第四位數(shù)字表示。直徑系列表示同一類型、相同內(nèi)徑的軸承在外徑和寬度上的變化系列，用基本代號(hào)右起第三位數(shù)字表示(滾動(dòng)體尺寸隨之增大)，即按7、8、9、0、1、…、5順序外徑尺寸增大，如圖6-37所示。圖6-37滾動(dòng)軸承的尺寸系列內(nèi)徑代號(hào)是用兩位數(shù)字表示軸承的內(nèi)徑：內(nèi)徑d=10～480mm的軸承內(nèi)徑表示方法見(jiàn)表6-19(其它有關(guān)尺寸的軸承內(nèi)徑需查閱有關(guān)手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)，用基本代號(hào)右起第一、二兩位數(shù)字表示)。表6-19軸承內(nèi)徑表示方法

2．前置代號(hào)、后置代號(hào)

前置代號(hào)、后置代號(hào)是軸承在結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、公差、技術(shù)要求等有改變時(shí)，在基本代號(hào)左右添加的補(bǔ)充代號(hào)。

前置代號(hào)用字母表示，用以說(shuō)明成套軸承部件的特點(diǎn),一般軸承無(wú)需作此說(shuō)明，前置代號(hào)可以省略。

后置代號(hào)用字母和字母—數(shù)字的組合來(lái)表示，按不同的情況可以緊接在基本代號(hào)之后或者用“-”、“/”符號(hào)隔開(kāi)。

常見(jiàn)的軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號(hào)及公差等級(jí)代號(hào)分別見(jiàn)表6-20和表6-21。

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號(hào)。

內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號(hào)表示同一類型軸承不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用字母表示，且緊跟在基本代號(hào)之后。如C、AC和B分別代表公稱接觸角為15°、25°和40°的角接觸球軸承。

(2)軸承公差代號(hào)。其精度等級(jí)按表6-21中的順序依次提高。表6-20內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號(hào)

表6-21軸承公差代號(hào)

其它各符號(hào)的含義可以查閱GB/T272—93，此處不作過(guò)多介紹。

例6-3試說(shuō)明軸承代號(hào)6206、32315E、7312C及51410/P6的含義。

解6206：6深溝球軸承；2尺寸系列代號(hào)，直徑系列為2，寬度系列為0(省略)；06為軸承內(nèi)徑30mm；公差等級(jí)為0級(jí)。

32315E：3為圓錐滾子軸承；23為尺寸系列代號(hào)，直徑系列為3、寬度系列為2；15為軸承內(nèi)徑75mm；E加強(qiáng)型；公差等級(jí)為0級(jí)。

7312C：7為角接觸球軸承；3為尺寸系列代號(hào)，直徑系列為3、寬度系列為0(省略)；12為軸承內(nèi)徑60mm；C為公稱接觸角α＝15°；公差等級(jí)為0級(jí)。

51410/P6：5為雙向推力軸承；14為尺寸系列代號(hào)，直徑系列為4、寬度系列為1；10為軸承直徑50mm；P6前有“/”，為軸承公差等級(jí)。6.3.3滾動(dòng)軸承的類型選擇

滾動(dòng)軸承的類型很多，選用軸承首先應(yīng)選擇類型,而選擇類型時(shí)必須依據(jù)各類軸承的特性。設(shè)計(jì)手冊(cè)和國(guó)標(biāo)中給出了各類軸承的性能特點(diǎn)，選用時(shí)可參考。同時(shí)，在選用軸承時(shí)還要考慮下面幾個(gè)因素。

1.軸承所受的載荷(大小、方向和性質(zhì))

受純徑向載荷時(shí),應(yīng)選用向心軸承(如60000、N0000、NU0000型等)。受純軸向載荷時(shí)，應(yīng)選用推力軸承(如50000型)。對(duì)于同時(shí)承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa的軸承，應(yīng)根據(jù)兩者(Fa/Fr)的比值來(lái)確定：若Fa相對(duì)于Fr較小時(shí)，可選用深溝球軸承(60000型)、接觸角不大的角接觸球軸承(70000C型)及圓錐滾子軸承(30000型)；當(dāng)Fa相對(duì)于Fr較大時(shí)，可選用接觸角較大的角接觸球軸承(70000AC型或70000C型)；當(dāng)Fa比Fr大很多時(shí)，應(yīng)考慮采用向心軸承和推力軸承的組合結(jié)構(gòu)，以分別承受徑向載荷和軸向載荷。在同樣外廓尺寸的條件下，滾子軸承比球軸承的承載能力和抗沖擊能力要大。故載荷較大、有振動(dòng)和沖擊時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選用滾子軸承。反之，輕載和要求旋轉(zhuǎn)精度較高的場(chǎng)合應(yīng)選擇球軸承。

同一軸上兩處支承的徑向載荷相差較大時(shí)，也可以選用不同類型的軸承。

2.軸承的轉(zhuǎn)速

在一般轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速的高低對(duì)類型選擇不發(fā)生什么影響，只有當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，才會(huì)有比較顯著的影響。在軸承樣本中列入了各種類型、各種尺寸軸承的極限轉(zhuǎn)速nlim值。這個(gè)極限轉(zhuǎn)速是指載荷P≤0.1C(C為基本額定動(dòng)載荷)，冷卻條件正常，且為0級(jí)公差時(shí)的最大允許轉(zhuǎn)速。但nlim值并不是一個(gè)不可超越的界限。所以，一般必須保證軸承在低于極限轉(zhuǎn)速條件下工作。

(1)球軸承比滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速高，所以在高速情況下應(yīng)選擇球軸承。

(2)當(dāng)軸承內(nèi)徑相同，外徑越小時(shí)，滾動(dòng)體越小，產(chǎn)生的離心力越小，對(duì)外徑滾道的作用也越小。所以，外徑越大，極限轉(zhuǎn)速越低。

(3)實(shí)體保持架比沖壓保持架允許有較高的轉(zhuǎn)速。

(4)推力軸承的極限轉(zhuǎn)速低，所以當(dāng)工作轉(zhuǎn)速較高而軸向載荷較小時(shí)，可以采用角接觸球軸承或深溝球軸承。

3.調(diào)心性能的要求

對(duì)于因支點(diǎn)跨距大而使軸剛性較差或因軸承座孔的同軸度低等原因而使軸撓曲時(shí)，為了適應(yīng)軸的變形，應(yīng)選用允許內(nèi)外圈有較大相對(duì)偏斜的調(diào)心軸承。例如，10000系列和20000系列的調(diào)心球軸承可以在內(nèi)外圈產(chǎn)生不大的相對(duì)偏斜時(shí)正常工作。

在使用調(diào)心軸承的軸上，一般不宜使用其它類型的軸承，以免受其影響而失去了調(diào)心作用。

滾子軸承對(duì)軸線的偏斜最敏感，調(diào)心性能差，在軸的剛度和軸承座的支撐剛度較低的情況下，應(yīng)盡可能避免使用。

4.拆裝方便等其它因素

選擇軸承類型時(shí)，還應(yīng)考慮到軸承裝拆的方便性、安裝空間尺寸的限制以及經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。例如，在軸承的徑向尺寸受到限制的時(shí)候，就應(yīng)選擇同一類型、相同內(nèi)徑軸承中外徑較小的軸承，或考慮選用滾針軸承。

在軸承座沒(méi)有剖分面而必須沿軸向安裝和拆卸時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇內(nèi)、外圈可分離的軸承。

球軸承比滾子軸承便宜，在能滿足需要的情況下應(yīng)優(yōu)先選用球軸承。

同型號(hào)不同公差等級(jí)的軸承價(jià)格相差很大，故對(duì)高精度軸承應(yīng)慎重選用。6.3.4滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算

滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算要解決的問(wèn)題可以分為兩類：

(1)對(duì)于已選定具體型號(hào)的軸承，求在給定

載荷下不發(fā)生點(diǎn)蝕的使用期限，即壽命計(jì)算。

(2)在規(guī)定的壽命期限內(nèi)和給定載荷情況下選取某一具體軸承的型號(hào)(即選型設(shè)計(jì))。

滾動(dòng)軸承尺寸選擇的基本理論是通過(guò)對(duì)軸承在實(shí)際使用中的破壞形式進(jìn)行總結(jié)而建立起來(lái)的，所以首先我們必須了解滾動(dòng)軸承的失效形式。

1.失效形式和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1)疲勞點(diǎn)蝕

實(shí)踐表明：在安裝、潤(rùn)滑、維護(hù)良好的條件下，滾動(dòng)軸承的正常失效形式是滾動(dòng)體或內(nèi)、外圈滾道上的點(diǎn)蝕破壞;成因是由于大量地承受變化的接觸應(yīng)力。

滾動(dòng)軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，相對(duì)于徑向載荷方向的不同方位處的載荷大小是不同的，如圖6-38所示，與徑向載荷相反方向上有一個(gè)徑向載荷為零的非承載區(qū),而且滾動(dòng)體與套圈滾道的接觸傳力點(diǎn)也隨時(shí)都在變化(因?yàn)閮?nèi)圈或外圈的轉(zhuǎn)動(dòng)以及滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)),所以滾動(dòng)體和套圈滾道的表面受脈動(dòng)循環(huán)變化的接觸應(yīng)力。圖6-38滾動(dòng)體受力圖在這種接觸變應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下，金屬表層會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn)狀剝落現(xiàn)象，這就是疲勞點(diǎn)蝕。

發(fā)生點(diǎn)蝕破壞后，在運(yùn)轉(zhuǎn)中將會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)烈的振動(dòng)、噪音和發(fā)熱現(xiàn)象，最后導(dǎo)致失效而不能正常工作。軸承的設(shè)計(jì)就是針對(duì)這種失效而展開(kāi)的。

2)塑性變形

在特殊情況下也會(huì)發(fā)生其它形式的破壞，例如壓凹、燒傷、磨損、斷裂等。當(dāng)軸承不回轉(zhuǎn)、緩慢擺動(dòng)或低速轉(zhuǎn)動(dòng)(n<10r/min)時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞損壞。但過(guò)大的靜載荷或沖擊載荷會(huì)使套圈滾道與滾動(dòng)體接觸處產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力，在局部應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)將產(chǎn)生較大的塑性變形，從而導(dǎo)致軸承失效。因此對(duì)于這種工況下的軸承需作靜強(qiáng)度計(jì)算。

雖然滾動(dòng)軸承的其它失效形式(如套圈斷裂、滾動(dòng)體破碎、保持架磨損、銹蝕等)在使用中時(shí)有發(fā)生，但只要制造合格、設(shè)計(jì)合理、安裝維護(hù)正常，都是可以防止的。所以在工程上，我們主要以疲勞點(diǎn)蝕和壓凹兩類失效形式進(jìn)行計(jì)算。

3)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由于滾動(dòng)軸承的正常失效形式是點(diǎn)蝕破壞，所以對(duì)于一般轉(zhuǎn)速的軸承，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則就是以防止點(diǎn)蝕引起的過(guò)早失效而進(jìn)行疲勞點(diǎn)蝕計(jì)算，在軸承計(jì)算中稱為壽命計(jì)算。

對(duì)于不轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)或轉(zhuǎn)速低的軸承，要求控制塑性變形，應(yīng)作靜強(qiáng)度計(jì)算；而對(duì)于以磨損、膠合為主要失效形式的軸承，由于影響因素復(fù)雜，目前還沒(méi)有相應(yīng)的計(jì)算方法，只能采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施。

2.滾動(dòng)軸承的基本額定壽命和基本額定動(dòng)載荷

軸承的壽命就是滾動(dòng)軸承在點(diǎn)蝕破壞前所轉(zhuǎn)過(guò)的總轉(zhuǎn)數(shù)(以106r為單位)或在規(guī)定的轉(zhuǎn)速下工作的總小時(shí)數(shù)。

但是，由于制造精度、材料的差異，即使是同樣的材料、同樣的尺寸以及同一批生產(chǎn)出來(lái)的軸承，在完全相同的條件下工作，它們的壽命也不相同，也會(huì)產(chǎn)生較大的差異，甚至相差幾十倍。因此，軸承壽命計(jì)算就需要采用概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)進(jìn)行處理，即為在一定可靠度(能正常工作而不失效的概率)下的壽命。同一型號(hào)的軸承，在可靠度要求不同時(shí)其壽命也不同，即可靠度要求高時(shí)其壽命較短，可靠度要求低時(shí)其壽命較長(zhǎng)。為了便于統(tǒng)一，考慮到一般機(jī)器的使用條件及可靠性要求，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基本額定壽命：一組在相同條件下運(yùn)轉(zhuǎn)的近于相同的軸承，按有10%的軸承發(fā)生點(diǎn)蝕破壞，而其余90%的軸承未發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前的轉(zhuǎn)數(shù)L10(以106r為單位)或工作小時(shí)數(shù)Lh。也就是說(shuō)，以軸承的基本額定壽命為計(jì)算依據(jù)時(shí)，軸承的失效概率為10％，而可靠度為90％。

對(duì)于一個(gè)具體的軸承，其結(jié)構(gòu)、尺寸、材料都已確定。這時(shí)，如果工作載荷越大，產(chǎn)生的接觸應(yīng)力越大，從而發(fā)生點(diǎn)蝕破壞前所能經(jīng)受的應(yīng)力變化次數(shù)也就越少，折合成軸承能夠旋轉(zhuǎn)的次數(shù)也就越少，軸承的壽命也就越短。為了在計(jì)算時(shí)有一個(gè)基準(zhǔn)，就引入了基本額定動(dòng)載荷的概念，用符號(hào)Cr表示。基本額定動(dòng)載荷Cr是指軸承的基本額定壽命恰好為106r時(shí)，軸承所能承受的載荷值。

對(duì)于向心及向心推力軸承，Cr指的是徑向力(徑向載荷)。對(duì)于推力軸承，Cr指的是軸向力。

基本額定動(dòng)載荷代表了不同型號(hào)軸承的承載特性。已經(jīng)通過(guò)大量的試驗(yàn)和理論分析得到，在軸承樣本中對(duì)每個(gè)型號(hào)的軸承都給出了基本額定動(dòng)載荷，在使用時(shí)可以直接查取。

3.滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算

上面我們介紹了基本額定動(dòng)載荷和基本額定壽命的概念。但是，軸承工作條件是千變?nèi)f化的，在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)有兩種情況出現(xiàn)：

(1)對(duì)于具有基本額定動(dòng)載荷Cr的軸承，當(dāng)它所受的載荷P(計(jì)算值)等于Cr時(shí)，其基本額定壽命就是106r。但是，當(dāng)P≠Cr時(shí)，軸承的壽命是多少？

(2)如果我們知道軸承應(yīng)該承受的載荷P，而且要求軸承的壽命為L(zhǎng)，那么我們應(yīng)如何選擇軸承？圖6-39軸承的載荷壽命曲線很顯然，當(dāng)選定的軸承在某一確定的載荷P(P≠Cr)下工作時(shí)，其壽命L將不同于基本額定壽命。圖6-39所示是6208軸承的載荷壽命曲線。

曲線上各點(diǎn)代表不同載荷下軸承的載荷和壽命關(guān)系。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)得出以下關(guān)系式：

也就是

對(duì)于球軸承ε=3；對(duì)于滾子軸承工程上為了使用方便，多用小時(shí)數(shù)表示壽命。若轉(zhuǎn)速為n，則

同樣，如果我們已知載荷為P，轉(zhuǎn)速為n，要求軸承的預(yù)期壽命為L(zhǎng)h′，則由上式可以得到所需軸承的基本額定動(dòng)載荷為在軸承標(biāo)準(zhǔn)和樣本中所得到的基本額定動(dòng)載荷是在一般工作環(huán)境下而言的，如果工作在高溫情況下，則這些數(shù)值必須進(jìn)行修正，也就是要乘上溫度系數(shù)ft予以修正，求得在高溫工況條件下的基本額定動(dòng)載荷：

Ct=ftCr

自然，上面所講的公式將發(fā)生相應(yīng)的變化，

ft的具體數(shù)值見(jiàn)表6-22。表6-22ft的具體數(shù)值

4.滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷

軸承的工作條件千變?nèi)f化，受載情況也往往與試驗(yàn)不一致，所以必須進(jìn)行必要的換算。就像前面引入當(dāng)量摩擦系數(shù)一樣，我們?cè)谶@里引入當(dāng)量動(dòng)載荷的概念。也就是說(shuō)，如果軸承的承載情況與上述條件不一致，我們必須把實(shí)際載荷換算為與上述條件等效的載荷，才能和C進(jìn)行比較。這個(gè)經(jīng)換算而得到的載荷是一個(gè)假定的載荷，稱為當(dāng)量動(dòng)載荷P。在此載荷的作用下，軸承的壽命與實(shí)際載荷作用下的壽命相同。所以，在軸承的壽命計(jì)算公式中引入的所有載荷P都指的是當(dāng)量動(dòng)載荷。對(duì)于只能承受軸向力Fa的推力軸承，P=Fa。

對(duì)于只能承受徑向力Fr的向心軸承，P=Fr。

對(duì)于可以同時(shí)承受Fa和Fr的軸承，例如深溝球軸承、調(diào)心軸承和向心推力軸承，當(dāng)量動(dòng)載荷P應(yīng)與實(shí)際作用的復(fù)合外載有同樣的效果，即

P=XFr+YFa

其中：X為徑向系數(shù)；Y為軸向系數(shù)。其選擇可按≤e和

≤e兩種情況由表中查取。利用上式所求得的當(dāng)量動(dòng)載荷只是理論值，實(shí)際上機(jī)器的慣性、零件的不精確性及其它因素的影響，也必須給予修正?？紤]上面的因素，引入載荷系數(shù)fp，對(duì)應(yīng)于三種情況分

別有：

P=fpFa

P=fpFr

P=fp(XFr+YFa)

5.角接觸軸承的軸向載荷計(jì)算

對(duì)于向心推力軸承而言，在承受徑向載荷時(shí)，要派生