《機械設計基礎項目教程》課件項目5

模塊一設計單級齒輪減速器中的輸出軸

模塊二減速器中滾動軸承的選用

模塊三選用帶式輸送機中的聯軸器項目五通用機械零部件模塊一設計單級齒輪減速器中的輸出軸

任務情境

1.減速器的組成

一級圓柱齒輪減速器的組成如圖5-1-1所示，其中1為下箱體，2為油塞，3為吊耳，4為檢查孔蓋，5為通氣器，6為吊環(huán)，7為上箱體，8為游標尺，9為啟蓋螺釘，10為定位銷，11為輸出軸系，12為輸入軸系，13為輸油溝。(各部分的作用詳見項目四減速器的機構。)圖5-1-1一級圓柱齒輪減速器的結構圖

2.減速器的工作原理

減速器是指原動機與工作機之間獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉速并相應地增大轉矩。減速器的種類很多，在此僅以一級圓柱齒輪減速器為例來說明其工作原理。其工作原理見項目二中模塊一的相關內容。任務提出與任務分析

1.任務提出

設計圖5-1-2所示帶式運輸機中的單級斜齒輪減速器輸出軸。已知：傳遞功率P=23.05kW，從動輪的轉速n=245.6r/min，從動齒輪的分度圓直徑d=319.19mm，螺旋角β=8°6′34″，輪轂長度l=80mm，減速器單向運轉。圖5-1-2減速器傳動示意圖

2.任務分析

在工程實踐中，一級圓柱斜齒輪減速器中的輸出軸是一種簡單而又常見的軸。為了合理地設計出減速器輸出軸的尺寸參數和結構，我們必須先了解減速器的結構和工作原理，再選用合適的材料，而且要掌握軸的設計計算方法，并進行強度、剛度的校核分析計算，必要時還要進行軸的疲勞強度校核。相關知識

5.1.1減速器中軸的功用、類型及材料

1.軸的類型

1)根據受載情況分類

按照承受載荷的不同，軸可分為傳動軸、心軸和轉軸三種類型。圖5-1-3汽車傳動軸圖5-1-4心軸圖5-1-5轉軸(減速器齒輪軸)

2)根據結構形狀分類

根據軸的結構形狀不同，可分為曲軸(見圖5-1-6)、直軸(見圖5-1-7)和撓性軸(見圖5-1-8)。圖5-1-6曲軸圖5-1-7直軸圖5-1-8撓性軸

2.軸的材料

從軸的功用中我們知道，軸主要承受彎矩和扭矩，工作時產生的應力多是循環(huán)交變應力，因此軸的主要失效形式是疲勞破壞。軸又是起支撐作用的重要零件，所以軸的材料應具有足夠的強度、剛度、韌性、耐磨性和耐腐蝕性，對應力集中敏感性小，同時還應考慮制造的工藝性及經濟性。5.1.2軸的結構設計

1.典型軸系結構分析

圖5-1-9所示為一典型階梯軸的結構。圖5-1-9軸的結構

2.軸上零件的定位和固定

1)軸系零件軸向的定位和固定

零件軸向的定位和固定方式一般取決于軸向力的大小。為了防止零件的軸向竄動，通常軸向零件的定位與固定采用以下結構形式：軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母、止退墊圈、彈性擋圈、緊定螺釘與鎖緊擋圈、軸端擋圈以及圓錐面與軸端擋圈等。其具體應用見表5-1-2。

2)軸系零件的周向定位和固定

周向定位和固定的目的是為了傳遞運動和轉矩，避免軸上零件與軸發(fā)生相對轉動。常用的周向固定方法有鍵連接、銷連接、過盈配合及成形連接等。力不大時可使用軸向固定中的緊

定螺釘連接。其具體應用見表5-1-3。

3.各軸段直徑和長度的確定

零件在軸上的定位和裝拆方案確定后，軸的形狀便基本確定了。各軸段所需的直徑與軸上的載荷大小有關。最初，只能根據軸系簡圖和一些基本數據，按軸傳遞的轉矩初估軸的最小

直徑。然后以初估直徑為基礎，進行軸的結構設計，初步得到各軸段的直徑和長度、載荷作用點和支點位置，然后再進行強度校核。下面以圖5-1-9為例說明直徑和長度的確定。

4.軸的結構工藝性

1)軸的加工工藝性

(1)不同軸段的鍵槽，應布置在軸的同一母線上，以減少在鍵槽加工時的裝夾次數，如圖5-1-10所示。

(2)需磨制軸段時，應留砂輪越程槽；需車制螺紋的軸段，應留螺紋退刀槽,如圖5-1-11所示。

(3)相近直徑軸段的過渡圓角、鍵槽、越程槽、退刀槽尺寸應盡量統(tǒng)一。圖5-1-10軸上鍵槽的布置圖5-1-11砂輪越程槽與螺紋退刀槽

2)軸上零件裝配工藝性要求

(1)軸的配合直徑應圓整為標準值。

(2)軸端應有C×45°的倒角,如圖5-1-12所示。

(3)與零件過盈配合的軸端應加工出導向錐面，如圖

5-1-13所示。

(4)裝配段不宜過長，見圖5-1-14。圖5-1-12倒角圖5-1-13導向錐面圖5-1-14裝配軸段結構

5.提高軸的強度措施

1)合理布置軸系零件，改善軸的受力情況

使彎矩分布合理，把軸、轂配合分成兩段，減小最大彎矩值(見圖5-1-15(a))，使轉矩合理分配；當轉矩有一個輸入、幾個輸出時，應將輸入件放在中間(見圖5-1-15(b))。圖5-1-15軸系零件的布置

2)改進軸系零件的結構以減小軸的載荷

如圖5-1-16(a)所示為輪系中間軸齒輪的兩種結構。雙聯齒輪的結構中，齒輪A、B做成一體，轉矩經齒輪A直接傳遞給齒輪B，故齒輪軸只受彎矩而不傳遞扭矩，在傳遞同樣功率的載荷時，軸的直徑可小于分裝齒輪的結構。圖5-1-16(b)所示的卸載帶輪結構恰好相反，其軸只受轉矩的作用而不受彎矩的作用。圖5-1-16軸系零件的不同結構

3)改進軸的結構以減小應力集中

軸大多在變應力下工作，結構設計時應減小應力集中，以提高軸的疲勞強度，這點尤為重要。軸截面尺寸突變處會造成應力集中，所以對階梯軸，相鄰兩段軸徑變化不宜過大，在軸徑變化處的過渡圓角半徑不宜過小。但是對定位軸肩，還必須保證零件得到可靠定位。當靠軸肩定位的零件圓角半徑很小時(如滾動軸承內圈的圓角)，為了增大軸肩處的圓角半徑，可采用內凹圓角或肩環(huán)，如圖5-1-17所示。圖5-1-17軸肩過渡結構當軸與輪轂為過盈配合時，配合邊緣處會產生較大的應力集中(見圖5-1-18(a))。為了減小應力集中，可在輪轂上或軸上開減載槽(見圖5-1-18(b)、(c))，或者增大配合部分的直徑(見圖5-1-18(d))。由于配合的過盈量越大，引起的應力集中也越嚴重，因此在設計中應合理選擇零件與軸的配合。圖5-1-18軸轂配合處的應力集中及其降低方法

4)改進軸的表面質量以提高軸的疲勞強度

表面粗糙度和表面強化處理會對軸的疲勞強度產生影響。表面愈粗糙，疲勞強度愈低。因此，應合理減小軸表面的加工粗糙度值。5.1.3分析軸的受力情況

1.作出軸的力學模型(計算簡圖)

軸所受載荷通常是從軸上零件傳遞來的，在進行受力分析時，一般把軸上的分布載荷簡化為集中力，作用點取在載荷分布段的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起，通常把軸當做置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關，可按照圖5-1-19來確定。圖5-1-19軸承的類型和布置方式如果軸上的載荷不在同一平面內，需求出兩個互相垂直平面的支承反力，即水平面支承反力FRH和垂直面支承反力FRV，如圖5-1-20(a)所示圖5-1-20軸的受力分析圖

2.作出彎矩圖

根據受力簡圖分別作出水平面彎矩MH圖(見圖5-1-20(c))

和垂直面的彎矩MV(見圖5-1-20(b))，求出合成彎矩M(見圖

5-1-20(d))并作出合成彎矩圖。

3.作出扭矩圖

扭矩圖如圖5-1-20(e)所示。5.1.4軸的強度計算

1.按扭轉強度條件計算

根據材料力學中軸的扭轉可知，軸的扭轉強度條件為

(5-1-1)由式(5-1-1)可得軸的設計公式(直徑)為

(5-1-2)

式中,C為由軸的材料和承載情況確定的常數，見表5-1-4。

2.按彎扭合成強度條件計算

對于一般鋼制軸，根據材料力學中的第三強度理論，計算應力為

一般情況下有彎矩產生的彎曲應力σ為對稱循環(huán)變應力；由扭矩產生的扭轉切應力τ則常常不是對稱循環(huán)變應力?？紤]兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數α，則計算應力為

(5-1-3)直徑為d的圓軸，彎曲應力，扭轉切應力

，把σ和τ代入式(5-1-3)，可得軸的彎扭合成強度條件為

(5-1-4)

3.按彎扭合成剛度條件計算

1)軸的彎曲剛度校核計算

軸的彎曲剛度用撓度y或偏轉角θ來表示。根據材料力學中的計算公式和方法可得，軸的彎曲剛度條件為

撓度

y≤［y］

(5-1-5)

偏轉角

θ≤［θ］(5-1-6)

2)軸的扭轉剛度校核計算

軸的扭轉變形用每米長的扭轉角j來表示。根據材料力學知識可得，軸的扭轉剛度條件為

j≤［j

］

(5-1-7)

式中，［j

］為每米長的許用扭轉角，見表5-1-6。探索與實踐

圖5-1-3所示的單級斜齒輪減速器輸出軸的設計過程和結果如表5-1-7所示。圖5-1-21軸的結構與裝配圖5-1-22軸的零件工作圖技能訓練——軸的裝配結構分析與裝配草圖繪制

目的要求：

(1)通過測量和計算，了解軸的結構工藝性和軸的軸向、周向定位與固定，掌握常用量具測定階梯軸的方法，加深對軸肩、軸環(huán)定位高度的認識。

(2)通過分析軸系上的零件，對軸的裝配結構有初步了解。

(3)分析軸的裝配結構，找出不合理的方面，在以后的設計中盡量避免。

(4)掌握測量軸段尺寸與軸裝配件裝配尺寸的確定與測量方法。

(5)掌握軸裝配草圖的繪制，復習制圖的基本知識。

操作設備和工具：

(1)減速器輸出軸系一個。

(2)游標卡尺、千分尺各一把。

(3)內六角扳手、活動扳手、拉馬、螺絲刀。

(4)繪圖紙(260mm×250mm)、圓規(guī)、三角板、鉛筆、鉛筆刀、橡皮等繪圖工具。

訓練內容：

(1)繪制減速器傳動系統(tǒng)圖。

(2)繪制軸的裝配草圖。

(3)分析軸部件拆裝的注意事項。

實施步驟：

1)減速器的拆卸

(1)用拉馬拆卸帶輪。

(2)用內六角扳手、活動扳手拆卸軸承端蓋及上下箱連接螺釘或螺栓，并抬下減速箱上箱蓋。

(3)分析減速器的傳動原理，繪制傳動系統(tǒng)圖。

(4)分組分別分析各軸系零件的裝配關系，并記住各零件的裝配位置及方位。

(5)用軸用彈性擋圈鉗拆卸軸用彈性擋圈。

(6)用拉馬拆卸滾動軸承和齒輪。

(7)繪制軸部件裝配草圖。

2)減速箱軸部件的裝配

(1)清洗軸及軸上零件。

(2)裝配軸上齒輪、軸承及定位零件。

(3)將軸部件裝入減速器下箱體內，并放入內嵌式軸承端蓋。

(4)合蓋上箱體，壓入凸緣式軸承蓋，旋擰螺釘和螺栓。

(5)裝入帶輪定位鍵，用錘擊法裝入帶輪。

(6)手動轉動帶輪，憑手感測試、調整軸系的裝配圖間隙。歸納總結

1．軸的功用：傳遞運動和力。

2．軸的分類，按載荷分為心軸、轉軸和傳動軸；按軸的形狀分為直軸、曲軸和撓性鋼絲軸。

3．軸的常用材料：碳素鋼、合金鋼和球墨鑄鐵。

4．軸的結構設計：軸向定位和固定；周向定位和固定；軸的結構工藝性。

軸向定位和固定：軸肩、軸環(huán)、彈性擋圈、軸端擋圈、成形面、錐面、圓螺母和套筒。

軸的周向固定：鍵、花鍵、過盈配合和銷。

結構工藝性：退刀槽、砂輪越程槽以及軸端倒角。

5．軸的設計包括軸的結構設計和強度設計計算，二者要結合進行，對于既受彎矩又受轉矩的轉軸，一般可先按扭矩強度初步估算軸的最小直徑，待軸的結構確定后，再按彎扭合成強度對軸的強度進行校核。模塊二減速器中滾動軸承的選用

任務情境

減速器中的滾動軸承可用來支承減速器中的軸和軸上零件，在減速器中可以保證軸的旋轉精度，減少旋轉軸與支承之間的摩擦和磨損，提高軸的傳動效率。滾動軸承已經基本標準化了，使用滾動軸承，可使減速器的維修更加方便，同樣也可方便軸的設計。任務提出與任務分析

1.任務提出

設計任務1：某一減速器的輸入軸支承選用深溝球軸承，軸頸直徑d＝35mm，轉速n＝2900r/min，徑向載荷Fr＝1770N，軸向載荷Fa＝720N，預期使用壽命為6000h，試選擇軸承的型號。

設計任務2：如圖5-2-1所示為一對30206圓錐滾子軸承支

承的減速器輸入軸，軸的轉速n＝1430r/min，軸承的徑向載

荷(即支反力)分別為Fr1＝4000N，Fr2＝4250N，軸向外載荷

Fa＝350N，方向向左，工作溫度低于100℃，受中等沖擊。

試計算兩軸承的壽命。圖5-2-1一級圓錐齒輪減速器

2.任務分析

在設計中我們經常會根據使用壽命選用軸承，或者根據軸承型號計算軸承的使用壽命。為了能合理地選擇滾動軸承，我們必須了解滾動軸的組成、類型、特點、型號確定及載荷的計算方法等。同時還要了解各類軸承的使用范圍以及潤滑、安裝方法等。相關知識

5.2.1滾動軸承的組成、類型及特點

1.滾動軸承的組成和結構特性

1)滾動軸承的組成

圖5-2-2所示為滾動軸承的基本結構圖，它由內圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成。圖5-2-2滾動軸承的基本結構如圖5-2-3所示為常用的滾動體。滾動體是滾動軸承的核心元件，有的滾動軸承除了上述四種基本零件外，還增加有其他特殊零件，如在外圈上加止動環(huán)或帶密封蓋等。圖5-2-3常用的滾動體

2)滾動軸承的結構特性

(1)公稱接觸角。滾動軸承中滾動體與外圈接觸處的法線nn和垂直于軸承軸心線平面的夾角a稱為接觸角。a越大，軸承承受軸向載荷的能力越大,如圖5-2-4所示。圖5-2-4接觸角

(2)游隙。滾動體與內、外圈滾道之間的最大間隙稱為軸承的游隙。如圖5-2-5所示，將一套圈固定，另一套圈沿徑向的最大移動量稱為徑向游隙，沿軸向的最大移動量稱為軸向游隙。游隙的大小對軸承壽命、噪聲、溫升等有很大影響，應按使用要求進行游隙的選擇或調整。圖5-2-5滾動軸承的游隙

(3)偏位角。軸承內、外圈軸線相對傾斜時所夾的銳角稱為偏位角。能自動適應偏位角的軸承，稱為調心軸承，如圖5-2-6所示。

(4)極限速度。滾動軸承在一定的潤滑條件下，允許的最高轉速稱為極限轉速。轉速過高會產生高溫，使?jié)櫥Фa生破壞。圖5-2-6軸承偏移角

2.滾動軸承的主要類型

1)按滾動體的形狀分類

(1)球軸承。

(2)滾子軸承。

2)按承受載荷的方向或公稱接觸角的不同分類

按軸承承受載荷的方向不同分為向心軸承和推力軸承，詳見表5-2-1。

(1)向心軸承。

(2)推力軸承。

3)其他分類方法

(1)按工作時能否調心可分為調心軸承和非調心軸承。調心軸承允許的偏移角大。

(2)按安裝軸承時其內、外圈可否分別安裝可分為可分離軸承和不可分離軸承。

3.滾動軸承的特點

滾動軸承具有摩擦力矩小，易啟動，載荷、轉速及工作溫度的適用范圍比較廣，軸向尺寸小，潤滑、維修方便等優(yōu)點；缺點是承受沖擊能力較差，徑向尺寸較大，對安裝的要求較高。

常用滾動軸承的類型、代號、性能特點及應用見表5-2-2。5.2.2滾動軸承的代號

為了適應不同的技術要求，在常用的各類滾動軸承中，每種類型都可以做成幾種不同的結構、尺寸、公差等級和技術性能等特征要求。為了統(tǒng)一表征各類軸承的特點，便于組織生產和選用，GB/T272-1993規(guī)定了軸承代號的表示方法。

1.基本代號

基本代號由類型代號、尺寸系列代號和內徑代號組成。

1)類型代號

軸承的類型代號用基本代號右起第五位表示，表示方法見表5-2-2。

2)尺寸系列代號

(1)寬度系列代號(或高度系列代號)。

(2)直徑系列代號。圖5-2-7滾動軸承寬度系列代號及說明圖5-2-8滾動軸承直徑系列代號及說明圖5-2-9不同直徑系列的軸承圖5-2-10不同寬度系列的軸承

3)內徑代號

內徑代號表示軸承的內徑尺寸，使用基本代號右起第一、二位數字表示，見表5-2-4。

2.前置代號

前置代號用于表示軸承的分部件，用字母表示。如用L表示可分離軸承的可分離套圈；K表示軸承的滾動體與保持架組件等。在表5-2-5中介紹了幾種常用的前置代號，關于滾動軸承的詳細代號方法可查閱GB/T272-1993。

3.后置代號

軸承后置代號共有8組，用字母和數字等表示軸承的結構、公差及材料的特殊要求等。

4.滾動軸承代號舉例

下面說明滾動軸承代號62203、7312AC/P6、30213的含義。5.2.3滾動軸承的類型選擇

1．載荷條件

軸承承受載荷的大小、方向和性質是選擇軸承類型的主要依據。

2.軸承的轉速

若軸承的尺寸和精度相同，則球軸承的極限轉速比滾子軸承高，所以當轉速較高且旋轉精度要求較高時，應選用球軸承。

3.調心性能

軸承內、外圈軸線間的偏移角應控制在極限值之內，否則會增加軸承的附加載荷而縮短其壽命。

4.允許的空間

當軸向尺寸受到限制時，宜選用窄或特窄的軸承。當徑向尺寸受到限制時，宜選用滾動體較小的軸承。如要求徑向尺寸小而徑向載荷又很大時，可選用滾針軸承。

5.裝調性能

便于裝調，也是在選擇軸承類型時應考慮的一個因素。圓錐滾子軸承(3類)和圓柱滾子軸承(N類)的內、外圈可分離，裝拆比較方便。在軸承座沒有剖分面而必須沿軸向安裝和拆卸

軸承部件時，應優(yōu)先選用。

6.經濟性

在滿足使用要求的情況下應盡量選用價格低廉的軸承。一般情況下球軸承的價格低于滾子軸承。軸承的精度等級越高，其價格也越高。5.2.4滾動軸承的計算與尺寸確定

1.滾動軸承的受力分析、主要失效形式及設計準則

1)滾動軸承的受力分析

這里以圖5-2-11所示的深溝球軸承為例來分析滾動軸承的受力情況。圖5-2-11軸承受力情況圖圖5-2-12軸承元件上的載荷及應力變化

2)滾動軸承的失效形式

(1)疲勞點蝕。

(2)塑性變形。

(3)磨損。圖5-2-13疲勞點蝕圖5-2-14塑性變形圖5-2-15磨損

3)計算準則

(1)對于一般轉速的軸承，即10r/min<n<nlim，如果軸承的制造、保管、安裝、使用等條件均良好，則軸承的主要失效形式為疲勞點蝕，因此應以額定動載荷為依據進行軸承的壽命計算。

(2)對于高速軸承，除疲勞點蝕外其工作表面的過熱也是重要的失效形式，因此除需進行壽命計算外還應校驗其極限轉速nlim。

(3)對于低速軸承，即n<10r/min，其失效形式為塑性變形，應進行靜強度計算。

2.滾動軸承的基本額定壽命和基本額定動載荷

1)滾動軸承的壽命

2)滾動軸承的可靠度

3)滾動軸承的基本額定壽命

4)滾動軸承的基本額定動載荷圖5-2-16軸承可靠度與壽命之間的關系圖

3.滾動軸承的壽命計算

如圖5-2-17所示，通過試驗求得6305滾動軸承的基本額定壽命L10與所受載荷P的載荷－壽命曲線。該曲線說明載荷越大壽命越短。圖5-2-17軸承的載荷—壽命曲線圖當L10=106r時，從曲線上可求的基本額定動載荷

C=22.4kN。其他型號的軸承，也有與該曲線完全一樣的

載荷－壽命曲線。該曲線的方程為

PεL10=常數

(5-2-1)已知軸承的基本額定壽命L10=1×106r，軸承的基本額定動載荷為C，可得

PεL10=Cε×1

(5-2-2)

對于上面提到的兩類問題，可有不同的軸承壽命計算公式。

(1)已知軸承的型號、基本額定動載荷C和工作載荷。

由式(5-2-2)可得軸承壽命的計算公式為

(5-2-3)

若已知軸承的工作轉速n(單位為r/min)，則可用小時數來表示：

(5-2-4)

(2)已知軸承的預期壽命Lh′(見表5-2-6)和工作載荷。

由式(5-2-2)可得軸承預期要求的工作基本動載荷C′，即：

(5-2-5)

當C≥C′時，則滿足要求。在較高溫度(如125℃)下工作的軸承，應該采用經過高

溫回火處理的高溫軸承。由于在軸承樣本中列出的基本額定動載荷值是對一般軸承而言的，如果把一般軸承用于高溫場合，會造成軸承基本額定動載荷下降，因此需乘以溫度系數ft(見表5-2-7)，即

Ct=ftC

(5-2-6)式中:Ct為高溫時軸承的修正額定動載荷；C為軸承樣本所列的同一型號軸承的基本額定動載荷。這時可把式(5-2-3)、(5-2-4)、(5-2-5)變?yōu)?/p>

(5-2-7)

(5-2-8)

(5-2-9)

4.滾動軸承的當量動載荷

滾動軸承的基本額定動載荷是指在特定理想受載條件下的載荷。當量動載荷的計算公式為

P=fp(XFr+YFa)

(5-2-10)對于只受徑向載荷的向心軸承

P=fpFr

(5-2-11)

對于只受軸向載荷的推力軸承

P=fpFa

(5-2-12)

5.角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的載荷計算

1)角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的內部軸向力

由于角接觸球軸承和圓錐滾子軸承存在接觸角α的結構特點，在受徑向載荷FR作用時，外圈對滾動體產生的法向反力將分解為Fr1、Fr2、Fs1、Fs2。Fr1+Fr2與FR相平衡，Fs1、Fs2被保留了下來，它們是由徑向載荷在軸承內部產生的，稱為派生軸向力，如圖5-2-18所示，派生力的大小按照表5-2-10計算，方向由軸承外圈寬邊指向窄邊。計算所得的Fs值，相當于正常的安裝情況，即大致相當于下半圈的滾動體全部受載(軸承實際的工作情況不允許比這更壞)。圖5-2-18角接觸球軸承軸向載荷的分析

2)角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的軸向載荷計算

如圖5-2-18所示，把派生軸向力的方向與外加軸向載荷FA的方向一致的軸承標為2，另一端的軸承標為1。取軸和與其相配合的軸承內圈為分離體，如能達到軸向平衡，應滿足FA+Fs2=Fs1。如果按照表5-2-10中的公式求得的Fs1和Fs2不滿足上面的關系式，就會出現以下兩種情況：

(1)當FA+Fs2＞Fs1時，則軸有向右竄動的趨勢，相當于軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”，但是實際上軸承1上的軸承座或端蓋必然產生阻止這種竄動的力，所以被“壓緊”的軸承1所受的總軸向力Fa1必須與FA+Fs2相平衡，即

Fa1=FA+Fs2

(5-2-13)

而被“放松”的軸承2只受其本身派生的軸向力Fs2，即

Fa2=Fs2

(5-2-14)

(2)當FA+Fs2＜Fs1時，同理，被“放松”的軸承1只受其本身的軸向派生力Fs1，即

Fa1=Fs1

(5-2-15)

而被“壓緊”的軸承2所受的總軸向力為

Fa2=Fs2－FA

(5-2-16)

6.滾動軸承的靜強度計算

進行靜強度計算的目的是防止軸承產生過大的塑性變形。對于不轉、轉速很低或緩慢轉動的軸承，設計時必須進行靜強度計算。對于非低速轉動的軸承，若承受的載荷變化太大，在按壽命計算選擇完軸承型號后，應按靜載荷能力進行驗算。

軸承靜強度的計算公式為

C0≥S0

P0

(5-2-17)與當量動載荷一樣，當量靜載荷P0也是一個假想載荷。軸承在工作時，如果同時承受徑向載荷與軸向載荷，也需要進行載荷的轉化，轉化的結果是，在當量靜載荷作用下，軸承內承受最大的滾動體與滾道接觸處的塑性變形總量與實際載荷作用下的塑性變形總量相同。當量靜載荷的計算公式為

P0=X0Fr+Y0Fa

(5-2-18)5.2.5滾動軸承的組合設計方法

為了保證軸承在預期壽命內正常工作，除了正確地選擇軸承類型和型號以外，還必須進行軸承的組合設計，妥善解決滾動軸承的固定及軸系的固定，軸承組合結構的調整，軸承的配合、裝拆、潤滑和密封等問題。

1.滾動軸承內、外圈的軸向固定

1)內圈固定

圖5-2-19所示為軸承內圈軸向固定的常用方法。圖5-2-19軸承內圈的軸向固定

2)外圈固定

圖5-2-20所示為軸承外圈固定的常用方法。圖5-2-20軸承外圈的軸向固定

2.軸系支承結構的基本形式

一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點由一個或一個以上的軸承組成。滾動軸承的支承結構應考慮軸在機器中的正確位置，防止軸向竄動及軸受熱伸長后出現將軸卡死的現象等。軸系支承結構常用以下三種形式。

1)兩端各單向固定

如圖5-2-21(a)所示，軸上兩端軸承分別限制一個方向的軸向移動，這種支承結構稱為兩端各單向固定。圖5-2-21兩端各單向固定

2)一端雙向固定，一端游動

如圖5-2-22(a)所示的支承結構中，一端支承的軸承，內、外圈雙向固定，另一端支承的軸承可以軸向游動，這種支承結構稱為游動支承。圖5-2-22一端雙向固定，一端游動

3)兩端游動

如圖5-2-23所示為兩端均為游動支承的支承結構。圖5-2-23兩端游動

3.滾動軸承組合結構的調整

滾動軸承組合結構的調整包括軸承游隙的調整和軸系軸向位置的調整。

1)軸承游隙的調整

軸承游隙的大小對軸承的壽命、效率、旋轉精度、溫升及噪聲等都有很大的影響。圖5-2-24軸承游隙的調整

2)軸系軸向位置的調整

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節(jié)錐頂點相重合，蝸桿傳動要求蝸輪的中間平面要通過蝸桿的軸線等。圖5-2-25軸向位置的調整

4.滾動軸承組合支座的剛度和同軸度

在支承結構中安裝軸承處必須要有足夠的剛度才能使?jié)L動體正常滾動，如果剛度不足，軸承座發(fā)生變形會使軸承內的滾動體受力不均勻而運動受阻，影響軸承的旋轉精度，縮短軸承的壽命。圖5-2-26用加強筋增強軸承座孔的剛性圖5-2-27使用襯套的軸承座孔

5.滾動軸承的預緊

滾動軸承在較大間隙的情況下工作時，會使載荷集中作用在處于加載方向的一兩個滾動體上，使該滾動體和內、外圈滾道接觸處產生很大的集中應力，從而使軸承磨損加快，壽命縮短，還會降低剛度。圖5-2-28滾動軸承的預緊

6.滾動軸承的配合與裝拆

合理選擇滾動軸承的配合與裝拆方法是影響軸系組件回轉精度、軸承的使用壽命及軸承維護難易的重要因素。

1)滾動軸承的配合

滾動軸承的套圈與軸和軸承座孔之間應選擇適當的配合，以保證軸的旋轉精度和軸承的軸向固定。滾動軸承是標準件，因此軸承內圈與軸頸的配合采用基孔制，軸承外圈與軸承座孔的配合采用基軸制。圖5-2-29滾動軸承與軸及與外殼孔的常用配合

2)滾動軸承的安裝與拆卸

安裝和拆卸軸承的力應直接加在緊配合的套圈端面，不能通過滾動體傳遞。圖5-2-30安裝軸承內圈圖5-2-31同時安裝軸承內、外圈圖5-2-32軸承的拆卸圖5-2-33軸承外圈的拆卸

7.滾動軸承的潤滑與密封

潤滑和密封對滾動軸承的使用壽命有重要意義。潤滑的主要目的是減小摩擦與磨損。滾動接觸部位形成油膜時，還有吸收振動、降低工作溫度等作用。密封的目的是防止灰塵、水分等進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┑牧魇А?/p>

1)滾動軸承的潤滑

滾動軸承的潤滑劑可以是潤滑脂、潤滑油或固體潤滑劑。

2)滾動軸承的密封

滾動軸承密封的目的是防止灰塵、水分和雜質等進入軸承，同時也阻止?jié)櫥瑒┑牧魇?。良好的密封可保證機器正常工作，降低噪音，延長有關零件的壽命。密封方式分為接觸式密封和非接觸式密封兩種。當密封要求較高時也可采用兩種密封方式的組合，如采用毛氈圈和曲路密封相結合等。圖5-2-34接觸式密封圖5-2-35非接觸式密封探索與實踐

設計任務1：

設計任務1的設計過程和結果如表5-2-14所示。

設計任務2:

設計任務2的設計過程和結果如表5-2-15所示。拓展知識——滑動軸承

1.滑動軸承的特點及應用

工作時軸承和軸頸的支承面間形成直接或間接滑動摩擦的軸承，稱為滑動軸承。

1)滑動軸承的特點

滑動軸承包含的零件少，工作面間一般有潤滑油膜且為面接觸，所以它具有結構簡單、易于制造、便于安裝，且工作平穩(wěn)、可靠、噪聲小、耐沖擊、回轉精度高、承載能力大，以及

摩擦小、磨損少等獨特的優(yōu)點；缺點是啟動摩擦阻力大、維護比較復雜，若潤滑不良，會使滑動軸承迅速失效，并且軸向尺寸較大。

2)滑動軸承的應用

從定義中我們知道滑動軸承工作時，軸與軸承孔之間是面接觸，是滑動摩擦。滾動軸承絕大多數都已標準化，故得到了廣泛的應用；滑動軸承不易買到，需要自己制造，且需要較貴的金屬制造，維護比較復雜。

2.滑動軸承的結構形式、材料和軸瓦結構

1)滑動軸承的結構形式

(1)滑動軸承的類型。

(2)滑動軸承的典型結構。

①徑向滑動軸承。

②止推滑動軸承。圖5-2-36整體式徑向滑動軸承圖5-2-37剖分式徑向滑動軸承圖5-2-38調心式徑向滑動軸承圖5-2-39止推滑動軸承的結構

2)滑動軸承的材料

滑動軸承的主要失效形式有：磨粒磨損、刮傷、膠合、疲勞剝落和腐蝕等形式。軸瓦和軸承襯統(tǒng)稱為軸承材料。

滑動軸承材料分為三大類：金屬材料(如軸承合金、青銅、鋁基材料、鋅基合金、減摩鑄鐵等)、多孔質金屬材料(粉末冶金材料)和非金屬材料(如塑料、橡膠、硬木等)。

常見的軸承材料及其性能見表5-2-16。

3)滑動軸承的軸瓦結構

軸瓦是軸承與軸頸直接接觸的零件，軸瓦與軸頸的工作表面之間具有一定的相對滑動速度，因此其結構設計是否合理對軸承性能影響很大。有時為了節(jié)省貴重合金材料或者結構上的需要，常在軸瓦的內表面上澆鑄或軋制一層軸承合金，稱為軸承襯。軸瓦應具有一定的強度和剛度，在軸承中定位可靠，便于輸入潤滑劑，容易散熱，并且調整方便。為了適應不同的工作要求，軸瓦應在外形結構、定位、油槽開設和配合等方面采用不同的形式。

常用的軸瓦結構有整體式和剖分式兩類。圖5-2-40整體軸套圖5-2-41卷制軸套圖5-2-42剖分式軸瓦圖5-2-43軸瓦內壁溝槽圖5-2-44剖分式薄壁軸瓦圖5-2-45常見的油溝形式

3.滑動軸承的潤滑

滑動軸承潤滑的目的是為了減小摩擦損耗、減輕磨損、冷卻軸承、吸振和防銹等。為了保證軸承能正常工作和延長軸承使用壽命，需要正確地選擇潤滑劑和潤滑方法。

1)潤滑劑及其選擇

常用的潤滑劑有潤滑油、潤滑脂和固體潤滑劑。

2)潤滑方式及潤滑裝置

為了獲得良好的潤滑效果，除了正確選擇潤滑劑外，同時要考慮合適的潤滑方法和潤滑裝置。

(1)人工加油潤滑。

(2)滴油潤滑。

(3)油環(huán)潤滑。

(4)飛濺潤滑。

(5)壓力循環(huán)潤滑。圖5-2-46油杯潤滑圖5-2-47針閥式油杯圖5-2-48油繩式油杯圖5-2-49油環(huán)潤滑技能訓練——滾動軸承與軸系結構的測繪與分析

1.滾動軸承的結構認識與測繪

目的要求:

(1)熟悉各種軸承的組成結構與軸承的類型、型號標記。

(2)掌握分析減速箱各軸軸承類型、裝配定位結構零件的功能的基本思路與方法。

(3)掌握繪制減速箱輸出軸軸承裝配草圖的基本技能。操作設備和工具：

(1)被測軸承若干個(至少包含3、5、6、7、N類軸承)，減速箱1~2個。

(2)游標卡尺和千分尺各一把。

(3)計算器及繪圖紙(260mm×250mm)、圓規(guī)、三角板、鉛筆、鉛筆刀、橡皮等繪圖工具。

訓練內容:

(1)觀察各種類型的軸承，分析軸承的特點。

(2)分析減速箱輸出軸軸承的定位。

(3)繪制減速箱輸出軸軸承定位結構裝配草圖。訓練步驟:

(1)觀察滾動軸承的結構與型號。一般軸承上都標注有軸承的型號，要注意觀察，并抄記下來，畫出軸承的規(guī)定畫法和簡化畫法圖形。

(2)拆卸減速箱輸出軸軸承端蓋，分析定位零件的功能及裝配定位零件。

(3)畫軸承定位裝配草圖。

2.軸系結構的測繪與分析

訓練目的:

熟悉并掌握軸、軸承、軸上零件的結構形狀與功用、工藝要求、尺寸裝配關系以及軸、軸上零件的定位固定方式。

操作設備和工具:

(1)圓柱齒輪軸系、蝸桿軸系、小圓錐齒輪軸系、大圓錐齒輪軸系等，每個學生可任選一種進行分析和測繪。軸系可以是實物或模型，均應包括軸、軸承、軸上零件、端蓋、密封件等。

(2)鋼板尺、游標卡尺、內/外卡鉗、鉛筆、直尺等工具。訓練內容:

(1)分析軸系結構。

(2)繪制軸系結構裝配圖。實施步驟:

(1)分析軸系結構并繪制軸系結構裝配草圖。

①打開軸系所在機器或模型的箱蓋，仔細觀察軸系的整體結構，觀察軸上共有哪些零件，每一個軸上零件采用的是哪種定位方式。

②觀察分析軸上每一個軸肩的作用，確定出哪些為定位軸肩，哪些為非定位軸肩，并分析非定位軸肩的作用。

③觀察軸系結構所選用的滾動軸承類型以及每個軸承的軸向定位與固定方式，觀察軸系采用的軸承間隙調整方式、軸承的密封裝置、潤滑方式并判斷是否合理。觀察軸系的軸承組合、采用的是哪種軸向固定方式，并分析判斷所采用的方式是否適合其工作場合。④觀察分析每一個軸上零件的結構及作用。

⑤觀察軸、軸上零件以及與其他相鄰零件的裝配關系，徒手按比例繪出軸系結構的裝配草圖。

(2)測量有關的尺寸。

①把軸系結構拆開并記住拆卸順序，用鋼板尺與游標卡尺測量出階梯軸上每個軸段的直徑和長度。判斷各軸段的直徑是否符合國家標準，判斷每個定位軸肩、非定位軸肩的高度是否合適。

②觀察軸上的鍵槽，判斷鍵槽的位置是否便于加工，測出鍵槽的尺寸，并檢測是否符合國家標準規(guī)定。

③觀察軸上是否有砂輪越程槽、退刀槽等，判斷越程槽的位置是否合適。測量出具體尺寸，并檢測是否符合國家標準規(guī)定。④用鋼板尺測量出每個軸上零件的軸向長度，并與階梯上對應的軸段長度相比較，判定每個軸段長度是否合理，是否能夠保證每個零件定位與固定可靠。

⑤確定軸系結構所用的軸承型號，并測量出(或從手冊中查出)有關的尺寸。測量出軸承蓋與箱體有關的尺寸。

⑥測繪完成后，用棉紗將各個零件、部件擦凈，然后按順序安裝、調試，使軸系結構復原后放回原處。

(3)繪制軸系結構裝配圖。根據前面繪出的裝配草圖和測量出的有關尺寸，畫出軸系結構的裝配圖，并把有關尺寸與配

合標注到裝配圖中。

(4)把軸系結構的測繪與分析的結果填寫在表5-2-19中。歸納總結

1．滾動軸承的各種類型。

(1)按滾動體的形狀分為球軸承和滾子軸承。

(2)按承受載荷的方向不同分為向心軸承和推力軸承。

2．理解滾動軸承的代號和含義。代號包括前置代號、基本代號和后置代號。

3．滾動軸承的失效形式：疲勞點蝕、塑性變形和磨損。

4．熟練應用壽命計算公式計算滾動軸承的壽命或確定軸承的型號。

5．滾動軸承的選擇。主要為類型的選擇、精度的選擇、尺寸的選擇。其中類型的選擇應根據軸承的工作載荷(大小、

方向和性質)、轉速、軸的剛度及其他要求，結合各類軸承的特點進行。軸承的精度一般選用普通級(P0)精度。尺寸的選擇應根據軸頸直徑，初步選擇適當的軸承型號，然后進行軸承

的壽命計算或強度計算。

6．滾動軸承的組合設計。主要包括軸系支承端結構、

軸承與相關零件的配合、軸承的潤滑與密封、提高軸承系統(tǒng)

的剛度。

7．滑動軸承的結構、類型及應用場合，軸瓦的結構及軸承材料。

8．滑動軸承的潤滑?；瑒虞S承潤滑是為了減少摩擦和磨損，以提高軸承的工作能力和使用壽命，同時起冷卻、防塵、防銹和吸振的作用。常用的潤滑方式有人工加油潤滑、滴油潤滑、油環(huán)潤滑、飛濺潤滑和壓力循環(huán)潤滑。模塊三選用帶式輸送機中的聯軸器

任務情境

如圖5-3-1所示為帶式輸送機。帶式輸送機又稱膠帶輸送機，俗稱“皮帶輸送機”。從簡圖中我們可以看到，其工作原理是，電動機帶動減速器進行減速，減速器的輸出軸通過聯軸器和帶式輸送機的主動輥子相連，從而把電動機的動力傳遞到帶式輸送機上，依靠帶的摩擦力來輸送物料。圖5-3-1帶式輸送機任務提出與任務分析

1.任務提出

選擇帶式輸送機中的聯軸器(如圖5-3-1所示)，已知輸出軸功率P=9kW，轉速n=370r/min，輸出軸與聯軸器相連處軸的直徑d=55mm。

2.任務分析

在工程實踐中，聯軸器是一種非常實用的連接軸與軸的裝置，并能傳遞運動和力。為了能合理地選擇出合適的聯軸器，我們必須了解聯軸器的功用、類型、結構和工作原理。相關知識

5.3.1聯軸器的類型、特點及應用

聯軸器的主要功用是：連接軸與軸，以傳遞運動和轉矩；補償所連兩軸的相對位移；在某些情況下可以用作安全裝置；可以吸振緩沖。聯軸器的特點是兩軸連接或者分離時必須停機。圖5-3-2軸的偏移

1.剛性聯軸器

剛性聯軸器具有結構簡單、制造容易、成本低廉等優(yōu)點。雖然這類聯軸器不具有補償兩軸間位移的能力，但是如果裝配時能保證兩軸精確對中，也會有比較滿意的傳動性能。剛性聯軸器主要用在一些轉速不高、載荷平穩(wěn)的場合。

剛性聯軸器常見的有套筒式、凸緣式及夾殼式等，下面分別介紹。圖5-3-3套筒聯軸器圖5-3-4凸緣聯軸器圖5-3-5夾殼聯軸器

2.撓性聯軸器

1)無彈性元件的撓性聯軸器

無彈性元件的撓性聯軸器具有撓性，所以可補償兩軸的相對位移。但又因無彈性元件，故不能緩沖減振。下面介紹常用的三種。

(1)十字滑塊聯軸器。

(2)滑塊聯軸器。

(3)十字軸萬向節(jié)聯軸器。圖5-3-6十字滑塊聯軸器圖5-3-7滑塊聯軸器圖5-3-8十字軸萬向節(jié)聯軸器

2)有彈性元件的撓性聯軸器

有彈性元件的聯軸器因裝有彈性元件，不僅可以補償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振能力。

(1)彈性套柱銷聯軸器。

(2)彈性柱銷聯軸器。

圖5-3-9彈性套柱銷聯軸器圖5-3-10彈性柱銷聯軸器

3)輪胎聯軸器

輪胎聯軸器如圖5-3-11所示，它是用橡膠或橡膠織物制成輪胎狀的彈性元件1，兩端用壓板2及螺釘3分別壓在兩個半聯軸器4上。圖5-3-11輪胎聯軸器5.3.2聯軸器的選用

1.聯軸器的類型選擇

聯軸器的種類很多，大多數已標準化。選擇的步驟是：先選擇類型，再選擇型號，必要時校核薄弱零件的強度。

2.聯軸器型號的選擇

當聯軸器的類型確定后，應根據軸端直徑d、轉矩T、轉速n和空間尺寸等要求在標準中選擇適當的聯軸器型號。

1)名義轉矩T

(5-3-1)

2)計算轉矩Tc

Tc=KT

(5-3-2)

3)選擇聯軸器的型號

根據軸端直徑d、轉速n、計算轉矩Tc等參數，查《機械設計手冊》，選擇適當的型號。所選型號必須滿足：①計算轉矩Tc不超過聯軸器的公稱轉矩［T］，即Tc≤Tn。②轉速n不

超過聯軸器的許用轉速［n］，即n≤［n］。③軸端直徑不超過聯軸器的孔徑范圍。探索與實踐

如圖5-3-1所示，聯軸器的設計過程和結果如表5-3-2

所示。拓展知識——離合器和制動器的功用及類型

1.離合器的功用和類型

1)離合器的功用及工作特點

離合器的主要功能是連接兩根軸，使之一起轉動并傳遞轉矩。離合器還可以作為啟動或過載時控制傳遞轉矩大小的安全保護裝置。

2)離合器的類型及應用

離合器按控制方式不同可分為操縱離合器和自動控制離合器兩類。操縱離合器必須通過操縱才具有接合或分離的功能。

根據不同的操縱方法，操縱離合器可分為機械離合器、電磁離合器、液壓離合器和氣壓離合器四種。自動控制離合器工作時，在主動部分或從動部分的某些參數(如轉速、轉矩等)發(fā)生變化時，能自行接合或分離。自動控制離合器可分為超越離合器、離心離合器和安全離合器三種。圖5-3-12牙嵌離合器圖5-3-13牙嵌離合器的牙形圖5-3-14單片式摩擦離合器圖5-3-1