任务九轴承综述

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1、 周建波教授 天津职业大学机电学院 * 任务一 滑动轴承概述、结构、选用以及设计计算 任务二 滚动轴承概述、结构、选用以及设计计算 Date 2 轴是组成机器最基本的重要零件之一，其主要 功能是传递运动和转矩支撑回转零件（如齿轮、带 轮）。轴一般都要有足够的强度、合理的结构和良 好的工艺性。 （一）、轴的分类和应用特点 1、按轴线形状不同，轴可分为直轴、曲轴和软轴 三种。 Date 3 任务一 滑动轴承概述、结构、选用以及设 计计算 一、 滑动轴承概述 Date 4 由于阶梯轴上零件便于拆装和固定, 又利于 节省材料和减轻重量, 因此在机械中应用最普遍 。 在某些机器中也有采用空心轴(见图10

2、 - 1(c)的, 以减轻轴的重量或利用空心轴孔输送 润滑油、 冷却液等。 Date 5 图 10 - 1 直轴 (a) 光轴; (b) 阶梯轴; (c) 空心轴 Date 6 （2） 曲轴： 中心线为折线的轴称为曲轴, 如图10 - 2 所示。 它主要用在需要将回转运动与往复直 线运动相互转换的机械中。 Date 7 图 10 - 2 曲轴 Date 8 （3） 挠性软轴： 能把旋转运动灵活地传到任何位置的钢丝 软轴称为挠性软轴, 如图10 - 3 所示。 它由多组钢丝分层卷绕而成(见图10 - 4), 其特点是具有良好的挠性。 它常用于医 疗器械和小型机具等移动设备上。 Date 9 图

3、10 - 3 钢丝软轴 Date 10 图 10 - 4 钢丝软轴的结构 Date 11 2. 按承载情况不同分类 (1) 转轴： 工作中同时受弯矩和扭矩的轴称为转轴。 转轴在各种机器中最常见, 如减速箱中的齿轮 轴(见图10 - 5)。 (2) 传动轴: 只受扭矩不受弯矩或所受弯矩很小的轴称 为传动轴。 如汽车传动轴(见图10 - 6)。 Date 12 (3) 心轴： 只承受弯矩的轴称为心轴。 心轴又分为 转动心轴和固定心轴, 前者如机车车轴(见图 10 - 7(a), 后者如自行车的前轴(见图10 - 7(b)。 Date 13 图 10 - 5 转轴 工作中同时受弯矩和扭矩的轴称为转轴

4、 Date 14 图 10 - 6 传动轴 只受扭矩不受弯矩或所受弯矩很小的轴称为传动轴 Date 15 图 10 - 7 心轴 (a) 机车车轴; (b) 自行车前轴 轴小结jb140101.swf 只承受弯矩的轴称为心轴 Date 16 10.1.2 轴设计的要求和一般步骤 1. 轴设计的基本要求 不同机械对轴有不同的设计要求, 基本包括以 下三方面: (1) 合理的结构和良好的工艺性, 以保证零件具 有可靠的轴向和周向定位, 并利于加工； (2) 具有足够的强度, 以承受设计要求的工作载 荷； (3) 具有足够的刚度和良好的稳定性。 Date 17 2. 轴设计的一般步骤 (1) 选择轴

5、的材料； (2) 初步估算轴的基本直径； (3) 进行轴的结构设计； (4) 进行轴的强度、 刚度或稳定性等验算； (5) 绘制轴的工作图。 Date 18 10.2 轴的材料 1. 碳素钢 碳素钢比合金钢价廉, 对应力集中不敏感, 并 可用热处理的方法改善其力学性能。 一般机械中常 用35、 45、 50钢等优质碳素钢, 并进行正火或调 质处理, 其中以45钢用得最为广泛。 不重要的、 受力较小的轴可采用Q235、 Q275 等碳素结构钢。 Date 19 2. 合金钢 合金钢具有较高的力学性能和良好的热处 理工艺性, 但对应力集中比较敏感, 且价格较 贵, 多用于高速、 重载及有特殊要求的

6、轴材 料。 对于耐磨性要求较高的轴, 可选用20Cr 、 20CrMnTi等低碳合金钢, 进行渗碳淬火处 理。 对于在高温、 高速和重载条件下工作的 轴, 可选用38CrMoAlA、 40CrNi等合金结构钢 。 Date 20 由于在一般工作温度下, 碳素钢和合金钢 的弹性模量相差无几, 因此, 不能用合金钢代 替碳素钢来提高轴的刚度。 轴的毛坯通常用锻件和热轧圆钢。 对于 某些结构外形复杂的轴可采用铸钢或球墨铸铁 , 后者具有吸震性、 耐磨性好、 价格低廉、 对应力集中敏感性差等优点。 表10 - 1列出了几种轴的常用材料及其力 学性能。 Date 21 表10 - 1 轴的常用材料及其主

7、要力学性能 Date 22 10.3 轴及轴系的结构设计 一、轴系的结构简介 Date 23 轴上各部分名称如图所示 Date 24 二、轴的结构简介jb1403.swf （一） 零件在轴上的轴向固定 零件在轴上的轴向固定方法很多, 如图10 - 8 所示, 选择时要综合考虑零件在轴上的位 置、 轴向力的大小、 具体的安装条件等。 Date 25 （1）. 轴肩和轴环 阶梯轴上常采用轴肩或轴环定位, 如图10 - 8所 示。 轴肩或轴环是阶梯轴上截面变化的部分, 由定位 面和过渡圆角组成。 轴肩结构简单, 能承受较大的轴 向力, 应用较多。 Date 26 图 10 8 轴肩和轴环 Date

8、27 表10 - 2 轴肩圆角半径 Date 28 （2）. 套筒 在轴的中部, 当两个零件间距离较小时, 常采用 套筒作相对固定, 如图10 - 9所示。使用套筒可简化轴 的结构, 避免在轴上制出螺纹、 环形槽等, 能有效地提 高轴的疲劳强度, 但增加了一些重量, 故套筒不应太长 。 且因套筒与轴的配合较松, 所以也不宜用于高速轴 。 Date 29 图 10 - 9 套筒的使用 Date 30 （3） 圆螺母 圆螺母可承受较大的轴向力, 但在螺纹处有应 力集中, 会降低轴的疲劳强度, 故其多用于固定装在轴 端的零件, 一般采用细牙螺纹。 为防止圆螺母松脱, 可 采用加止动垫圈或用双圆螺母(

9、见图10 - 10)。 Date 31 图 10 10 圆螺母 Date 32 （4）. 挡圈 挡圈通常与轴肩联合使用定位, 常用的有螺钉 锁紧挡圈、 弹性挡圈和轴端挡圈三种。 Date 33 图 10 - 11 轴上零件的轴向固定方法 Date 34 （二） 零件在轴上的周向固定 为了传递运动和转矩, 防止轴上零件与轴作相 对转动, 必须有可靠的周向固定。 转动零件与轴的周 向固定所形成的联结, 称为轴毂联结。 轴毂联结的形 式很多, 常用的周向固定方法有键、 花键, 成形、 销, 弹性环、 过盈等联结, 如图10 - 13所示。 Date 35 图 10 - 13 轴上零件常用的周向固定方

10、法 Date 36 图 10 - 13 轴上零件常用的周向固定方法 Date 37 （三） 轴的结构工艺性 设计轴的结构时, 应使轴的结构形状便于加工 、 装配和维修。 例如, 对于需要磨削的轴段, 应留有砂 轮越程槽, 如图10 - 14所示； 对于需要切削螺纹的轴 段, 应留有退刀槽, 如图10 - 15 所示。 砂轮越程槽通 常宽24 mm、 深0.51 mm； 螺纹退刀槽与螺纹牙 高度有关, 槽的尺寸可参看有关设计手册、 图册。 Date 38 图 10 - 14 砂轮越程槽 Date 39 图 10 - 15 螺纹退刀槽 Date 40 为便于零件在轴上的装配, 轴端应加工成45(或

11、 30、 60)倒角。 过盈配合部分的零件装入端常加工 出半锥为10(或30)的导向锥面(见图10 - 16)； 对于受 变载荷的重要零件, 则应加工出圆角。 Date 41 图 10 - 16 引导锥 Date 42 （四）提高轴强度的结构措施 1. 改进轴的结构, 减小应力集中 为了减少应力集中, 阶梯形轴相邻轴段的直径 不宜相差太大, 过渡部分的圆角应尽可能取大些, 必要 时可将过渡部分结构增设一阶梯轴段, 借以缓和轴的截 面变化。 重要结构中可采用卸荷槽B(见图10 - 17(a) 、 过渡肩环(见图10 - 17(b)或凹切圆槽(见图10 - 17(c)。 在轴与轴上零件的过盈配合处

12、, 在零件轮毂上 开卸荷槽B(见图10 - 17(d), 也能减小过盈配合处的局 部应力。 Date 43 图 10 - 17 减轻圆角应力集中的结构 Date 44 图 10 - 17 减轻圆角应力集中的结构 Date 45 2. 提高轴的表面质量 当轴上装有接触式密封元件时, 须降低接触部 位的表面粗糙度, 保证耐磨性。 轴的表面粗糙度对其 疲劳强度有很大影响, 粗糙的轴表面容易产生疲劳裂纹 , 引起应力集中。 因此, 设计时应注意提高轴的表面质 量, 采用表面强化处理, 如碾压、 喷丸、 渗碳淬火、 氮化、 氰化等热处理和化学处理, 都可显著提高轴的 疲劳强度。 Date 46 3. 改

13、进轴上零件的结构和布置, 减小轴所承受的 载荷 图10 - 18所示卷筒的两种结构中, 图(a)中卷筒制 成的两段短轮毂比图(b)中卷筒的长轮毂结构合理, 不仅 减小了轴所承受的最大弯矩Mmax, 提高了轴的强度和刚度 , 而且能减小轮毂的精加工面。 Date 47 图 10 - 18 卷筒轮毂的结构 Date 48 例如, 当动力需用两个或两个以上的轮输出时, 将输入轮布置在输出轮的中间, 就可减少轴的转矩。 如图10 - 19所示, 若按图(a)布置, 则轴传递的最大转矩 为输入转矩T1+T2； 若将输入轮布置在中间, 如图(b)所 示, 则轴传递的最大转矩减小为T1或T2。 Date 4

14、9 图 10 - 19 零件的合理布置 Date 50 10.4 轴的设计计算 一、 轴的计算简图 在进行轴的强度和刚度计算时, 为便于分析和计算, 常 通过必要的简化, 找出轴的合理简化模型, 即轴的计算简图。 Date 51 通常将轴简化为一铰链支座的梁, 轴和轴上零 件的自重可忽略不计, 轴上分布载荷按图10 - 20所示方 法简化。 作用在轴上的扭矩通常从传动件轮毂中点计 算。 轴的支座反力的作用点随轴承类型、 布置方式不 同而异, 可按图10 - 21确定, 图中a、 b、 e的值可查 机械设计手册。 Date 52 图 10 - 20 轴的计算简图 (a) 一般情况; (b) 过盈

15、情况 Date 53 图 10 - 21 轴上支点的简化 (a) 向心轴承; (b) 角接触轴承; (c) 两个向心轴承; (d) 滑动轴承 Date 54 二、 轴的强度计算 1. 按扭转强度计算 对于传动轴, 可只按扭矩计算轴的直径； 对于 转轴, 常用此法估算轴的最小直径, 然后进行轴的结构 设计。 对于圆截面轴, 扭转强度条件为 (10 - 1) Date 55 式中, 为轴的扭转剪应力, 单位为MPa； T为轴 传递的扭矩, 单位为Nmm； P为轴传递的功率, 单位为 kW； n为轴的转速, 单位为r/min； d为轴的直径, 单位 为mm； 为许用扭转剪应力, 单位为MPa, 其值查 表10 - 3选取； Wp为轴抗扭截面系数, 单位为mm3, 对 圆截面轴Wp0.2d3。 由式(10 - 1), 可推出轴的设计公式为 (10 - 2) 式中, C为由轴的材料和承载情况确定的常数, 见表10 -