1、项目六项目六 轴系零部件设计轴系零部件设计 6.1 轴的设计轴的设计 6.2 滑动轴承设计滑动轴承设计 6.3 滚动轴承设计滚动轴承设计 6.4 轴承盖的选型及结构设计轴承盖的选型及结构设计 6.5 联轴器与离合器选型设计联轴器与离合器选型设计6.1 轴的设计轴的设计6.1.1 概述概述1.轴的功用轴的功用轴是组成机器的重要零件之一，所有作回转运动的零件(例如齿轮、蜗轮、凸轮、皮带轮等)，都必须安装在轴上才能实现其回转运动。概括地说，轴的功用有以下两个方面：(1)支承回转零件，如齿轮、蜗轮、凸轮、皮带轮等；(2)传递运动和转矩。2.轴的分类轴的分类1)按轴线的形状分类按轴线的形状，轴可分为以下
2、三类：(1)直轴：广泛应用于各类机械中，如图6-1所示。(2)曲轴：常用于往复式机械传动中，将回转运动和往复直线运动相互进行转换(例如冲床、内燃机等)，如图6-2所示。(3)软轴：常用于电动手持小型机具(例如铰孔机)、医疗器械和汽车里程表的传动中，它的主要特点是具有良好的挠性，可以把转矩和回转运动灵活地传递到空间的任何位置，如图6-3所示。图6-1 直轴 图6-2 曲轴 图6-3 软轴 2)按承受载荷的不同分类按承受载荷的不同直轴可分为以下三类：(1)心轴：只承受弯曲作用的轴。它分为固定心轴和转动心轴两种。图6-4(a)所示的轴为转动心轴，当轮回转时，轴固定不动。图6-4(b)所示的轴为固定心
3、轴，它能转动。(2)传动轴：主要承受扭转作用(不承受或只承受很小的弯曲作用)的轴。图6-5所示的汽车变速箱与后桥间的轴就是传动轴。(3)转轴：同时承受弯曲和扭转作用的轴。图6-6所示减速器的输出轴即为转轴，它是机械中最常见的轴。图6-4 心轴 图6-5 传动轴 图6-6 转轴 3)按外形分类按外形可将直轴分为以下两类：(1)光轴：在轴的全长上直径都相等的直轴，它主要用于传递转矩，如图6-1(a)所示。(2)阶梯轴：在轴的全长上轴各段的直径不相等的直轴。由于阶梯轴便于轴上零件的装拆和固定，又能节省材料和减轻重量，所以在机械中应用广泛，如图6-1(b)所示。直轴一般都制成实心的。在那些由于机器结构
4、的要求而需在轴中装设其它零件，或者减轻轴的重量具有重大作用的场合，则将轴制成空心的。3.轴的设计要求和一般设计步骤轴的设计要求和一般设计步骤足够的强度、合理的结构和良好的工艺性是设计轴必须满足的基本要求。此外，不同机械对轴又有不同的特殊要求，如机床主轴要有足够的刚度，以防止工作时产生不允许的变形；汽轮机转子轴要有足够的振动稳定性，以防止发生共振而破坏；重型轴则要考虑其毛坯的制造、运输、安装等问题。轴设计的一般步骤是：按工作条件等选择轴的材料和热处理方法；初步估算轴的最小直径；进行轴的结构设计；进行必要的强度、刚度、振动稳定性等校核计算；最后绘制轴的工作图。整个设计过程要与有关零件的设计过程结合
5、进行。本项目以阶梯轴为研究对象讨论轴的设计步骤和方法，其主要内容包括强度计算和结构设计两个方面。强度计算是使轴具有工作能力的基本保证，其计算方法在材料力学中已经介绍过。结构设计要合理确定轴各部分的形状和结构尺寸，它除应考虑强度和刚度因素外，还要考虑使用、加工和装配等方面的许多因素，这比强度计算考虑的因素更多、更复杂。因此，轴的结构设计是本项目讨论的重点。6.1.2 轴的材料轴的材料轴工作时的应力一般为循环变应力，所以轴的失效形式主要是疲劳破坏。因此，对轴的材料的主要要求是：具有足够的疲劳强度；对应力集中的敏感性小；与滑动零件接触的表面应有足够的耐磨性。另外还应易于加工和热处理等。轴的常用材料主
6、要是优质碳素钢和合金钢。优质碳素钢价格低廉、对应力集中的敏感性小，并能通过热处理改善其综合性能，故应用很广。一般机械的轴常用35、45钢，其中以45钢应用最普遍。受力较小或不甚重要的轴，也可用Q235、Q275等普通碳素钢。合金钢具有较高的机械强度和优越的淬火性能，但其价格较贵，对应力集中比较敏感，常用于要求减轻重量、提高轴颈耐磨性及在非常高的温度下工作的轴。由于合金钢与碳素钢的弹性模量相差很少，因此合金钢不宜用于对刚度要求高的轴。轴的毛坯一般采用轧制的圆钢或锻件。锻件的强度较高，重要的轴、阶梯尺寸变化大的轴，应采用锻制毛坯。形状复杂的曲轴和凸轮轴，也可以采用球墨铸铁制造。球墨铸铁具有价廉、应
7、力集中不敏感、吸振性好和容易铸成复杂形状等优点，但铸件的品质不易控制。轴的常用材料及机械性能见表6-1。表表6-1 轴的常用材料及机械性能轴的常用材料及机械性能 6.1.3 轴的结构设计轴的结构设计轴的结构设计的目的是确定轴的合理外形和全部结构尺寸。轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上零件的类型、尺寸、数量、布置以及固定方式；载荷的大小、性质、方向及分布情况；轴承的类型及尺寸；轴的加工及装配工艺性等。由于影响因素较多，而且有时互相矛盾，所以轴的结构设计具有较大的灵活性和多样性，因此不可能有标准的结构形式。设计时，必须针对不同情况作具体分析，定出较合理的结构。轴的结构设计
8、应满足的基本要求是：轴的受力合理；有利于提高轴的强度和刚度；有利于节约材料和减轻重量；轴及轴上零件定位准确、固定可靠、轴上零件便于装拆和调整；具有良好的制造工艺性。轴结构设计的已知条件是：传动装置简图；初步计算出轴的最小轴径；轴上传动零件(如齿轮、联轴器、皮带轮等)的主要参数及尺寸等。初步设计时，还不知道轴上支反力的作用点，故不能按轴的弯矩计算轴径。通常按扭转强度来初步估算轴的最小直径，求得最小直径按拟订的装配方案，从最小直径起逐一确定各段轴的直径和长度。设计时需考虑各轴径应与装配在该轴段上的传动件、标准件的孔相匹配。轴的各段长度应根据各零件与轴配合部分的轴向尺寸确定，为保证轴向定位可靠，轴头
9、长一般比与之配合的轮毂长短23mm。1.轴上零件的定位和固定轴上零件的定位和固定1)轴及轴上零件的定位轴的定位通常是靠轴承来实现的。轴上零件的定位一般是靠轴肩或轴环来实现的。在图6-7中，齿轮靠轴环定位，联轴器和左轴承靠轴肩定位，右轴承通过简套和齿轮也靠轴环间接定位。轴肩和轴环的尺寸参看表6-2。图6-7 轴上零件的定位 表表6-2 轴肩和轴环的尺寸轴肩和轴环的尺寸 2)轴上零件的轴向固定轴上零件轴向固定的目的是使其准确而可靠地处在规定的位置。如图6-7所示，齿轮靠轴环和套筒轴向固定；左轴承靠轴肩和轴承盖轴向固定，右轴承靠套筒和轴承盖轴向固定；联轴器靠轴肩和另一半与它相联的联轴器(图中未画出)
10、轴向固定。常用的轴向固定方式及应用场合见表6-3。表表6-3 轴上零件常用轴向固定方式轴上零件常用轴向固定方式 3)轴上零件的周向固定轴上零件周向固定的目的是传递运动和转矩。如图6-7所示，齿轮和联轴器用键作周向固定，而滚动轴承因其不传递转矩，故采用有较小过盈量的配合来作周向固定。常用轴上零件的周向固定方式及其应用场合见表6-4。表表6-4 轴上零件的周向固定方式轴上零件的周向固定方式 2.轴的结构工艺性轴的结构工艺性轴的结构工艺性是指所设计的轴是否便于加工和装配。为了使轴的工艺性好，轴的结构设计应注意以下几个问题：(1)轴的形状力求简单，以便于加工和检验。由于轴上通常装有多个零件，若采用直径
11、不变的光轴，其形状虽然简单，但装配和定位将不方便，故一般多做成阶梯轴。当然，轴上的台阶数不宜过多，因为多加工一个台阶，就要多一次对刀，多调整或换一次量具。另外，轴的台阶数增多，轴上的应力集中源也相应增多，轴发生疲劳破坏的可能性也随之增大。所以在满足装配要求的前提下，轴上的台阶数尽可能少些。(2)阶梯轴上的轴肩处若装有零件，为保证零件能紧贴轴肩端面，轴肩处的过渡圆角半径应小于零件孔的圆角半径R或倒角C，如图6-8所示。配合表面处的圆角半径和倒角尺寸应符合标准，见表6-5。(3)对粗糙度要求较严格，需经磨削加工的表面，在轴肩处应设置砂轮越程槽，以便磨削时砂轮可以磨削到轴肩的端部，如图6-9所示。砂
12、轮越程槽的尺寸见表6-6。(4)轴上若要车制螺纹，则其直径应符合标准，螺纹尾部留有退刀槽，以保证靠近尾部的螺纹牙也能达到标准规定的高度，如图6-10所示。螺纹退刀槽的尺寸见表6-7。图6-8 圆角表表6-5 配合表面处的圆角半径和倒角尺寸配合表面处的圆角半径和倒角尺寸(GB6403.486)图6-9 越程槽 表表6-6 砂轮越程槽砂轮越程槽(GB6403.586)图6-10 退刀槽 表表6-7 螺纹退刀槽尺寸螺纹退刀槽尺寸(GB379)(5)轴端应有倒角(尺寸见表6-5)，以利于装配时的对中和避免把轴上零件的孔壁擦伤。有较大过盈配合处的压入端应采用锥形结构，如图6-11所示，以使零件能顺利地压
13、入。(6)装配在阶梯轴上的零件，用套筒、压板或螺母等作轴向固定时，应将装零件的轴头做得短些(一般短23mm，可参看表6-3中的图)，以保证所装零件的一端能和套筒、压板或螺母相互贴紧。(7)轴的圆角、倒角和退刀槽应尽可能取相同的尺寸，以便减少刀具的数量和节省换刀的时间。轴上的几个键槽应布置在轴的同一母线上(图6-7)，以减少轴的装夹次数，如轴上多个开键槽的轴头直径相差不大，则可采用相同截面尺寸的键槽，以便节省换刀时间。图6-11 锥形结构 3.轴各段的直径和长度确定轴各段的直径和长度确定轴主要由轴颈、轴头、轴身三部分组成(图6-7)。与轴承配合的轴段称为轴颈，与轮毂配合的轴段称为轴头，联接轴颈与
14、轴头的轴段称为轴身。轴上直径变化所形成的阶梯称为轴肩(单向变化)或轴环(双向变化)。轴肩分定位轴肩与自由轴肩。轴颈、轴头、定位轴肩和定位轴环表面是轴上的重要部分，一般应具有较高的加工精度和较小的表面粗糙度。在初步确定轴的直径时，由于轴承支点间的距离尚未确定，不知道支反力的作用位置，故不能决定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的弯矩来确定其直径。故进行轴的结构设计时，按轴所传递的转矩初步估算轴的直径。但应注意，这样估算的直径只能作为阶梯轴上只受扭矩的轴段的最小直径dmin(一般为轴承外伸段轴头的直径)，如图6-7所示，d1=dmin。当然，轴的最小直径也可凭设计者的经验确定，或参考同类机器
15、用类比的方法定出。求得d1=dmin后，就可根据轴上零件的定位、固定、装拆方案，从dmin段起逐一确定各段轴的直径(即将各段直径逐一加大)，这样就确定了阶梯轴各段的直径(图6-7)。联轴器与滚动轴承之间的轴段直径d2应大于d1，以便形成轴肩，使联轴器定位。装滚动轴承处的轴径d3应大于d2，这一方面是为了便于滚动轴承的装拆，另一方面也可节省轴的加工费用。因为装滚动轴承的轴段加工精度要求高，可以节省加工工时。装齿轮的轴径d4应大于d3，这不仅便于齿轮的装拆，而且也可避免因装拆齿轮而刮伤轴颈表面。为了使齿轮定位，装齿轮轴段的左侧做成轴环结构，轴环直径d5大于d4。在同一轴上，一般都采用相同型号的滚动
16、轴承，故左端装滚动轴承处的直径亦取d3。在确定d6时，既要考虑轴承的定位，又要便于轴承的拆卸。为了便于加工和检验，轴的直径取整数为好。与轮毂配合的轴头还应符合标准直径系列(表6-8)，装滚动轴承的轴颈的直径还必须按滚动轴承的内径标准选取。轴各段的长度主要根据轴上各零件与轴配合部分的轴向尺寸来确定，如图6-7中轴的各段长度应根据齿轮和联轴器的轮毂长度L和轴承宽度B等来确定。另外，还应考虑齿轮与箱壁间的距离C、轴承与箱壁的距离a与b，以及轴承盖与联轴器的装拆要求(如尺寸m)等因素，具体数据可参考机械零件设计手册。表表6-8 轴头的标准直径轴头的标准直径(摘自摘自GB282281)6.1.4 轴的强
17、度计算轴的强度计算轴的强度计算方法有三种：按扭转强度的初步计算，按弯扭组合强度校核计算和按疲劳强度安全系数的精确校核计算。对于用普通碳素钢和优质碳素钢制造的一般用途的轴，当单件或小批量生产时，安全系数的精确校核计算通常可以不必进行。故本项目只介绍前两种计算方法，第三种计算方法可参考有关资料。1.按扭转强度计算轴径按扭转强度计算轴径对只传递扭矩而不承受弯矩或弯矩较小的传动轴，可用此法计算轴的直径；对于同时承受较大弯矩和扭矩的转轴，可用此法来计算轴的最小直径dmin，以便进行结构设计。考虑到所受弯矩的影响，可适当降低许用扭转剪应力。按圆轴受扭转强度条件建立轴的直径计算公式为 式中:A是决定于轴的材
18、料并考虑弯曲影响的系数，其值见表6-9;P是轴所传递的功率(kW)；n是轴的转速(r/min)。当剖面上开有键槽时，应增大轴径，考虑键槽对轴的强度的削弱。一般开有一个键槽，轴径增大5左右，开有两个键槽，轴径增大10左右，然后圆整为标准值(表6-8)。3nPAd 表表6-9 几种材料的几种材料的A值值 2.按弯扭组合强度计算按弯扭组合强度计算在轴的结构设计完成以后，轴上零件的位置已经确定，轴各截面的弯矩即可算出。因此，可按弯矩和扭矩的联合作用来校核轴的强度。此法可作为一般转轴强度的最终校核计算，也可作为重要转轴的初步校核计算。1)计算时应注意的问题(1)把轴当作铰链支座上的梁。(2)轴和轴上零件
19、的自重(除很重的零件外)及轴承中的摩擦力矩忽略不计。(3)轴上所受的载荷，通常可作为集中力。力的作用点取在轮毂宽度的中点。(4)轴承支承反力假定作用在轴承宽度的中点。2)计算步骤(1)画出轴的空间受力简图，并将各力按垂直平面(V平面)和水平平面(H平面)分解成两平面内的分力。(2)求出垂直平面和水平平面内的支承反力。(3)分别计算垂直平面和水平平面内的弯矩MV和MH,并画出弯矩图。(4)计算合成弯矩并画出合成弯矩图：(5)计算扭矩T，画扭矩图。22HVMMM+=(Nm)(6)按第三强度理论计算当量弯矩：式中：是根据扭矩性质而定的校正系数(即引入系数后，扭矩T1即转化为当量弯矩)。当扭矩按对称循
20、环变化时，取=1；当扭矩按脉动循环变化时，取=0.6；当扭矩平稳、不变时，取=0.3。()22eMMTa=+(Nm)(7)计算轴的直径。根据当量弯曲应力建立强度条件，由此可得式中：W轴计算截面的抗弯截面模量(mm3)；b轴的许用应力(MPa)，其值见表6-10。(MPa)101010b3e3e3ed.MWM(6-1)(mm)103b.Mde(6-2)表表6-10 轴的许用弯曲应力轴的许用弯曲应力 MPa 使用上式时注意：(1)对于转轴，取b=-1b；对于固定心轴，若载荷有变化，取b=0b；若载荷不变，取b=+1b。(2)当轴的剖面有键槽时，应将计算的直径增大45(单键)或710(双键)。如果是
21、花键轴，则计算的轴径为花键轴的内径。(3)应用式(6-1)校核计算时，应选定危险截面。危险截面一般是受载大、截面积小、应力集中较严重的截面。当同时存在几个危险截面时，应该全部核算。若按式(6-2)算得的轴径(包括考虑因开键槽而增大以后的轴径)小于或等于结构设计所确定的直径，则说明原定轴径的强度是足够的；反之，则说明轴的强度不足，需重考虑加大轴的直径。6.1.5 轴的刚度计算简介轴的刚度计算简介轴在工作时由于受载荷的作用，必然会产生弹性变形，如轴的刚度不足，则将产生过大的变形，从而影响轴上零件的正常工作。例如，当轴的变形量过大时，会使轴上的齿轮啮合产生过大的偏载，使轴承产生不均匀磨损，使机床的精
22、度降低等。所以对重要的和精度要求高的轴，通常还要进行刚度的校核计算。轴的刚度校核计算就是使轴在工作时的变形量不超过某个允许的范围。轴的刚度分弯曲刚度和扭转刚度两类。弯曲刚度的校核计算主要是控制轴产生弯曲变形时的挠度和转角的大小；扭转刚度的校核计算是控制产生扭转变形时的扭转角的数值。轴的变形量可按材料力学的计算方法进行，也可参看机械设计手册中的有关公式计算。表6-11中列出了轴的许用变形量，供设计时参考。表表6-11 轴的许用变形量轴的许用变形量 6.1.6 轴的工作图轴的工作图1.轴的技术要求轴的技术要求为了保证轴、轴承和轴上装配的零件有良好的运转性能，必须按制造工艺条件对轴规定必要的技术要求
23、，并标注在轴的工作图上，如尺寸精度、配合、表面粗糙度、热处理及表面形状和位置公差等。2.轴的工作图轴的工作图轴经过结构设计、强度和刚度等的校核计算及技术要求设计以后，就可以绘制轴的工作图。绘制轴工作图的主要要求是：(1)图面清晰，表达完整，符合机械制图标准的规定。(2)若是齿轮轴，还应符合齿轮工作图的有关规定。(3)轴向尺寸的标注应便于加工和测量。设计基准(标准尺寸的基准)应与测量基准尽可能一致，避免加工时进行不必要的换算。不允许形成封闭尺寸链，一般选择最次要轴段(对长度公差没有要求的轴段)为尺寸链的缺口。(4)标注公差、配合、表面粗糙度等，写出热处理及其它技术要求。轴的工作图可参看图6-12
24、。6.1.7 轴的设计示例分析轴的设计示例分析对于一般轴的设计遵循如下步骤：(1)选择轴的材料，确定许用应力。(2)利用公式估算轴的直径。(3)对轴的结构进行设计。(4)对轴按弯扭合成进行强度校核。(5)对轴进行疲劳强度安全系数校核。例6-1 设计如图6-13所示一带式输送机中的单级斜齿轮减速器的低速轴。已知电动机的功率为P=25kW，转速n1=970r/min，传动零件(齿轮)的主要参数及尺寸为：法面模数mn=4mm，齿数比u=3.95,小齿轮齿数z120，大齿轮齿数z279，分度圆上的螺旋角=8634，小齿轮分度圆直径d180.81mm，大齿轮分度圆直径d2319.19mm，中心距a=20
25、0mm，齿宽B1=85mm、B2=80mm。(1)选择轴的材料。该轴没有特殊的要求，因而选用调质处理的45号钢，可以查得其强度极限b650MPa。图6-13 齿轮减速器简图(2)初步估算轴径。按扭转强度估算输出端联轴器处的最小直径,按轴的材料为45号钢，取A110。输出轴的功率P2=P123(1为联轴器的效率，等于0.99；2为滚动轴承的效率，取0.99；3为齿轮传动效率，取0.98)，所以P2=250.990.990.9824.5kW。输出轴转速r/min，根据公式有6.24595.39702nmm 7506245241103322min.nPAd 由于在联轴器处有一个键槽，故轴径应增加5；
26、为了使所选轴径与联轴器孔径相适应，需要同时选取联轴器。从手册可以查得，选用HL4弹性联轴器J5584/Y55112GB5014-85。故取联轴器联接处的轴径为55mm。(3)轴的结构设计。根据齿轮减速器的简图确定轴上主要零件的布置图(如图6-14)，并通过初步估算定出轴的最小直径进行轴的结构设计。图6-14 轴上主要零件的布置图 轴上零件的轴向定位。齿轮的一端靠轴肩定位，另一端靠套筒定位，装拆、传力均较为方便；两段轴承处常用同一尺寸，以便于购买、加工、安装和维修；为了便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜过高(其高度最大值可从轴承标准中查得)，故左端轴承与齿轮间设置两个轴肩，如图6-15所示。轴上零件的
27、周向定位。齿轮与轴、半联轴器与轴的周向定位均采用平键联接及过盈配合。根据设计手册，并考虑便于加工，取在齿轮、半联轴器处的键剖面尺寸为bh=1811，配合均采用H7/k6；滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴的尺寸公差为k6。图6-15 轴上零件的装配方案 确定各段轴径的直径和长度。如图6-16所示，轴径：从联轴器开始向左取55626570807065。轴长：取决于轴上零件的宽度及它们的相对位置。选用7213C轴承，其宽度为23mm；齿轮端面至箱体内壁间的距离取a15mm；考虑到箱体的铸造误差，装配时留有余地，取滚动轴承与箱体内壁的距离s=5mm；轴承处箱体凸缘宽度，应按箱盖与箱座联接螺栓尺寸及
28、结构要求确定，暂定：该宽度轴承宽(0.080.1)a(1020)mm，取为50mm；轴承盖厚度取20mm；轴承盖与联轴器之间的距离取15mm；半联轴器与轴配合长度为84mm，为使压板压住半联轴器,取其相应的轴长为82mm；已知齿轮宽度B2=80mm，为使套筒压住齿轮端面，取其相应的轴长为78mm。图6-16 轴的结构设计 根据以上考虑可确定每段轴长，并可以计算出轴承与齿轮、联轴器间的跨度。考虑轴的结构工艺性。考虑轴的结构工艺性，在轴的左端与右端均制成245倒角；左端支撑轴承的轴径为磨削加工，留有砂轮越程槽；为便于加工，齿轮、半联轴器处的键槽布置在同一母线上，并取同一剖面尺寸。(4)轴的强度计算
29、。先作出轴的受力计算图(即力学模型)，如图6-17(a)所示，取集中载荷作用于齿轮及轴承的中点。求齿轮上作用力的大小和方向。转矩：圆周力：径向力：轴向力：Fa2=Ft2tan=5847tan8634=833(N)Ft2、Fr2、Fa2的方向如图6-17所示。m)(N 2.9336.245241055.91055.932232nPT(N)584719.31993320022222tdTF(N)2150436cos8tan205847costann2t2r FF图6-17 轴的强度计算 求轴承的支反力。水平面上的支反力：垂直面上的支反力：(N)5.29232584722tRBRAFFF(N)201
30、114271(N)1391427122r22aRB2r22aRAFdFFFdFF画弯矩图。剖面C处的弯矩如图6-17(b)、(c)、(d)所示。水平面上的弯矩：MC71FRA10-3=712923.510-3=207.6(Nm)垂直面上的弯矩：m)(N 2.14810)2319.1983371(139 10/2)71(m)(N 87.9101397110713322aRA233RA1dFFMFMCC合成弯矩：m)(N 0.252m)(N 8.20722222121CCCCCCMMMMMM画转矩图。转矩图如图6-17(e)所示，图中T2=933.2(Nm)画当量弯矩图。当量弯矩图如图6-17(f
31、)所示。因为单向回转，视转矩为脉动循环，。已知b650MPa，查表得-1b59MPa，0b98MPa，则0.602。6.0b0b1剖面C处的当量弯矩：判断危险剖面并验算强度。剖面C当量弯矩最大，而其直径与邻接段相差不大，故剖面C为危险剖面。已知MeMC2615.7(Nm)，-1b59MPa，则m)(N 615.7)(m)(N 8.207)(2222222211 TMMTMMCCCCMPa 59MPa 18.0701010761510b1-333eee.d.MWM剖面D处虽然仅受转矩，但其直径较小，则该剖面也为危险剖面。所以强度足够。MPa 59MPa 8.3355101056210m)(N56
32、2)(b1-333e2.d.MWMTTMDD6.2 滑动轴承设计滑动轴承设计轴承是支撑轴的部件，按其工作时的摩擦性质可以分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。虽然滚动轴承有一系列优点，在一般机械中获得广泛的应用，但是在高速、高精度、重载、结构上要求剖分安装等场合下，滑动轴承则获得广泛使用。本单元主要讨论滑动轴承。6.2.1 滑动轴承的结构滑动轴承的结构滑动轴承的运动形式是以轴颈与轴瓦相对滑动为主要特征，也即摩擦性质为滑动摩擦。实践表明，滑动轴承的润滑条件不同，会出现不同的摩擦状态。轴承工作面的摩擦状态分为干摩擦状态、边界摩擦状态、混合摩擦状态和流体摩擦状态四类，
33、如图6-18所示。图6-18 摩擦状态 两摩擦表面直接接触，相对滑动，又不加入任何润滑剂，称为干摩擦；两摩擦表面被流体(液体或气体)层完全隔开，摩擦性质仅取决于流体内部分子之间黏性阻力，称为流体摩擦；两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开，摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性质，称为边界摩擦状态；实际上，干摩擦状态和边界摩擦状态很难精确区分，所以这两种摩擦状态也常常归并为边界摩擦状态。在实际应用中，轴承工作表面有时是边界摩擦和流体摩擦并存的混合状态，称为混合摩擦。边界摩擦和混合摩擦又常称为非液体摩擦。所以，滑动轴承按其摩擦性质可以分为液体滑动摩擦轴承和非液体滑动摩擦轴承两类。1.液体滑动摩擦轴承液体滑
34、动摩擦轴承由于在液体滑动轴承中，轴颈和轴承的工作表面被一层润滑油膜隔开，两零件之间没有直接接触，轴承的阻力只是润滑油分子之间的摩擦，所以摩擦系数很小，一般仅为0.0010.008。这种轴承的寿命长、效率高，但是制造精度要求也高，并需要在一定的条件下才能实现液体摩擦。2.非液体滑动摩擦轴承非液体滑动摩擦轴承非液体滑动摩擦轴承的轴颈与轴承工作表面之间虽有润滑油的存在，但在表面局部凸起部分仍发生金属的直接接触,因此摩擦系数较大，一般为0.10.3，容易磨损。但其结构简单，对制造精度和工作条件的要求不高，故在机械中得到广泛使用。干摩擦的摩擦系数大，磨损严重，轴承工作寿命短。所以，在滑动轴承中应力求避免
35、干摩擦。所以，高速长期运行的轴承要求工作在液体摩擦状态下，一般工作条件下轴承则维持在边界摩擦或混合摩擦状态下工作。因此本单元主要讨论非液体滑动摩擦轴承。按照轴承承受的载荷可将其分为：径向滑动轴承，主要承受径向载荷Fr；止推滑动轴承，主要承受轴向载荷Fa，如图6-19所示。图6-19 径向滑动轴承与轴向滑动轴承 在机械中，虽然广泛采用滚动轴承，但在许多情况下又必须采用滑动轴承。这是因为滑动轴承具有滚动轴承不能代替的独特优点。滑动轴承的主要优点是：结构简单，制造、加工、拆装方便；具有良好的耐冲击性和良好的吸振性能，运转平稳，旋转精度高；寿命长。但也有其缺点，主要有：维护复杂，对润滑条件较高；边界润
36、滑轴承，摩擦损耗较大。因而在大型汽轮机、发电机、压缩机、轧钢机及高速磨床上多采用滑动轴承。此外，在低速而带有冲击载荷的机器中，如水泥搅拌器、滚筒清砂机、破碎机等冲压机械、农业机械中也多采用滑动轴承。1)径向滑动轴承常用的径向滑动轴承，我国已制定了标准，通常情况下可以根据工作条件进行选用。径向滑动轴承可以分为整体式和剖分式(对开式)两大类。(1)整体式径向滑动轴承。整体式滑动轴承(JB/T256091)如图6-20所示。它由轴承座和轴承套组成。轴承套压装在轴承座孔中，一般配合为H8/s7。轴承座用螺栓与机座联接，顶部设有安装注油油杯的螺纹孔。轴套上开有油孔，并在其内表面开油沟以输送润滑油。这种轴
37、承结构简单、制造成本低，但当滑动表面磨损后无法修整，而且装拆轴的时候只能作轴向移动，有时很不方便，有些粗重的轴和中间具有轴颈的轴(如内燃机的曲轴)就不便或无法安装。所以，整体式滑动轴承多用于低速、轻载和间歇工作的场合，例如手动机械、农业机械中等。这类轴承座的标记为：HZ轴承座JB/T2560。其中：H表示滑动轴承座；Z表示整体式；表示轴承内径(单位mm)。标准规格为：HZ020140。图6-20 整体式滑动轴承(2)剖分式滑动轴承。剖分式滑动轴承由轴承盖、轴承座、剖分轴瓦和螺栓组成。对开式二螺柱正滑动轴承(JB/T256191或JB/T256291)如图6-21所示。轴承座水平剖分为轴承座和轴
38、承盖两部分，并用二个螺栓联接。为了防止轴承盖和轴承座横向错动和便于装配时对中，轴承盖和轴承座的剖分面做成阶梯状。对开式滑动轴承在装拆轴时，轴颈不需要轴向移动，装拆方便。另外，适当增减轴瓦剖分面间的调整垫片，可以调节轴颈与轴承之间的间隙。图6-21 对开式二螺柱正滑动轴承这种轴承所受的径向载荷方向一般不超过剖分面垂线左右35的范围，否则应该使用斜剖分面轴承。为使润滑油能均匀地分布在整个工作表面上，一般在不承受载荷的轴瓦表面开出油沟和油孔。这类轴承轴瓦与座孔之间的配合为H8/m7。轴承座标记为：H2轴承座JB256191(或H4)。其中：H表示滑动轴承座，2表示螺栓数，表示轴承内径(单位mm)。标
39、准规格为H2030H2160(H4050H4220)。图6-22 对开式四螺栓斜滑动轴承 对开式四螺栓斜滑动轴承(JB/T256391)如图6-22所示。轴承剖分面与水平面成45角，轴承载荷的方向应位于垂直剖分面的轴承中心线左右35的范围内，其特点与对开式正滑动轴承相同。轴承座的标记为：HX轴承座JB/T256391。其中：H表示滑动轴承座，X表示斜座，表示轴承内径(单位mm)。标准规格为HX050HX220。当轴颈较长(宽径比大于1.51.75)，轴的刚度较小，或由于两轴承不是安装在同一刚性机架上，同心度较难保证时，都会造成轴瓦端部的局部接触(如图6-23所示)，使轴瓦局部严重磨损。为此，可
40、采用能相对轴承自行调节轴线位置的滑动轴承，称为回转滑动轴承，如图6-24所示。这种滑动轴承的结构特点是轴瓦的外表面做成凸形球面，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合，当轴变形时，轴瓦可随轴线自动调节位置，从而保证轴颈和轴瓦为球面接触。图6-23 轴瓦端部的局部接触 图6-24 回转滑动轴承(3)轴承与轴瓦结构。整体式轴承中与轴颈配合的零件称为轴套，如图6-25所示，它分为不带挡边和带挡边的两种结构，其基本尺寸、公差参见GB250981或GB251081。对开式轴承的轴瓦由上下两半组成，如图6-26所示。为使轴瓦既有一定的强度，又有良好的减磨性，常在轴瓦内表面浇铸一层减磨性好的材料(如轴承合金)，
41、称为轴承衬。轴承衬应可靠地贴合在轴瓦表面上，为此可以采用如图6-27所示的结合形式(图中涂黑层表示轴承衬)。图6-25 轴套 图6-26 对开式轴承轴瓦 图6-27 轴瓦与轴承衬的结合形式 为了将润滑油引入轴承，并布满工作表面，常在其上开有供油孔和油沟。供油孔和油沟应开在轴瓦的非承载区，否则会降低油膜的承载能力，如图6-28所示。轴瓦全长上开通，以免润滑油自油沟端部大量泄漏。常见的油沟形式如图6-29所示。对于一些重型机器的轴承轴瓦，其上常开设油室，它既可以使润滑空间增大，又有储油和保证润滑油稳定供应的作用，如图6-30所示。图6-28 油沟布置对油膜承载能力的影响 图6-29 油孔和油沟 图
42、6-30 油室 2)推力滑动轴承推力滑动轴承用于承受轴向载荷。图6-31所示为一简单的推力轴承结构，它由轴承座、套筒、径向轴瓦、止推轴瓦所组成。为了便于对中，止推轴瓦底部制成球面形式，并用销钉来防止它随轴颈转动，润滑油从底部进入，上部流出。其最简的结构如图6-32(a)所示，多用于低速轻载的场合。由于工作面上相对滑动速度不等，越靠近边缘处相对滑动速度越大，磨损越严重，会造成工作面上压强分布不均匀，相对滑动端面通常采用环状端面。当载荷较大时，可采用多环轴颈，如图6-32(b)所示，这种结构能够承受双向轴向载荷。图6-31 止推滑动轴承 图6-32 推力滑动轴承 6.2.2 滑动轴承的失效形式及材
43、料滑动轴承的失效形式及材料1.滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效通常由多种原因引起，失效的形式有很多种，有时几种失效形式并存，相互影响。1)磨粒磨损进入轴承间隙的硬颗粒物(如灰尘、砂砾等)有的嵌入轴承表面，有的游离于间隙中并随轴一起转动，它们都将对轴颈和轴承表面起研磨作用。在机器启动、停车或轴颈与轴承发生边缘接触时，它们都将加剧轴承磨损，导致几何形状改变、精度丧失，轴承间隙加大，使轴承性能在预期寿命前急剧恶化。2)刮伤进入轴承间隙的硬颗粒或轴颈表面粗糙的轮廓峰顶，将在轴承上划出线状伤痕，导致轴承因刮伤而失效。3)胶合(也称为烧瓦)当轴承温升过高，载荷过大，油膜破裂时，或在润滑油
44、供应不足的条件下，轴颈和轴承的相对运动表面材料发生粘附和迁移，从而造成轴承损坏，有时甚至可能导致相对运动的中止。4)疲劳剥落在载荷反复作用下，轴承表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹，当裂纹向轴承衬与衬背结合面扩展后，将造成轴承衬材料的剥落。它与轴承衬和衬背因结合不良或结合力不足造成轴承衬的剥离有些相似，但疲劳剥落周边不规则，结合不良造成的剥离周边比较光滑。5)腐蚀润滑剂在使用中不断氧化，所生成的酸性物质对轴承材料有腐蚀性，特别对制造铜铝合金中的铅，易受腐蚀而形成点状剥落。氧对锡基巴氏合金的腐蚀，会使轴承表面形成一层由SnO2和SnO混合组成的黑色硬质覆盖层，它能擦伤轴颈表面，并使轴承间隙变小。此
45、外，硫对含银或铜的轴承材料的腐蚀，润滑油中水分对铜铅合金的腐蚀，都应予以注意。以上列举了常见的几种失效形式，由于工作条件不同，滑动轴承还可出现气蚀、流体侵蚀、电侵蚀和微动磨损等损伤。从美国、英国和日本三家汽车厂统计的汽车用滑动轴承故障原因的平均比率来看，因不干净或由异物进入而导致故障的比率较大，参见表6-12。表表6-12 滑动轴承失效原因滑动轴承失效原因 2.滑动轴承材料滑动轴承材料轴瓦与轴承衬的材料通称为轴承材料。针对以上所述的失效形式，轴承材料的性能应着重满足以下要求：(1)良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性。减摩性是指材料具有低的摩擦系数。耐磨性是指材料的抗磨性能(通常以磨损率表示)。抗胶
46、合性是指材料的耐热性和抗粘附性。(2)良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性。摩擦顺应性是指材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力。嵌入性是指材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。磨合性是指轴瓦与轴颈表面经过短期轻载运转后，易于形成相互吻合的表面粗糙度。(3)足够的强度和抗腐蚀能力。(4)良好的导热性、工艺性、经济性等。应该指出的是：没有一种轴承材料全面具备上述性能，因而必须针对各种具体的情况，仔细进行分析后合理选用。常用的材料可以分为三大类：金属材料，如轴承合金、铜合金、铝基合金和铸铁等；多孔质金属材料；非金属材料，如工程塑料、碳石墨等。1)轴承合
47、金(通称巴氏合金或白合金)轴承合金是锡、铅、锑、铜的合金，它以锡或铅作为基体，其内含有锑锡(Sb-Sn)或铜锡(Cu-Sn)的硬晶粒。硬晶粒起抗磨作用，软基体则用来增加材料的塑性。轴承合金的弹性模量和弹性极限都很低，在所有轴承材料中，它的嵌入性及摩擦顺应性最好，很容易和轴颈磨合，也不易与轴颈发生胶合。但轴承合金的强度很低，不能单独制作轴瓦，只能粘附在青铜、钢或铸铁轴瓦上作轴承衬。轴承合金适用于重载、中高速场合，价格较贵。2)铜合金铜合金具有较高的强度，较好的减磨性和耐磨性。由于青铜的减磨性和耐磨性比黄铜好，故青铜是最常用的材料。青铜有锡青铜、铅青铜和铝青铜等几种，其中锡青铜的减摩性和耐磨性最好
48、，应用广泛。但锡青铜比轴承合金硬度高，磨合性及嵌入性差，适用于重载及中速场合。铅青铜抗胶合能力强，适用于高速、重载轴承。铝青铜的强度及硬度较高，抗胶合能力较差，适用于低速重载轴承。在一般机械中有50的滑动轴承采用青铜材料。3)铝基轴承合金铝基轴承合金在许多国家获得了广泛的应用。它有相当好的耐蚀性和较高的疲劳强度，摩擦性也较好。这些品质使铝基轴承合金在部分领域取代了较贵的轴承合金和青铜。铝基轴承合金可以制成单金属零件(如轴套、轴承等)，也可以制成双金属零件，双金属轴瓦以铝基轴承合金为轴承衬，以钢作衬背。4)灰铸铁和耐磨铸铁普通灰铸铁或加有镍、铬钛等合金成分的耐磨灰铸铁或者是球墨铸铁，都可以用作轴
49、承材料。这类材料中的片状或球状石墨在材料表面上覆盖后，可以形成一层起润滑作用的石墨层，故具有一定的减摩性和耐磨性。此外石墨能吸附碳氢化合物，有助于提高边界润滑性能，故采用灰铸铁作轴承材料时应加润滑油。由于铸铁性脆、磨合性能差，故只适用于轻载低速和不受冲击载荷的场合。5)多孔质金属材料多孔质金属材料是不同类型的金属粉末经压制、烧结而成的。这种材料是多孔结构的，孔隙约占体积的1035。使用前先把轴瓦在加热的油中浸渍数小时，使孔隙中充满润滑油，因而通常把这种材料制成的轴承称为含油轴承，它具有自润滑性。工作时，由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀作用，油便进入摩擦表面间起润滑作用；不工作时，因毛
50、细管作用，油便被吸回到轴承内部，故在相当长的时间内，即使不加油仍能很好的工作。如果定期给以供油，则使用效果更好。但由于其韧性较小，故宜用于平稳无冲击载荷及中低速情况。常用的有多孔铁和多孔质青铜：多孔铁常用来制作磨粉机轴套、机床油泵衬套、内燃机凸轮轴衬套等；多孔质青铜常用来制作电唱机、电风扇、纺织机械及汽车发电机的轴承。我国也有专门制造含油轴承的生产厂家，需用时可根据设计手册选用。6)非金属材料非金属材料中应用最广的是各种塑料，如酚醛树脂、尼龙、聚四氟乙烯等。聚合物的特性是：与许多化学物质不起反应，抗腐蚀性好，例如聚四氟乙烯(PTEE)能抗强酸和弱碱；具有一定的自润滑性，可以在无润滑条件下工作，
