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第六章轴 轴承及联轴器 6 1轴 一 概述 一 轴的用途与分类 1 功用 1 支承回转零件 2 传递运动和动力 2 分类 按中心线形状不同分类 1 直轴 中心线为一直线的轴称为直轴 在轴的全长上直径都相等的直轴称为光轴 如图 a 所示 各段直径不等的直轴称为阶梯轴 如图 b 所示 a 光轴 b 阶梯轴 c 空心轴 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的 以减轻轴的重量或利用空心轴孔输送润滑油 冷却液等 2 曲轴 中心线为折线的轴称为曲轴 如图所示 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 直轴 阶梯轴 光轴 曲轴 实物轴 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 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 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 a 后者如自行车的前轴 见图 b 转轴 传动轴 心轴 a 机车车轴 b 自行车前轴 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 二 轴的材料 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 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 下表列出了几种轴的常用材料及其力学性能 轴的常用材料及其主要力学性能 1概述2滑动轴承的结构与材料3滑动轴承的润滑4滚动轴承5滚动轴承的代号及选用6滚动轴承的寿命计算 6 2轴承 一 概述 1滑动轴承的特点与应用工作时轴套和轴颈的支承面间形成直接或间接滑动摩擦的轴承称为滑动轴承 滑动轴承工作面间一般有润滑油膜且为面接触 所以滑动轴承具有承载能力大 抗冲击 噪声低 工作平稳 回转精度高 高速性能好等独特的优点 滑动轴承主要应用于以下场合 工作转速极高的轴承 要求轴的支承位置特别精确 回转精度要求特别高的轴承 特重型轴承 承受巨大冲击和震动载荷的轴承 必须采用剖分结构的轴承 要求径向尺寸特别小以及特殊工作条件的轴承 滑动轴承在内燃机 汽轮机 铁路机车 轧钢机 金属切削机床以及天文望远镜等设备中应用很广泛 B 按润滑状态分类 1 流体润滑轴承 摩擦表面完全被流体膜分隔开 表面间的摩擦为流体分子间的内摩擦 2 非流体润滑轴承 摩擦表面间为边界润滑或混合润滑 C 按流体膜的形成原理分类常见的滑动轴承有流体动压润滑轴承 流体静压润滑轴承和流体动静压润滑轴承 D 按润滑材料分类常见的滑动轴承有液体润滑轴承 气体润滑轴承 塑性体润滑轴承 固体润滑轴承和自润滑轴承 和滚动轴承相比 在某些工作条件下 滑动轴承有着显著的优越性 不能为滚动轴承所代替 2滑动轴承的类型A 按承受载荷方向分类 1 径向轴承 只承受径向载荷 2 推力轴承 只承受轴向载荷 3 组合轴承 同时承受径向载荷和轴向载荷 整体式径向轴承 二 滑动轴承的结构与材料 1滑动轴承的结构形式滑动轴承一般由轴承座 轴瓦 润滑装置和密封装置等组成 A 径向滑动轴承1 整体式滑动轴承下图所示为典型的整体式滑动轴承 由轴承座和轴瓦组成 整体式滑动轴承结构简单 成本低 但无法调节轴颈和轴承孔间的间隙 当轴承磨损到一定程度时必须更换 装拆这种轴承时轴或轴承必须作轴向移动 很不方便 故多用于轻载 低速 间歇工作的简单机械中 其结构已标准化 轴承模型 2 剖分式滑动轴承 图所示为典型的剖分式滑动轴承 由轴承座 轴承盖 对开轴瓦 螺栓等组成 轴瓦和轴承座均为剖分式结构 在轴承盖与轴承座的剖分面上制有阶梯形定位口 便于安装时定心 轴瓦直接支承轴颈 因而轴承盖应适度压紧轴瓦 以使轴瓦不能在轴承孔中转动 轴承盖顶端制有螺纹孔 以便安装油杯或油管 剖分式径向轴承 模型 调心式径向轴承 3 调心式滑动轴承调心式滑动轴承的轴瓦位置可以调整以适应轴颈 从而避免轴瓦发生急剧磨损 如下图所示 a 实心端面止推轴颈 b 空心端面止推轴颈 c 环状轴颈 d 多环轴颈 B 推力轴承图所示为常见的推力轴承 其工作面有实心端面 空心端面 单环工作面和多环工作面 2滑动轴承轴瓦的结构形式滑动轴承中的轴瓦结构有两种形式 一是整体式结构 见图 二是剖分式结构 见图 对于大型轴瓦 为节约贵重的减摩材料和便于修理 常制成双金属轴瓦 即以钢 铸铁或青铜做瓦背 再在瓦背上浇铸一薄层减摩材料 轴承衬 以提高轴瓦的工作性能 金属轴瓦一般是铸造的 在某些工业部门中 由于生产批量较大 常用附有薄层减摩材料的钢带 厚约1 5 2 5mm 制成 此外 在瓦背上浇铸轴承衬时 为了使轴承衬贴附牢固 应在瓦背上预制燕尾形或螺纹形沟槽 如图所示 整体式轴瓦 a 无油沟轴套 b 有油沟轴套 整体式轴瓦 a 无油沟轴套 b 有油沟轴套 剖分式轴瓦 轴瓦瓦背沟槽形状 轴瓦应开设供油孔及油沟 以便润滑油进入轴承并流到整个工作面上 通常油沟的轴向长度约为轴瓦宽度的80 如图所示 以便在轴瓦两端留出封油部分 防止润滑油的流失 轴瓦的油沟一般应开设在非压力区或剖分面上 滑动轴承壳体和轴瓦的结构尺寸 可参看有关手册 图册中的经验数据和公式 并结合设计要求确定 油沟的形式 3轴承材料常用的轴承材料有三类 1 金属材料 如轴承合金 灰铸铁 减摩铸铁等 2 金属陶瓷 如含油轴承 3 非金属材料 如酚醛塑料 尼龙等 常用轴瓦材料的性能及其应用见表 略 三 滑动轴承的润滑 润滑对减少滑动轴承的摩擦和磨损以及保证轴承正常工作具有重要意义 它除了可以降低功耗外 还具有冷却 防尘 防锈和缓冲吸震等作用 直接影响轴承的工作能力和使用寿命 因此 设计滑动轴承时 必须注意合理选择润滑剂及润滑装置 1润滑剂常用的润滑剂一般为润滑油 润滑脂 在特殊工况下 还可采用固体润滑剂及水和空气等 A 润滑油润滑油是最常用的润滑剂 有动 植物油 矿物油和合成油 其中以矿物油应用最广 粘度是润滑油最主要的性能指标 粘度是润滑油抵抗变形的能力 表征液体流动的内摩擦性能 粘度大的液体内摩擦阻力大 承载后油不易被挤出 有利于油膜形成 通常粘度随温度升高而减低 除粘度之外 润滑油的性能指标还有凝点 闪点等 选用润滑油时 通常以粘度为主要指标 具体选用见表 略 2 润滑脂润滑脂是由润滑油添加各种稠化剂 如钙 钠 铝 锂等金属皂 和稳定剂而成的膏状润滑剂 其特点是稠度大不易流失 密封简单 不需经常添加 但摩擦损耗大 故高速不宜用 按所用金属皂的不同 润滑脂主要有 1 钙基润滑脂 有较好的耐水性 但不耐热 使用温度不超过60 2 钠基润滑脂 耐热性较好 使用温度可达115 145 但抗水性差 3 铝基润滑脂 具有良好的抗水性 4 锂基润滑脂 性能良好 既耐水又耐热 在 20 150 范围内广泛应用 常用润滑脂的主要性能和用途 轴承是支承轴及轴上零件的重要零件 主要用来减轻轴与支承间的摩擦与磨损 并保持轴的回转精度和安装位置 轴承根据工作的摩擦性质 可分为滑动摩擦轴承 简称滑动轴承 和滚动摩擦轴承 简称滚动轴承 两类 滚动轴承具有摩擦系数小 已标准化 设计 使用 润滑 维护方便等一系列优点 因此在一般机械中广泛应用 滚动轴承是标准化产品 在一般机械设计中主要是根据具体的载荷 转速 旋转精度和工作条件等要求 选择类型和尺寸合适的滚动轴承 并进行轴承的组合设计 四 滚动轴承 一 滚动轴承的结构滚动轴承的典型结构如图所示 通常由外圈1 内圈2 滚动体3和保持架4组成 内圈装在轴颈上 外圈装在轴承座孔内 多数情况下内圈与轴一起转动 外圈保持不动 工作时 滚动体在内外圈间滚动 保持架将滚动体均匀地隔开 以减少滚动体之间的摩擦和磨损 滚动轴承的构造 实物 滚动体的种类 滚动体有球 圆锥滚子 圆柱滚子 鼓形滚子和滚针等几种形状 如图所示 滚动轴承的内 外圈和滚动体采用强度高 耐磨性好的含铬合金钢制造 保持架多用软钢冲压而成 也有采用铜合金或塑料保持架的 实物 二 滚动轴承的类型滚动轴承中 滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的径向平面之间的夹角 称为接触角 如图所示 它是滚动轴承的一个重要参数 1 按滚动轴承承载方向分类 1 向心轴承 主要承受或只承受径向载荷 其接触角 为0 45 2 推力轴承 主要承受或只承受轴向载荷 其接触角 为45 90 滚动轴承的接触角 2 按滚动轴承滚动体形状分类滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承 而滚子轴承又分为圆锥滚子轴承 圆柱滚子轴承等 3 按滚动轴承工作时能否调心分类滚动轴承可分为刚性轴承和调心轴承 常用滚动轴承的主要类型 尺寸系列代号及性能特点见表 常用滚动轴承的主要类型 尺寸系列代号及性能特点 略 五 滚动轴承的代号及选用 1滚动轴承的代号由于滚动轴承已标准化 为了便于生产和使用 国家有关标准规定了滚动轴承的代号 代号的构成情况见表 滚动轴承代号的构成 A 基本代号国家标准规定 滚动轴承的基本代号由三部分构成 如图所示 1 内径代号 用自右至左第1 2位数字表示 表示方法见表 滚动轴承的基本代号 常用轴承的内径代号 2 直径系列代号 即结构相同 内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化系列 用右起第3位数字表示 直径系列代号见表 各系列之间的尺寸对比如图所示 向心轴承和推力轴承的常用尺寸系列代号 直径系列对比 3 宽 高 度系列 即结构 内径和直径都相等的轴承 在宽度方面的变化系列 用右起第4位数字表示 向心轴承和推力轴承的宽度系列代号见表 宽度系列为0系列时 多数轴承此代号不标出 调心滚子轴承 圆锥滚子轴承除外 4 类型代号 轴承类型代号用数字或字母表示 见表 圆柱滚子轴承 滚针轴承分别用N NA表示 其余都为数字表示 用字母表示时 类型代号与右边的数字代号之间空半个汉字的宽度 13567N 调心球轴承 圆锥滚子轴承 推力球轴承 深沟球轴承 角接触球轴承 圆柱滚子轴承 B 前置 后置代号前置 后置代号是轴承在结构形式 尺寸 公差 技术要求等有改变时 在其基本代号前后添加的补充代号 1 前置代号 前置代号用字母表示 如圆柱滚子轴承代号LN207中的L表示可分离轴承的内圈或外圈 2 后置代号 后置代号用字母和数字表示轴承的结构 公差及材料的特殊要求等内容 与左边的基本代号空半个汉字 代号中有 符号的除外 后置代号中部分轴承内部结构的代号见表 部分轴承内部结构的代号 例 说明滚动轴承代号7208AC和6308 P63的意义 解 1 润滑 作用 减少摩擦 降低温升和防止腐蚀润滑不良 轴承温升剧增 加速轴承的磨损 影响主轴组件的正常工作润滑剂的选用和润滑方式决定于轴承的类型 速度和工作负荷 滚动轴承 润滑脂或润滑油润滑速度较低时 温升较低 脂润滑速度较高时 油润滑按轴承的速度因数ndm选择ndm较低时 脂润滑ndm较高时 油润滑 1 脂润滑 优点 润滑脂的粘度大 不易流失 不需要经常更换 密封简单缺点 摩擦阻力大 机械效率低 流动性差 导热系数小适用于ndm值较低的场合 特别适用于立式或套筒式主轴组件 可防止漏油常用的油脂有 理基润滑脂精密主轴润滑脂 2 润滑油 主轴轴承速度较高时 宜采用润滑油优点 摩擦阻力小 冷却效果好 具有冲洗作用为了保证滚动体与滚道接触面上有足够压强的油膜 应使润滑油在轴承工作温度下的粘度为 12 23 10 6m2 s 润滑方式 飞溅 滴油 循环 油雾和喷射等主要根据轴承的速度因素ndm值选择 可参考表4 8 1 飞溅润滑 利用齿轮或专门叶片等的旋转 使润滑油飞溅一般溅油齿轮浸入油中高度为1 2齿高至齿高的2 3倍 圆周速度为3 6m s 以免引起润滑不充分或过大的空载损失油的粘度一般在50 C时为 20 30 10 6m2 s 常用N46或N68机械油适用于要求不高的机床上 2 滴油润滑 采用滴油器或绒线间断地供给少量润滑油应通过试验找出温度最低的滴油量 一般每小时供油1 100g适用于需油量不大的场合常用N46或N68机械油 3 循环润滑 用专门油泵经油管供油进行强制循环润滑同时具有润滑和冷却作用 油容易过滤 清洁度较好 能保证充分而均匀地输出润滑油 是一种比较完善的润滑方法适用于高速重载主轴组件角接触轴承有泵油效应 油从小口进入常用N46或N68机械油 4 油雾润滑 利用压缩空气 通过专门的雾化系统形成含少量油的油雾喷入轴承 起到润滑和冷却作用没有油的搅拌损失 油的温升小以空气气流作为冷却剂 冷却效果好需要专门设备 价格较高 用于高速主轴油的粘度一般在40 C时为 18 37 10 6m2 s 5 喷射润滑 轴承周围安装3 4个喷嘴 将压力为0 4MPa的油注射到保持架与轴承圈空隙中周期性供油特别适用于转速极高的主轴设备复杂 价格更高油的粘度一般在40 C时为 8 15 10 6m2 s 三 主轴组件的密封 作用 1 防止灰尘 屑未和切削液等进入轴承 以减少腐蚀和磨损 2 防止润滑油外漏 保护环境 避免污染 适用场合 脂润滑 要求环境清洁 轴颈圆周速度v 4 5m s 工作温度不超过90 适用场合 脂或油润滑 轴颈圆周速度v 10 15m s 工作温度 40 100 防漏油 防灰尘 1 接触式密封 二 滚动轴承的密封 滚动轴承的润滑和密封 轴承装置的设计 轴承装置的设计 唇形密封圈 轴承装置的设计 毡圈密封 唇形密封圈 适用场合 脂润滑 要求环境干燥清洁 靠轴与端盖之间的细小环形间隙密封 间隙愈小愈长 效果愈好 间隙取0 1 0 3mm 隙缝封圈 0 1 0 3mm 2 非接触式密封 适用场合 脂润滑或油润滑 密封效果可靠 图b为轴向曲路 因考虑到轴受热后会变长 间隙取 1 5 2mm 曲路 迷宫式 密封 0 1 0 2mm 1 5 2mm 将旋转件与静止件之间的间隙做成迷宫形式 并在间隙中充填润滑脂以加强密封效果 分为径向和轴向两种结构 轴承装置的设计 曲路密封 隙缝密封 隙缝密封 适用场合 适用于脂润滑或油润滑 密封效果可靠 3 组合式密封 一 联轴器的类型 结构和特性 机械式联轴器 液力联轴器 电磁式联轴器 机械式联轴器 1 刚性联轴器 联轴器 主要用作轴与轴之间的联接 以传递运动和转矩 主要用作轴与轴之间的联接 以传递运动和转矩 6 3联轴器 1 刚性固定式联轴器 要求被联接两轴轴线严格对中 套筒联轴器 凸缘联轴器 对两轴对中性的要求很高 结构简单 成本低 传递转矩大应用最广 凸缘联轴器 夹壳式联轴器 主要优