机械设计基础-11.轴系零部件设计与选择课件（周水芳）

一上次课回顾1.零件之间联接的类型、特点及应用。2.弹簧的功能、类型、特点及应用。二项目引入带式输送机中的减速器需要齿轮进行传动，齿轮如何安装到减速器中呢，并能满足齿轮传动的要求？123⒈能够根据机构或部件联接的要求，选择轴的类型；⒉能够设计常见的轴，并选用合适的轴承；⒊能够根据简单机构的联接要求选择合适的联轴器。项目任务三⒈理解轴的功用、分类、常用材料及热处理，掌握轴与轴系的结构设计方法；学习目标

知识目标

能力目标

素质目标⒉掌握轴承的类型、特点及代号，了解滚动轴承的选择；⒊掌握联轴器、离合器的功用、类型，了解常用联轴器的结构及应用；学习目标四轴系零部件联轴器轴离合器知识点链接五

轴的主要功用是用来支承回转零件（如齿轮、带轮、凸轮等），并传递转矩。

按承受载荷的特点，分为：

一、轴的功用和分类1.转轴——同时受转矩T和弯矩M。减速器轴侧图转轴轴系剖视图知识点链接五2.心轴——只承受弯矩M。又何分为转动心轴与固定心轴。火车车轮滑轮轮轴固定心轴转动心轴知识点链接五3.传动轴——只承受转矩T，不承受弯矩（或同时承受很小的弯矩）。

按轴的结构形状分类：光轴阶梯轴曲轴直轴电磨及软轴挠性轴汽车的传动轴

二、轴的材料轴的材料应满足：轴受交变应力作用，主要失效形式为疲劳破坏。（1）强度、刚度要求；（2）耐磨性、耐腐蚀性要求；（3）对应力集中的敏感小。轴的材料还应满足：（4）易加工和经济性。轴常用材料主要有碳素钢合金钢球磨铸铁优质碳素钢35、40、45碳素结构钢Q235、Q275常用，调质或正火受载小或不重要的轴具有较高的力学性能和良好的热处理性能。用于需提高轴颈耐磨性及高、低温条件下工作的轴。良好的吸振性，对应力集中不敏感，价格低廉。适用形状复杂的轴，如曲轴，凸轮轴知识点链接五三、轴设计的基本要求和设计步骤1.具有足够的承载能力（强度与刚度）；2.具有合理的结构形状（使轴上零件定位正确、固定可靠、易于装拆。轴的设计步骤框图选择材料及热处理方式，确定许用应力估算轴的最小直径轴的结构设计、绘制草图校核轴的强度绘制轴的工作图安全知识点链接第二节轴的结构设计（1）轴上零件定位准确，固定可靠，零件无沿轴向及周向有相对运动。（2）具有良好的工艺性（加工、装配）。（3）尽量减小应力集中。轴的结构设计包括确定轴的合理外形和全部结构尺寸。

轴身轴头轴头轴颈轴颈主要要求:知识点链接五一、轴上零件的轴向定位和固定Ⅲ套筒定位固定Ⅰ轴肩定位固定（零件圆角）Ⅱ轴环定位固定（零件倒角）知识点链接五1．轴肩与轴环轴承处轴肩高度要求轴肩和轴环能承受较大轴向力，加工方便，定位可靠，应用最为广泛。轴肩高度h、零件孔端圆角R（或倒角C）与轴肩圆r须满足图示关系。与滚动轴承相配时，应按轴承标准中的安装关系确定h。轴肩高度h、圆角r、零件圆角R的关系Ⅳ圆螺母定位固定Ⅲ套筒Ⅴ止动垫圈Ⅵ轴端挡圈定位固定2．其他轴上零件定位固定方式知识点链接五Ⅶ圆锥面定位Ⅷl轴端可靠定位知识点链接五

轴上零件的周向固定是为了防止零件与轴之间的相对转动。常用固定方式有键联接、花键联接与过盈配合等。转矩不大时，也可以用紧定螺钉或圆锥销作为轴向和周向固定。二、轴上零件的周向固定对中性好，可用于较高精度、高转速用受冲击或交变载荷场合。其中半圆键装配方便，特别选用于锥形轴端的联接，但对轴的削弱较大，仅适用于轻载场合。承载能力强，定心精度高，导向性好。但制造成本较高。圆锥销固定方式用于受力不大的场合，可做安全销使用。仅适用于轻载场合。没有应力集中源，定心性好，承载能力强，装拆方便；但加工制造复杂。方形、六方形、切边圆形易加工，定心性稍差。结构简单，同轴性好，耐冲击性能强，但配合表面的加工精度较高，装配不便。弹性挡圈紧定螺钉知识点链接五三、轴结构的工艺要求1.装配工艺性。便于装拆，设计成阶梯轴；设置倒角，以便相配零件导入。2.轴上要求磨削表面留出砂轮越程槽；螺纹车制处应留退；两端留中心孔；知识点链接五3.轴的直径尽量采用标准值，尤其是与轴承、螺纹配合处的直径。4.在用套筒、圆螺母、挡圈等定位时，轴段长度应小于相配零件宽度。5.为减小应力集中，在满足零件装配要求前提下，尽可能采用较大的过渡圆角；可采用凹切圆角或中间环来增大圆角半径。中间环凹切圆角过渡圆角知识点链接五请完成如图所示的轴系设计。请选择齿轮的装配方向轴系结构设计示例知识点链接五○第三节

轴的强度计算一、按扭转强度计算对圆截面的传动轴，扭转强度条件为式中，τmax为轴的最大扭转切应力（Mpa）；[τ]为许用扭转切应力（Mpa）；WT为抗扭截面系数（mm3），对圆截面，WT=0.2d3；P为轴传递的功率（kW）；d为轴的直径（mm）；T为轴传递的转矩（N．mm），由下式求得对转轴，上式为初步估算轴径的公式，考虑弯矩，适当降低许用应力[τ]；轴截面上有键槽时，适当加大轴的直径：1个键，加3%；2个键，加7%轴的最小直径:知识点链接五二、按弯扭组合强度计算

对于一般要求的轴，可按弯扭组合强度计算危险截面上的轴径。精确计算轴的强度时，可用安全系数法。这里只要求掌握弯扭组合强度计算方法。轴设计的一般流程:初估轴的直径轴的结构设计画出受力简图画出受力简图作垂直、水平面弯矩图作合成弯矩图作转矩图作当量弯矩图按弯扭组合强度校核轴的强度其中式中，σe为当量应力（Mpa）；Me为当量弯矩（N.mm）；

M为合成弯矩（N.mm）；

MH、MV分别为水平面和垂直面的弯矩（N.mm）；W为轴危险截面的抗弯截面系数（mm3），W=0.1d3；α为据转矩性质而定的折合因数（不变0.3；脉动0.6；对称1）。知识点链接五例12-1设计图示单级斜齿圆柱齿轮减速器的低速轴。轴输出端与联轴器相接。已知：该轴传递功率P=4kW，转速n=130r/min，轴上分度圆直径d=300mm，齿宽b=90mm，螺旋角β=12°，法向压力角αn=20°。载荷基本平稳，单向运转。解

可列表计算。扼要讲述如下：一、选择轴的材料，确定许用应力选用轴的材料为45钢，调质处理。查表12-1知σb=650Mpa，σs=360Mpa，查表12-6知[σ+1]bb=215Mpa，[σ0]bb=102Mpa，[σ-1]bb=60Mpa二、按扭转强度估算轴的最小直径输出端直径最小，由估算公式查表12-5，45钢，取C=118，将P、n值代入，可得取d=38mm知识点链接五三、轮齿上作用力的计算齿轮转矩:T=9.55×106P/n=9.55×106×4/130=294×103N.mm轮齿作用力：

圆周力:Ft=2T/d=2×294×103/300=1960N径向力:Fr=Fttanαn/cosβ=729N

轴向力:Fa=Fttanαβ=1960×tan12°=417N四、轴的结构设计1.轴的径向尺寸设计:（1）从d1始，有定位要求的次段直径d2=d1+2h，其中，据经验公式，轴肩高度h≥（0.07～0.1）d；（2）遇标准零件时，取其标准值。2.轴的轴向长度确定，据支承条件与配合零件宽度而定。五、校核轴的强度

（1）画出轴的受力简图，按水平面与垂直面计算，求出支点反力和弯矩。

（3）校核危险载面直径。（C点）dC=32mm，考虑键槽增3%，结构设计C处直径为52mm，强度足够。FRBZ=FRDX=980N；MCH=72030N.mmFRAZ=790N；FRDZ=61N（向下）（2）计算当量弯矩Me水平面弯矩MCH=72030N.mm；垂直面弯矩MCV-=58056N.mm；

MCV+=-4485N.mm合成弯矩MC-=92520N.mm；MC+=72169N.mm画出各平面弯矩图与扭矩图。按脉动循环，折合系数α=[σ-1]bb/[σ0]bb=60/102≈0.59C剖面最大当量弯矩Mce=196592N.mm画出当量弯矩图六、绘制轴的零件工作图知识点链接五主题讨论1.何谓应力?何谓许用应力?应力与许用应力有什么关系?2.工程中常见的交变应力有哪几种?它的循环特征各是什么?第一节轴承

轴承用来支承轴的部件。根据摩擦性质，轴承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)。按承受载荷方向，又可分为：承受径向力的向心轴承和承受轴向载荷的推力轴承。

一、轴承的功用和分类向心滑动轴承推力滑动轴承滚动轴承（向心）滚动轴承（推力）知识点链接五第二节非液体摩擦滑动轴承的主要类型、

结构和材料一、向心滑动轴承1.结构形式分为整体式、剖分式、调心式和间隙可调式四种。(1)整体式滑动轴承知识点链接五(2)剖分式滑动轴承知识点链接五(3)调心式滑动轴承（4）间隙可调式滑动轴承支承面为球面，轴瓦与轴承间球现配合使轴瓦可在一定角度内摆动。但球面难加工，只用于轴承宽度B与直径比大于是1.5～1.75的场合。常采用带锥形轴套进行间隙调整。2.轴瓦整体式轴瓦用于整体式轴承。剖分式轴瓦用于剖分式轴承。a）整体式轴瓦；b）剖分式轴瓦；c）分块式轴瓦分块式轴瓦用于大型滑动轴承，以便于运输、装配。在轴瓦的非承载区内制出油孔与油沟，使润滑油能均布于轴承工作区。剖分式轴瓦的油沟形式剖分式轴瓦实物图片整体式轴瓦实物图片知识点链接五3.轴承衬

为改善轴瓦表面的摩擦性能，提高承载能力，对重要的轴承，在轴瓦内表面浇铸一层减摩材料，称之为轴承衬。其厚度从0.5～６ｍｍ不等。二、推力滑动轴承

推力滑动轴承由轴承座1、衬套2、径向轴瓦3、推力轴瓦4和销钉5组成。工作时润滑油由下部注入，从上部导油管导出。知识点链接五推力轴承轴颈的几种形式载荷较小时用空心端面轴颈和环形轴颈，载荷大时用多环轴颈。知识点链接五三、轴承材料

轴承材料指与轴颈直接接触的轴瓦或轴承衬的材料。要求：（1）足够的强度（包括抗压、抗冲击、抗疲劳等强度），以保证其承载能力；（2）良好的减速摩性、耐磨性和磨合性，以提高效率及延长使用寿命；（3）良好的导热性、耐腐蚀性、工艺性以及价格低廉等。常用轴承材料主要有铸造轴承合金、铸造铜合金、铸铁等金属材料。常用轴承材料的性能与应用知识点链接五第四节

液体摩擦滑动轴承简介可分为液体动压滑动轴承和液体静压滑动轴承。一、液体动压滑动轴承流体动压形成的充要条件：（1）相对运动的两表面间必须形成收敛的楔形间隙；（2）被油膜分开的表面必须有一定的相对运动速度，其运动方向必须使润滑油由大口流进，从小口流出；（3）润滑油必须有一定黏度，供油要充分。知识点链接五二、液体静压滑动轴承利用液压泵向轴承供给一定压力的润滑油，强制轴颈与轴承孔隔开而获得液体润滑。工作时，压力油经节流器同时进入几个对称油腔，然后经轴承间隙流到轴承两端和油槽并流回油箱。零载荷时轴颈与轴承同心。受外载时，依靠节流器的自动调节使各油腔压力与外载荷保持平衡，轴颈与轴承存在少许偏心。知识点链接五

1、滚动轴承的结构典型的滚动轴承结构由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。

滚动轴承的内、外圈和滚动体用滚动轴承钢制造（如GCr15等），淬火硬度不低于61HRC65HRC。保持架用较软材料制造（如低碳钢、铝合金、铜合金和尼龙等）。单击…一、滚动轴承的结构、类型和代号知识点链接五2.游隙二、滚动体的结构特性滚动体和内外圈之间存在的一定的间隙，使内外圈间可产生相对位移，其最大位移量称为游隙。3.偏转角

轴承内、外圈轴线相对倾斜时所夹的锐角，称为偏移角。能自动适应角偏移的轴承称为调心轴承。三、常用滚动轴承的类型1.按滚动体形状分类滚动体的形状如右图所示。因此可分为：球轴承与滚子轴承两大类。2.按承受载荷方向分类(1)向心轴承主要承受径向载荷。又分

α

=0°的径向接触轴承

0°＜α＜45°的向心角接触轴承(2)推力轴承主要承受轴向载荷。

α

=90°的轴向推力轴承45°＜α＜90°的推力角接触轴承常用滚动轴承的类型及其功能知识点链接五四、滚动轴承的代号知识点链接五滚动轴承代号标注示例轴承6215轴承30208/P6x轴承7310C/P5第六节滚动轴承类型的选择滚动轴承为标准零件，选择时应考虑的主要因素：1.载荷的大小、方向和性质载荷较大或有冲击时调心滚子轴承（2000）圆锥滚子轴承（3000）滚子轴承（N）只承受径向载荷深沟球轴承（6000）只承受轴向载荷推力球轴承（5000）推力圆柱滚子轴承（8000）同时承受径向与轴向载荷第六节滚动轴承类型的选择2.转速的高低。转速高球轴承3.使用要求。两轴承孔同轴度低、轴的弯曲变形大、刚度较差时，可选用轴承同时承受较大轴向与径向载荷，且需对轴向位置调整时4.价格及经济性。5.其他特殊要求。第七节滚动轴承的组合设计一、滚动轴承内、外圈的轴向固定方法轴系部件在箱体的位置是靠轴承内、外圈的固定来实现的。1.常用轴承内圈的轴向固定方法

轴承内圈常采用右图所示的过盈配合与轴肩组合作轴向固定。这种方式结构简单，占用空间小，可用于两端固定的支承中。结构简单，装拆方便，占用空间小，多用于深沟球轴承的固定。不能调整轴承游隙，多用于轴颈d＞70mm的场合，允许转速较高。结构简单，装拆方便，紧固可靠。装拆方便，紧固可靠，常用于轴承轴向间隙需调整的场合。2.常用轴承外圈的固定方法固定方式:用端盖紧固特点:结构简单，紧固可靠，调整方便。固定方式:用弹性挡圈紧固特点:结构简单，装拆方便，占用空间小，多用于向心类轴承。固定方式:外圈用挡肩定位，轴系另一端支承靠螺母或端盖紧固。特点:结构简单，工作可靠。固定方式：外圈由套筒上的挡肩定位再用端盖紧固。特点：结构简单，外壳孔可为通孔，利用垫片可调整轴系的位置，装配工艺性好。固定方式：外圈由螺钉和调节杯紧固。特点：便于调整轴承游隙，用于角接触轴承的紧固。二、轴系的固定1.两端单向固定两端轴承都靠轴肩和轴承盖作单向固定，两个轴承的联合作用就能限制轴的双向移动。为补偿轴的热伸长，轴承外圈与轴承端盖之间留有间隙C。知识点链接五二、轴系的固定2.一端固定、一端游动一端轴承的内、外圈均作双向固定，限制轴的双向游动。另一端轴承外圈都不固定。游动端间隙C=3～8mm。适合工作温度变化较大的长轴。二、轴系的固定*3.两端游动两端均采用圆柱滚子轴承支承，两轴承的内、外圈双向固定，以保证轴能作双向游动。适用于人字齿轮主动轴，但与其啮合的另一轴系必须两端固定。知识点链接五三、滚动轴承组合结构的调整内容包括：轴承间隙的调整和轴系轴向位置的调整靠加减轴承端盖与箱体间的垫片的厚度进行调整。1.轴承间隙的调整轴承间隙的大小将影响轴的旋转精度、轴承寿命和传动零件工作的平稳性。利用调整环进行调整，调整环的厚度在装配时确定。利用调整螺钉推压盖移动滚动轴承外圈进行调整，调整后用螺母锁紧。利用调整端盖与座孔内的螺纹联接进行调整。确定。三、滚动轴承组合结构的调整2.轴系轴向位置的调整轴系轴向位置的调整的目的是使轴上零件有准确的工作位置。四、滚动轴承的配合1.轴承内圈与轴2.轴承外圈与轴承座孔基孔制：基轴制：

滚动轴承的配合是指内圈与轴颈、外圈与外壳孔的配合。

滚动轴承内孔与轴的配合采用基孔制，外径与外壳孔的配合采用基轴制。松紧js6，j6，k6，m6，n6松紧G7，H7，JS7，J7五、滚动轴承的装拆知识点链接五六、保证支承部分的刚度与同轴度1.在轴承座孔处设置加强肋以增强刚度；2.对向心角接触轴承，采用反排列（外圈宽边相对），提高支承刚度。七、滚动轴承的润滑轴承润滑的主要目的是减少摩擦与磨损、缓蚀、吸振和散热。一般采用脂润滑或者油润滑。轴承内径与转速的乘积dn值可作为选择润滑方式的依据。具体内容在下章中介绍。八、滚动轴承的密封密封的目的是防止外部灰尘、水分及其它杂质进入轴承，并阻止轴承内润滑剂的流失。密封装置可直接设置在轴承上（称为密封轴承），但多数设置在轴承的支承部位。密封的方法将在下章详细介绍。知识点链接五

○第八节

滚动轴承的失效形式、寿命计算和静强度计算

一、滚动轴承的主要失效形式1.疲劳点蚀

发生在安装润滑与维护良好情况下，是一般滚动轴承的主要失效形式。2.塑性变形当轴承转速很低(n≤10r/min)或间歇摆动时，轴承在承受过大静载荷或冲击载荷时会产生塑性变形，从而使轴承失效。3.磨损与胶合润滑不良、杂质和灰尘侵入都会引起磨损。高速动转动时，时还可能会出现套圈胶合。滚动轴承失效实物图片二、滚动轴承的设计准则一般运转轴承，为防止点蚀发生，以疲劳强度计算为依据，进行

寿命计算。2.对不回转、转速很低(n≤10r/min)或间隙摆动的轴承，为防止塑性

变形发生，以静强度计算为依据，进行静强度计算。三、轴承的寿命计算（一）基本概念1.寿命指轴承中任何一个滚动体或内、外圈滚道上出现疲劳点蚀前轴承转过的总转数，或在一定转速下总的工作小时数。2.基本额定寿命指一批相同轴承，在同样工作条件下，其中10%的轴承产生疲劳点蚀时所经过总转数，或在一定转速下总的工作小时数。3.额定动载荷基本额定寿命为106r时轴承能承受的载荷，称为额定动载荷，用“C”表示。轴承在额定动载荷作用下，不发生疲劳点蚀的可靠度是90%。各种类型、不同尺寸；同承的C值可查机械零件手册。4.额定静载荷轴承工作时，受载最大的滚动体和内外圈接触处的接触应力达到一定值(向心和推力球轴承为4200Mpa，滚子轴承为4000Mpa时的静载荷），称为额定静载荷，用“Cr”表示。其值查手册。静载荷是在向心轴承只承受径向载荷，推力轴承只承受轴向载荷的条件下根据试验确定的，当实际工作中同时承受径向、轴向载荷时，必须将实际载荷等效为一假想载荷，此假想载荷称为当量动载荷，用“P”表示。5.当量动载荷额定动、（二）寿命计算额定寿命数常用给定转速下运转的小时数Lh表示，实用寿命计算公式：式中，fT为考虑工作温度影响引入的温度因数，由表查取；

fP为考虑机器振动和冲击的影响引入的载荷因数，也可由表查取；如预期寿命L′h已选定，可据下式选择轴承型号：ε式中，CC为计算额定动载荷（kN），可由相应表查取；ε为寿命指数，对球轴承ε=3，对滚子轴承ε=10/3。知识点链接五三、当量动载荷的计算当量动载荷是一假想载荷，当量动载荷P的计算式式中，x为径向载荷因数；y为轴向载荷因数；可据轴承选用类型及载荷情况查表确定。Fr为轴承承受的径向载荷；Fa为轴承承受的轴向载荷。对只承受径向载荷的轴承:P=Fr对只承受轴向载荷的轴承:P=Fa实际计算中，径向载荷可以从轴径支承反力计算中，用静力平衡原理比较方便地求得。但对采用向心角接触轴承的支承，轴向载荷Fa的计算实际属于静不定问题，需引入补充条件才能求得。径向载荷因数x轴向载荷因数y主题讨论1.设计液体动力润滑滑动轴承时，为保证轴承正常工作，应满足哪些条件?2.何谓轴承承载量系数Cp？Cp值大是否说明轴承所能承受的载荷也越大?联合器离合器与制动器第一节概述

第二节联轴器

第三节离合器

第四节制动器

知识点链接五第一节概述

联轴器、离合器与制动器是机械传动中的重要部件。联轴器与离合器可联接主、从动轴使其一同回转并传递扭矩，有时也可作安全装置。联轴器的分合只能在停机时进行，离合器则可随时进行。制动器用于降低机械的运转速度或强迫机械停止运转。联轴器、离合器和制动器类型很多，多数已标准化，设计时主要是根据工作要求在有关手册、样本中选择合适的类型，必要时对主要零件进行强度校核。知识点链接五空制压缩机与电机间用柔性联轴器联接发动机飞轮是离合器的主动件，带有摩擦片的从动盘和从动毂借滑动花键与从动轴（即变速器的主动轴）相连。压紧弹簧则将从动盘压紧在飞轮端面上。发动机转矩即靠飞轮与从动盘接触面之间的摩擦作用而传到从动盘上，再由此经过从动轴和传动系中一系列部件传给驱动轮。压紧弹簧的压紧力越大，则离合器所能传递的转矩也越大。汽车变速箱中的离合器第二节联轴器一、联轴器的性能要求

由于制造、安装误差，承载后的变形、温度变化和轴承磨损等原因，被联接两轴的轴线之间可能产生下列位移知识点链接五联轴器二、联轴器的分类刚性联轴器挠性联轴器凸缘联轴器套筒联轴器夹壳联轴器无弹性元件挠性联轴器有弹性元件挠性联轴器滑块联轴器齿式联轴器万向联轴器链条联轴器滑块联轴器齿式联轴器万向联轴器链条联轴器链条联轴器三、常用联轴器的结构和特点1.凸缘联轴器两种对中情况：a）普通螺栓，靠凸肩和凹槽配合对中；b）铰制孔用螺栓，靠螺栓杆与螺栓杆配合对中。只适用于联接两轴能严格对中、载荷平稳的场合。

2.滑块联轴器

中间盘沿径向滑动补偿径向位移y，并能补偿角度位移α。中间盘的偏心将引起较大离心力，使轴承承受附加动载荷，加速磨损。因而仅适用于低速场合。可在中间盘油孔注入润滑剂以减少磨损。知识点链接五十字滑块联轴器

半联轴器和中间盘的常用材料为45钢或铸钢ZG310-570，工作表面淬火硬度48～58HRC3.万向联轴器

万向联轴器两轴线能成任意角度α，一般α最大可达35°～45°。α越大效率越低。

单个万向联轴器工作时，当α≠0°时，输入转速n1≠输出转速n2，为此