机械设计基础 课件 刘峻 模块9-13 蜗杆传动-其他常用零部件

汇报时间：汇报人：模块9蜗杆传动目录学习目标单元9.1蜗杆传动的类型和特点单元9.2蜗杆传动的失效形式、材料和结构单元9.3蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算单元9.4蜗杆传动的运动分析和受力分析单元9.5蜗杆传动的强度计算010203040506单元9.6蜗杆传动的效率、润滑和热平衡单元9.7AI在蜗杆传动效率提升与润滑方案优化中的应用与展望0708模块小结模块习题0910PART.01学习目标1-了解蜗杆传动的类型及特点，并熟知蜗杆传动的结构、失效形式以及材料。01-了解蜗杆传动的基本参数，并掌握蜗杆传动的几何尺寸计算。02-掌握蜗杆传动的运动分析、受力分析及强度计算。03-了解蜗杆传动的效率、润滑及热平衡。04知识目标-能准确计算蜗杆和蜗轮所受的圆周力、轴向力和径向力，理解力的方向判定规则，为轴系零件的强度设计提供依据。01-能进行效率计算、润滑方式选择及热平衡验算，判断蜗杆传动系统的发热与散热是否平衡，并能针对性地提出改进措施。02技能目标-通过深入了解蜗杆传动的原理和特点，不断提升对机械传动技术的精准掌握和应用能力，培养精益求精的精神。-激发创新进取的自主精神，鼓励在蜗杆传动技术领域不断探索和实践，勇于挑战技术难题，为机械传动行业的发展贡献创新思维和技术力量。Part01Part02素质目标PART.02单元9.1蜗杆传动的类型和特点01030204-蜗杆一般分为英制蜗杆(α=14.5°)和公制蜗杆(α=20°)。-根据旋向不同，蜗杆可以分为左旋蜗杆和右旋蜗杆两种类型，如图9-1所示。-根据蜗杆的形状和轴面齿形的不同，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动、锥蜗杆传动三种类型。-圆柱蜗杆传动：圆柱蜗杆因制作工艺相对简便，在机械传动领域内被广泛应用。圆柱蜗杆传动主要分为普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动两大类。而普通圆柱蜗杆传动根据蜗杆齿廓曲线的差异，又可分为以下五种。05070608-阿基米德蜗杆传动(ZA型)：通常应用于无须磨削加工且转速较低的场合，如图9-2所示。-渐开线蜗杆传动(ZI型)：具备较高的制造精度，适用于转速较高且功率较大的传动场景，如图9-3所示。-法向直廓蜗杆传动(ZN型)：齿形在法平面内呈直线状，而在垂直于蜗杆轴线的端平面内则表现为延伸渐开线，如图9-4所示。-锥面包络蜗杆传动(ZK型)：齿面为非线性螺旋，易于实现磨削加工，能够确保较高的加工精度和传动效率，正逐渐获得广泛应用，如图9-5所示。蜗杆传动的类型-圆弧圆柱蜗杆传动(ZC型)：采用凹凸弧齿廓相互啮合的方式，属于线接触啮合传动，如图9-6所示。蜗杆由刃边为凸圆弧形的刀具切削而成，轴面齿廓为内凹圆弧；蜗轮则通过滚刀展成法切削而成，轴面齿廓为外凸圆弧。圆弧圆柱蜗杆传动具备较高的传动效率(一般可达0.9以上)和承载能力，在冶金、化工、建筑等机械中得到了日益广泛的应用。-环面蜗杆传动：环面蜗杆传动具备较好的润滑条件和较高的传动效率，但制造难度较大，多用于大功率传动场景，如图9-7所示。-锥蜗杆传动：锥蜗杆传动的传动平稳、承载能力强、传动效率高，且离合方便，主要应用于需要大传动比、传动平稳以及离合功能机械设备中，如图9-8所示。蜗杆传动的类型-传动比大、结构紧凑。蜗杆传动通常能提供较大的传动比，在一般动力传动中可达5~80，而在分度机构中甚至可达1000以上。由于传动比大，所以蜗杆传动能够实现结构紧凑、体积小、质量轻。-具有自锁性。当蜗杆的导程角小于齿面间的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性，即蜗杆能带动蜗轮转动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。这一特性在某些需要防止逆转的场合非常有用。-发热量大、齿面易磨损。由于蜗杆传动时齿面间有较大的相对滑动，会产生较多的摩擦热，因此发热量大。同时，齿面也容易磨损，需要良好的润滑和散热装置来减少磨损。-传动平稳、噪声小。蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，与蜗轮的啮合也是连续的，因此传动平稳，冲击、振动和噪声都很小。-传动效率低。蜗杆传动时齿面间有较大的相对滑动速度，导致摩擦及磨损较大，因此传动效率一般较低，通常在70%~90%之间，具有自锁性的蜗杆传动的传动效率甚至低于50%。-制造成本较高。为了提高减摩性和耐磨性，蜗轮齿圈常用青铜等非铁金属材料制造。同时，加工蜗轮的滚刀成本也较高。蜗杆传动的特点PART.03单元9.2蜗杆传动的失效形式、材料和结构-蜗杆传动的失效形式与齿轮传动相似，主要包括轮齿的点蚀、弯曲断裂、磨损以及胶合等。由于蜗杆传动中啮合齿面间的相对滑动速度较大，导致了其传动效率较低且发热量大，因此蜗杆传动的主要失效形式是磨损和胶合。蜗杆传动的失效形式-常用的蜗轮材料：铸造锡青铜，其耐磨性好，抗胶合能力好，易加工，用于重要传动，允许的相对滑动速度v_s可达25m/s，但价格昂贵。常用的有ZCuSn10P1、ZCuSn5Pb5Zn5，其中后者常用于v_s<12m/s的传动。-常用的蜗轮材料：灰铸铁，其各项性能远不如前面两种材料，但价格低，适用于相对滑动速度v_s<2m/s，且对传动效率要求不高的传动。-常用的蜗轮材料：铸造铝青铜，其特点是强度较高且价格低，但其性能则均不及铸造锡青铜好，一般用于相对滑动速度v_s<4m/s的传动，常用的有ZCuAl10Fe3、ZCuAl10Fe3Mn2等。-常用的蜗杆材料：大多数蜗杆均用碳素钢或合金钢制成，并进行热处理。对于低速传动，当功率不大时，蜗杆可进行调质处理或正火处理。对于高速、重载传动，为了消除淬火后蜗杆的变形，提高承载能力，一般需经过磨削、研磨或抛光。蜗杆材料及热处理方式见表9-1。蜗杆传动的材料-蜗轮的结构：齿圈组合式蜗轮如图9-9(a)所示。为了节省材料，对于直径较大的蜗轮，通常会采用组合式结构，齿圈部分采用青铜材料制作，而轮芯则采用铸铁或铸钢材料制作。其适用于尺寸相对适中且工作温度波动较小的场合。01-蜗轮的结构：整体铸造式蜗轮如图9-9(b)所示。其主要用于尺寸较小的蜗轮，无论是青铜材质还是铸铁材质均可采用整体铸造的方式制作。02-蜗轮的结构：拼铸固定式蜗轮如图9-9(c)所示。其将青铜轮缘直接铸造在铸铁轮芯上，并在轮芯上设计有榫槽结构，以防止轮缘在轴方向上发生滑动。03-蜗轮的结构：螺栓组装式蜗轮如图9-9(d)所示。其蜗轮齿圈与轮芯通过普通螺栓或铰制孔螺栓进行连接。由于其装拆过程简便快捷，因此其常被用于尺寸较大的蜗轮。04-蜗杆的结构：蜗杆通常与轴设计为一体，如图9-10所示。然而，在蜗杆直径较大，或者蜗杆与轴的材料不同的情况下，蜗杆与轴应分别制造，并随后组装在一起。图9-10(a)所示的蜗杆无退刀槽，因此在加工螺旋部分时，只能采用铣削的方法。图9-10(b)所示的蜗杆有退刀槽，使螺旋部分既可以通过车削来加工，也可以通过铣削来加工。但需要注意的是，有退刀槽的设计可能会导致蜗杆的刚度相较于无退刀槽的设计稍差。05蜗杆传动的结构PART.04单元9.3蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算-蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算是以中间平面上的参数与尺寸为基准的。通过蜗杆的轴线，且垂直于蜗轮的轴线的平面称为蜗杆传动的中间平面。以下以阿基米德蜗杆为例介绍蜗杆传动的基本参数，如图9-11所示。-模数与齿形角：蜗杆的齿形以其在中间平面上的形状为基准。因此，相关尺寸的计算是基于轴向模数m_a来进行的。这里的轴向模数m_a等同于蜗轮在端面上的模数m_t，其标准值详见二维码“普通圆柱蜗杆m与d₁的搭配”。同样地，蜗杆的轴向齿形角α_a应与蜗轮在端面上的齿形角α保持一致。-蜗杆分度圆直径：为了降低蜗轮滚刀的规格数量，蜗杆的分度圆直径d₁也被标准化了，并且它与模数m有一定的对应关系。为了减少蜗轮滚刀的规格数量，对每一标准模数规定了一定数量的蜗杆分度圆直径d₁，其比值为q=d₁/m，式中：q——直径系数。-蜗杆传动的传动比：蜗杆传动的传动比i的计算公式为i=n₁/n₂=z₂/z₁，式中：n₁——蜗杆的转速，单位为r/min；n₂——蜗轮的转速，单位为r/min；z₁和z₂——可根据传动比i按表9-2选取。-蜗杆的导程角：如图9-12所示，将蜗杆分度圆柱展开，其螺旋线与端平面的夹角称为蜗杆的导程角γ，计算公式为tanγ=z₁Pₐ₁/(πd₁)=z₁m/d₁，式中：Pₐ₁——蜗杆轴向齿距，单位为mm；d₁——蜗杆分度圆直径，单位为mm。-蜗杆的螺旋线类似于螺纹，同样分为左旋和右旋两种类型，其中右旋更为常见。对于需要自锁性能的传动系统，应采用螺旋角γ<3°30′的蜗杆传动，此时蜗杆的头数通常为1。对于动力传动系统，为了提高效率，应选择较大的螺旋角γ，即采用多头蜗杆。010203050607-蜗杆头数：蜗杆头数z₁是指蜗杆螺旋线的数目。蜗杆的头数一般取z₁=1~6；当传动比i>40或要求自锁时，取z₁=1。-中心距：蜗杆传动的中心距a为a=(d₁+d₂)/2，式中：d₂——蜗轮分度圆直径，单位为mm。0408蜗杆传动的基本参数-蜗杆传动基本参数的名称、符号及计算公式见表9-3。蜗杆传动的几何尺寸计算PART.05单元9.4蜗杆传动的运动分析和受力分析-蜗杆传动的运动分析旨在明确蜗杆传动的旋转方向及滑动速度特性。-在蜗杆传动系统中，蜗杆通常作为主动件，而蜗轮的旋转方向则取决于蜗杆的旋转方向和螺旋方向以及蜗杆与蜗轮之间的相对位置。如图9-13所示，当蜗杆为右旋且下置，并按照图示方向旋转时，蜗杆的螺旋齿会推动与其啮合的蜗轮轮齿沿v_t2方向移动，因此蜗轮会以顺时针方向旋转。蜗轮旋转方向的判定也可以通过螺旋定则来辅助：若蜗杆为右(左)旋，则用右(左)手的四指弯曲方向模拟蜗杆的旋转方向，此时大拇指所指的反方向即为蜗轮啮合节点速度的方向，从而可以确定蜗轮的旋转方向。-如图9-14所示，展示了蜗杆和蜗轮在啮合节点C处的圆周速度。由于两个速度方向相互垂直，轮齿之间会产生显著的相对滑动。这种相对滑动的速度v_s被称为相对滑动速度，对蜗杆传动的发热情况、啮合处的润滑效果以及磨损程度都有重要影响。相对滑动速度v_s的计算公式为v_s=v₁/cosλ=πd₁n₁/(19100cosλ)，式中：d₁——蜗杆的分度圆直径，单位为mm；n₁——蜗杆的转速，单位为r/min；λ——蜗杆分度圆柱上的螺旋升角，单位为(°)。010203蜗杆传动的运动分析-蜗杆传动的受力分析与斜齿轮传动的受力分析有一定的相似性，如图9-15所示，在啮合节点C处，齿间的法向力F_n可以被分解为三个互相垂直的分力：圆周力F_t、轴向力F_a和径向力F_r。-主动蜗杆的圆周力为F_t1=F_a2=2T₁/d₁，式中：d₁——蜗杆的分度圆直径，单位为mm；T₁——蜗杆上的转矩，单位为N·mm，T₁=9.55×10⁶P₁/n₁，其中P₁为蜗杆的功率，单位为kW；n₁——蜗杆的转速，单位为r/min。-主动蜗杆上的圆周力F_t1是阻力，其方向与回转方向相反；从动蜗轮上的圆周力F_t2是驱动力，其方向与回转方向相同。-主动蜗杆的轴向力F_a1为F_a1=F_t2=2T₂/d₂，式中：d₂——蜗轮的分度圆直径，单位为mm；T₂——蜗轮上的转矩，单位为N·mm，T₂=9.55×10⁶P₂/n₂，其中P₂为蜗杆的功率，单位为kW；n₂——蜗杆的转速，单位为r/min。主动蜗杆轴向力F_a1的方向由蜗杆的螺旋线旋向和回转方向确定。-主动蜗杆的径向力F_r1与从动蜗杆的径向力F_r2的关系为F_r1=F_r2=F_t1tanα，式中：α——压力角，α=20°。两径向力F_r1和F_r2的方向分别指向各自的轮心。蜗杆传动的受力分析PART.06单元9.5蜗杆传动的强度计算-设计公式为m²d₁≥(5000/(z₂[σ_H]))²KT₂，式中：m——模数，单位为mm；z₂——蜗轮齿数；[σ_H]——许用接触应力，单位为MPa；详情见二维码“许用接触应力”表1、表2；K——载荷系数，K=1.1~1.4，当载荷平稳、相对滑动速度v_s≤3m/s、传动精度高时取最小值。-蜗杆传动可以被视作齿条与斜齿轮啮合的一种近似形式。结合蜗杆与蜗轮齿廓的具体特性，可以推导蜗轮的齿面接触疲劳强度校核公式，即σ_H=5000√(KT₂/(d₁d₂³))=5000√(KT₂/(m²d₁z₂³))。蜗轮的齿面接触疲劳强度计算Part01-由于蜗轮的齿形比较复杂，通常把蜗轮近似作为斜齿轮进行条件性计算。蜗轮的齿根弯曲疲劳强度校核公式为σ_F=1.53KT₂cosγ/(d₂zm²)Y_F≤[σ_F]。Part02-设计公式为m²d₁≥1.53KT₂cosγ/(z₂[σ_F]Y_F)，式中：[σ_F]——蜗轮材料的许用弯曲应力，单位为MPa，见二维码“许用接触应力”表3；Y_F——蜗轮齿形系数，是考虑轮齿的几何形状对齿根弯曲应力的影响而引入的系数；其他符号的意义和单位同前。Part03-计算出m²d₁后，从二维码“许用接触应力”表5选取对应的模数和分度圆直径。蜗轮的齿根弯曲疲劳强度PART.07单元9.6蜗杆传动的效率、润滑和热平衡-相对滑动速度：蜗杆传动在啮合节点处，其啮合面间仍存在较大的相对滑动，且这种滑动的速度v_s沿着蜗杆的螺旋线方向。如图9-16所示，可以推导出蜗杆传动的相对滑动速度为v_s=v₁/cosγ₁=πd₁n₁/(60×1000cosγ₁)，式中：v₁——蜗杆的圆周速度，单位为m/s；γ₁——蜗杆的导程角，单位为(°)；d₁——蜗杆分度圆直径，单位为mm；n₁——蜗杆转速，单位为r/min。01-传动效率：闭式蜗杆传动的总效率通常包括三部分：啮合齿面间摩擦损失的效率、轴承摩擦损失的效率和蜗轮搅动润滑油及飞溅损失的效率。其中，主要考虑啮合齿面间摩擦损失的效率，可近似地用螺旋传动的效率公式计算。后两项效率损失不大，其效率一般为0.95~0.97，因此当蜗杆为主动件时，蜗杆传动的总效率η为η=(0.95~0.97)tanγ/(tan(γ+ρ_v))，式中：γ——蜗杆的导程角，单位为(°)；ρ_v——当量摩擦角，单位为(°)，ρ_v=arctanf_v，其中f_v为当量摩擦系数，其值可根据相对滑动速度v_s从二维码“蜗杆传动的滑动速度、总效率及润滑”表1查取。02-蜗杆传动总效率见二维码“蜗杆传动的滑动速度、总效率及润滑”表2。03蜗杆传动的效率-蜗杆传动的良好润滑至关重要，因为它不仅能提升传动效率，还能有效预防轮齿间的胶合与磨损现象。对于封闭式蜗杆传动系统，通常需依据相对滑动速度及载荷类型，并参考蜗杆传动的润滑黏度及润滑方法选择润滑油的黏度和给油方式，具体见二维码“蜗杆传动的滑动速度、总效率及润滑”表3。为了加强蜗杆传动的抗胶合能力，推荐使用黏度较高的润滑油。-【课堂小贴士】压力喷油润滑是改善蜗杆传动散热条件的方法之一，但应保证蜗杆传动的工作温度不超过许可温度。-【课堂小贴士】为了提高蜗杆传动抗黏合性能，应选用黏度较高的润滑油。对于青铜蜗轮，不允许采用抗胶合能力强的活性润滑油，以免腐蚀青铜齿面。蜗杆传动的润滑2134-自然冷却时经箱体外壁散发到空气中的热流量为Q₂=Kₛ·A(t₁-t₀)，式中：t₁——箱体内的油温，单位为℃，通常取允许油温[t₁]=70~90℃；t₀——周围空气温度，单位为℃，通常取t₀=20℃；Kₛ——散热系数，一般取Kₛ=10~17，单位为W/(m²·℃)，通风良好时取大值；A——内壁被油飞溅而外壁又为周围空气所冷却的箱体表面积，单位为m²。-设蜗杆传动的输入功率为P₁，单位为kW，传动的总效率为η，则单位时间内产生的热流量为Q₁=1000P₁(1-η)。-当蜗杆传动单位时间内损耗的功率全部转变为热量，并从箱体表面散发出去而达到平衡，即Q₁=Q₂时，可得热平衡时润滑油的工作温度t₁为t₁=1000P₁(1-η)/(KₛA)+t₀。-一般工作温度应限制在60~70℃，最高不超过80℃。蜗杆传动的热平衡PART.08单元9.7AI在蜗杆传动效率提升与润滑方案优化中的应用与展望-蜗杆传动的效率主要取决于啮合效率(占总效率的80%以上)，而啮合效率与蜗杆的导程角、蜗轮齿数、材料配对、表面粗糙度等参数密切相关。在传统设计中，工程师通常根据传动比初定蜗轮齿数，再依据经验公式计算蜗杆的导程角，这种方法易陷入局部最优解，难以兼顾效率、强度、成本等多目标。而AI算法通过学习海量设计案例与性能数据，能够构建多参数耦合的优化模型，实现全局最优参数组合的快速求解。-在基础参数优化层面，机器学习算法可实现关键参数的精准匹配。以蜗杆的导程角与蜗轮齿数的优化为例，两者存在显著耦合关系：蜗杆的导程角增大可提高啮合效率(导程角从5°增大至30°时，啮合效率可提升15%~20%)，但会导致蜗轮齿数减少，影响传动平稳性。AI模型通过训练历史设计数据(包含5000组以上不同工况下的参数与效率实测值)，可建立“输入参数-效率输出”的非线性映射关系。例如，基于梯度提升树的回归模型，输入蜗杆材料硬度、蜗轮模数、预期转速等12项参数，即可输出最优蜗杆的导程角与蜗轮齿数组合。-材料与工艺参数的智能匹配是AI优化的另一重要维度。蜗杆与蜗轮的材料配对(如钢蜗杆配青铜蜗轮、铸铁蜗杆配铸铁蜗轮)直接影响摩擦系数与磨损速率，而表面处理工艺(如渗碳淬火、喷涂耐磨涂层等)则决定表面硬度与粗糙度。AI知识图谱可整合材料科学、摩擦学、制造工艺等跨领域数据，构建“材料-工艺-性能”关联网络。例如，当设计目标为“高速、轻载蜗杆传动(转速为1500r/min，载荷为500N)”时，AI知识图谱可推送三种最优组合：一是蜗杆材料采用20CrMnTi，并经渗碳淬火(表面硬度为58~62HRC)，蜗轮材料采用ZCuSn10P1(锡青铜)，并配合磨削加工(表面粗糙度为Ra0.8μm)；二是蜗杆喷涂类金刚石涂层，蜗轮材料采用高强度铝青铜，可使摩擦系数降低至0.015；三是采用蜗杆-蜗轮整体渗氮工艺，适用于高温环境。010203AI驱动的蜗杆传动参数优化-蜗杆传动的润滑状态直接影响啮合效率与寿命，油膜厚度不足会导致金属直接接触，引发黏着磨损；供油过量则会增加搅油损失，降低传动效率。传统润滑系统多采用齿轮泵固定周期供油，难以根据工况变化(如转速突升、载荷波动、环境温度变化等)动态调整供油量与供油时机。而AI驱动的自适应润滑系统，通过实时监测工况参数与油膜状态，可实现“按需供油”，在保证润滑效果的同时最小化能耗。01-在润滑状态监测方面，AI算法能够通过多源信号融合判断油膜质量。通过在蜗杆箱体部署三类传感器：超声波传感器，用于检测油膜厚度(精度可达0.1μm)；温度传感器，用于监测啮合区温升；振动传感器，用于采集啮合振动信号，AI系统可构建润滑状态的特征图谱。例如，油膜破裂前，振动信号的高频(2000~5000Hz)分量会显著增强，同时温升速率超过0.5℃/min。基于深度学习的分类模型(如改进型ResNet等)可识别这些特征，对润滑状态进行三级判定：“优(油膜厚度≥3μm)”“中(1μm≤油膜厚度<3μm)”“劣(油膜厚度<1μm)”。02-智能供油控制算法则实现了润滑策略的动态优化。系统以AI监测的润滑状态为输入，结合当前工况参数(如转速、载荷、环境温度等)，通过强化学习算法生成最优供油指令。强化学习将“供油量(0~50mL/min)”“供油间隔(1~60s)”作为动作空间，以“油膜厚度达标率最大化+单位时间供油量最小化”作为奖励函数，通过与环境的持续交互优化决策策略。例如，当检测到“重载(载荷超过额定值120%)+低温(环境温度为-10℃)”工况时，系统会自动提高供油量至35mL/min，并缩短供油间隔至10s，以保证油膜强度；当检测到“轻载+高温”工况时，供油量会降至10mL/min，供油间隔延长至40s。某冶金设备的蜗杆传动系统应用该技术后，润滑油消耗量减少32%，同时齿面磨损量降低45%，传动效率稳定在88%以上。03AI赋能的自适应润滑系统-展望未来，AI技术与蜗杆传动的融合将呈现三大发展方向：一是“材料-参数-润滑”一体化优化平台，通过数字孪生模拟全生命周期性能演变，实现设计阶段的全局最优决策；二是自修复型智能润滑系统，结合微胶囊技术与AI监测，当检测到局部磨损时自动释放修复剂；三是跨系统协同控制，将蜗杆传动的状态数据接入整机物联网平台，实现与电动机、减速器的联动调节。随着这些技术的成熟，蜗杆传动有望突破效率瓶颈，在风电、新能源汽车等领域发挥更大作用，推动机械传动系统向高效化、智能化方向演进。未来展望PART.09模块小结-本模块系统学习了蜗杆传动这一重要的机械传动方式。在单元9.1中，了解了蜗杆传动的类型及特点。在单元9.2中，详细分析了蜗杆传动的失效形式、材料及结构，为设计和应用提供了基础。在单元9.3中，深入讲解了蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算，为实际设计提供了理论依据。在单元9.4中，通过蜗杆传动的运动分析和受力分析，揭示了蜗杆传动的运动特性和受力情况。在单元9.5中，学习了蜗杆传动的强度计算，确保设计的可靠性。在单元9.6中，学习了蜗杆传动的效率、润滑及热平衡，为蜗杆传动的优化运行提供了指导。在单元9.7中，探讨了AI在蜗杆传动效率提升与润滑方案优化中的应用与展望。模块小结内容PART.010模块习题-(1)蜗杆传动的特点是_______。A.传动平稳、传动效率高B.传动比大、结构紧凑C.承载能力小。-(2)下列选项中，蜗杆和蜗轮常用材料最合理的是_______。A.全选钢材料B.全选铜材料C.淬硬磨削的钢制蜗杆配青铜蜗轮。-(3)蜗杆传动的主要失效形式包括_______。A.轮齿折断B.点蚀和塑性变形C.磨损与胶合。一、选择题-(1)在中间平面内，蜗杆蜗轮的啮合相当于渐开线齿轮齿条的啮合。()-(2)蜗杆传动一般适用于传递大功率、大转速比的场合。()-(3)蜗杆传动中蜗杆的头数z₁越少，自锁性越好，其传动效率越低。()-(4)蜗杆传动的传动比等于蜗轮与蜗杆的分度圆直径之比。()-(5)蜗杆传动的最主要的失效形式是轮齿折断。()-(6)蜗杆传动中，由于蜗杆转速高，所以失效总发生在蜗杆上。()二、判断题-(1)蜗杆传动有哪些类型？-(2)如何区分阿基米德蜗杆传动、渐开线蜗杆传动、法向直廓蜗杆传动、锥面包络蜗杆传动？-(3)蜗杆传动具有哪些特点及失效形式？-(4)闭式蜗杆传动的总效率通常包括哪三部分内容？01030402三、简答分析题

汇报时间：汇报人：谢谢大家

汇报时间：汇报人：模块10齿轮系目录学习目标01单元10.1定轴齿轮系02单元10.2行星齿轮系03单元10.3齿轮系的应用04单元10.4减速器05单元10.5AI在齿轮系设计与性能优化中的应用与展望06模块小结07PART.01学习目标齿轮系按轴线是否固定分为定轴齿轮系和行星齿轮系，按轴线是否平行分为平面齿轮系和空间齿轮系。齿轮系广泛应用于各种机械传动系统，实现分路传动、变速传动等功能。掌握齿轮系的分类和应用。定轴齿轮系传动比等于各对齿轮从动轮齿数的连乘积与主动轮齿数的连乘积之比。平面定轴齿轮系首末轮转向由外啮合对数决定，空间定轴齿轮系转向用画箭头法确定。掌握定轴齿轮系传动比计算的基础理论知识。行星齿轮系由太阳轮、行星轮和行星架组成，分为简单行星齿轮系和差动齿轮系。采用转化机构法计算传动比，公式为(i_{AK}^{H}=(-1)^{m}\frac{\text{从动轮齿数的连乘积}}{\text{主动轮齿数的连乘积}})。掌握行星齿轮系传动比计算的基础理论知识。复合齿轮系由定轴齿轮系和行星齿轮系组成，需分别列出各基本齿轮系传动比公式联立求解。关键是正确区分定轴和行星齿轮系，找出各部分之间的运动关系。掌握复合齿轮系传动比计算的基础理论知识。知识目标结合工程实例，运用定轴、行星及复合齿轮系传动比计算公式进行求解。通过例题练习，熟练掌握不同类型齿轮系的转速计算方法。能够根据具体工程机械分析并计算齿轮系传动比及输出轴的转速。依据传动比、转速等要求选择合适的齿轮系类型和参数。考虑工况条件，如载荷、转速、空间限制等，评估齿轮系的适用性。能够根据工作要求设计齿轮系，以及评估齿轮系在特定工况下的适用性。技能目标Part.01结合具体机械设备案例，分析齿轮系的作用和工作特点。Part.02通过实际问题的解决，培养工程思维和应用能力。理解齿轮系的工作原理、类型及特点的同时能够分析其在不同机械设备中的应用场景，并具备运用所学知识解决实际工程问题的能力。素质目标PART.02单元10.1定轴齿轮系平面定轴齿轮系各齿轮轴线互相平行，如圆柱齿轮组成的齿轮系。图10-1(a)所示为平面定轴齿轮系示例。空间定轴齿轮系各齿轮轴线不都互相平行，如圆锥齿轮、蜗杆蜗轮组成的齿轮系。图10-1(b)所示为空间定轴齿轮系示例。定轴齿轮系的分类传动比大小：(i_{1k}=\frac{\omega_{1}}{\omega_{k}}=\frac{n_{1}}{n_{k}}=(-1)^{m}\frac{\text{各从动轮齿数的连乘积}}{\text{各主动轮齿数的连乘积}})，其中m为外啮合对数。首末轮转向：通过外啮合对数判断，((-1)^{m})为正同向，为负反向。惰轮：不影响传动比大小，只改变转向，如齿轮系中的中间齿轮。平面定轴齿轮系传动比的计算传动比大小计算与平面定轴齿轮系相同。转向判断：采用画箭头法，根据齿轮啮合关系在图上标注转向。空间定轴齿轮系传动比的计算【例10-1】已知齿轮系各齿轮齿数及主动轮转速，计算从动轮转速，通过中心距关系确定未知齿数，再应用传动比公式求解。例题解析定轴齿轮系传动比的计算的比值用设齿轮系中首齿轮的转速为，末齿轮的转速，与表示，即，则称为齿轮系的传动比。如果齿轮系运转时所有齿轮的轴线保持固定，就是定轴齿轮系，定轴齿轮系又分为平面定轴齿轮系和空间定轴齿轮系两种。定轴齿轮系传动比的计算定轴齿轮系传动比的计算定轴齿轮系传动比的计算·定轴齿轮系传动比的计算定轴齿轮系传动比的计算[例题]

在图示轮系中，已知z1=30、z2=50、z2'=25、z3=120、z3'=50、z4=40、z5=50。已知1轮n1转速1600r/min,求（1）传动比i15。（2）齿轮5转速和转向；（3）请指出图示轮系中的惰轮，并说明它的作用。解：（1）i15=n1/n5=（-1）3Z2Z3Z5/Z1Z2'Z3'=-8（2）1600//n5=-(50×120×50)/(30×25×50)n5=-200r/min,“-”表示转向与齿轮1相反。(3)4为惰轮，改变输出轴的转向PART.03单元10.2行星齿轮系0102具有两个自由度，如图10-4(b)所示，需要两个输入运动才能确定输出运动。03具有一个自由度，如图10-4(a)所示，由太阳轮、行星轮、行星架组成。平面行星齿轮系各构件轴线平行，空间行星齿轮系各构件轴线不都平行。平面与空间行星齿轮系简单行星齿轮系差动齿轮系行星齿轮系的分类转化机构法原理空间行星齿轮系传动比计算计算注意事项例题解析A、K和H三个构件轴线必须互相平行，代入转速时需带正负号。(i_{AK}^{H})是转化机构传动比，不等于行星齿轮系实际传动比(i_{AK})。给整个行星齿轮系加上一个公共角速度(-\omega_{H})，将行星架固定，转化为定轴齿轮系（转化机构）。转化机构传动比(i_{AK}^{H}=\frac{\omega_{A}-\omega_{H}}{\omega_{K}-\omega_{H}}=(-1)^{m}\frac{\text{从动轮齿数的连乘积}}{\text{主动轮齿数的连乘积}})。传动比大小计算同平面行星齿轮系，转向通过转化机构图箭头法确定。【例10-2】行星减速器齿轮系，已知各齿轮齿数，应用转化机构法计算传动比，分析齿数变化对传动比的影响。行星齿轮系传动比的计算

齿轮1、3和杆H均绕固定的互相重合的几何轴线转动，齿轮2空套在杆H上，与齿轮1、3相啮合。

齿轮2既绕自身轴线自转，又随杆H绕另一固定轴线（轴线O-O)公转。齿轮2称为行星轮，杆H称为行星架(系杆)。轴线固定的齿轮1、3则称为中心轮或太阳轮。平面行星齿轮系的组成行星齿轮系传动比的计算转化机构法：

现假想给整个行星齿轮系加一个与行星架的转速大小相等、方向相反的公共转速则行星架H变为静止，而各构件间的相对运动关系不变化。齿轮1、2、3则成为绕定轴转动的齿轮，因此，原行星齿轮系便转化为假想的定轴齿轮系。

该假想的定轴齿轮系称为原行星齿轮系的转化机构。转化机构中，各构件的转速如右表所示：行星架H太阳轮3行星轮2太阳轮1转化机构中的转速行星齿轮系中的转速构件行星齿轮系传动比的计算转化机构的传动比可以根据定轴齿轮系传动的计算方法得出推广后一般情况，可得：注意事项：1）1、k、H三个构件的轴线应互相平行，

而且必须将表示其转向的正负加上。首先应假定各轮转动的同一正方向，则与其同向的取正号带入，与其反向的取负号带入。2）待求构件的实际转向由计算结果的正负号确定。行星齿轮系传动比的计算由定轴齿轮系和行星齿轮系组成，或包含多个行星齿轮系，如图10-7所示。区分定轴和行星齿轮系，分别列出传动比公式，找出各部分运动关系，联立求解。关键是找出行星轮、行星架和太阳轮，确定行星齿轮系。复合齿轮系的组成计算方法【例10-3】电动卷扬机减速器，分解为差动行星齿轮系和定轴齿轮系，分别列出公式联立求解传动比。例题解析复合齿轮系传动比的计算PART.04单元10.3齿轮系的应用01一个主动轴同时带动多个从动轴转动，将运动从不同路线传递给执行机构。02如图10-9滚齿机齿轮系，主动轴通过不同齿轮组将运动传至滚刀和轮坯。实现分路传动采用多对齿轮组成齿轮系，或行星齿轮系，用较少齿轮获得大传动比，避免单个大齿轮导致机构庞大。获得大的传动比01输入轴转向不变时，利用惰轮改变输出轴转向，如车床走刀丝杠三星轮换向机构。”实现换向传动输入轴转速不变，通过齿轮系不同啮合组合使输出轴获得多种转速，如汽车变速箱，可输出4种转速。实现变速传动差动齿轮系中，两个基本构件运动确定，第三个构件运动为前两者合成，如滚齿机差动齿轮系合成运动。给定一个基本构件运动，按比例分解为另外两个构件运动，如汽车后桥差速器，将发动机运动分解给左右车轮。运动合成运动分解用于对运动进行合成与分解PART.05单元10.4减速器包括圆柱齿轮减速器、锥齿轮减速器、圆锥-圆柱齿轮减速器。按级数分为单级、二级、三级及多级减速器；按轴配置分为立式、卧式等。齿轮减速器有圆柱蜗杆减速器、圆弧齿蜗杆减速器等，单级传动比范围10~70，工作平稳、噪声小但效率低。蜗杆减速器主要有渐开线行星齿轮减速器、摆线针轮行星减速器、谐波齿轮减速器等，传动比大、结构紧凑。行星减速器减速器的分类单级圆柱齿轮减速器传动比≤10，二级用于传动比>10情况，效率高、寿命长、维护简便。圆锥齿轮减速器用于输入输出轴成90°配置的传动，二级圆锥-圆柱齿轮减速器高速级用锥齿轮。齿轮减速器单级蜗杆减速器按蜗杆位置分为上置、下置、侧蜗杆，下置蜗杆便于润滑和冷却。蜗杆-齿轮减速器将蜗杆传动作为高速级，传动比范围50~130。蜗杆减速器摆线针轮行星减速器：传动比大、结构紧凑、承载能力强，应用于军工、矿山等领域。谐波齿轮减速器：传动比大、体积小、传动平稳，用于船舶、机器人等设备。行星减速器常用减速器的主要类型、特点和应用01使各级传动承载能力接近相等，外形尺寸和质量最小，传动转动惯量最小，大齿轮浸油深度大致相等。02单级传动比最大不超过10，总传动比超过10时采用多级减速器。分配原则减速器传动比的分配主要由齿轮（或蜗杆）、轴、轴承和箱体组成，箱体需有足够刚度，设有加强肋、检查孔、透气孔等附件。01图10-18所示为单级直齿圆柱齿轮减速器结构示例。02减速器的结构1—下箱体2—油标指示器3—上箱体4—透气孔5—检查孔盖6—吊环螺钉7—吊钩8—油塞9—定位销钉10—起盖螺钉孔减速器的结构PART.06单元10.5AI在齿轮系设计与性能优化中的应用与展望AI整合齿轮系性能特征图谱、工况数据库和案例，根据设计约束与目标推荐构型，给出传动效率、成本等分析。构型选择建立以中心距最小、强度均衡等为目标的优化模型，利用遗传算法等智能算法快速搜索优质参数组合。传动比分配AI辅助的齿轮系构型选择与传动比分配故障特征提取深度学习模型（如CNN）从振动、声发射信号中自动学习故障特征，实现智能诊断，降低对工程师经验依赖。多源信息融合融合振动、噪声、温度等数据，构建全面状态画像，准确判断故障类型、位置和严重程度，支持预测性维护。基于AI的齿轮系状态监测与故障预警01.生成式设计用于构型创新，数字孪生实现状态预测与寿命评估，边缘智能实现本地实时分析与自适应控制。02.齿轮系将发展为具备自感知、自诊断、自优化能力的智能单元。未来展望PART.07模块小结系统介绍了齿轮系分类、应用，定轴、行星、复合齿轮系传动比计算，减速器类型、特点、传动比分配及结构，AI在齿轮系设计与优化中的应用。01知识梳理通过学习，掌握齿轮系分析计算方法，具备设计评估能力和解决实际工程问题的素质。能力总结

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汇报时间：汇报人：模块11轴和轴毂连接目录Contents学习目标01单元11.2轴的结构设计03单元11.4轴的材料及选择05单元11.6轴毂连接07模块小结09单元11.1轴的分类和应用02单元11.3轴的强度计算04单元11.5轴的设计方法06单元11.7AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望08模块习题10PART.01学习目标-了解轴的分类和应用。-了解轴毂连接的分类和应用。-掌握轴的结构设计、强度计算、材料及选择以及设计方法。-掌握轴毂连接的选择与校核。01020304知识目标-能够根据具体工程机械分析、设计轴，以及评估轴在特定工况下的适用性。-能够根据具体工程机械分析、设计轴毂连接，以及评估轴毂连接在特定工况下的适用性。Part01Part02技能目标-能够理解轴和轴毂连接的工作原理、类型及特点，能够分析其在不同机械设备中的应用场景，并具备运用所学知识解决实际工程问题的能力。素质目标PART.02单元11.1轴的分类和应用-轴是组成机器的重要零件之一，主要功能是支承回转零件、传递转矩和运动，其工作状况直接影响整台机器的性能和质量。轴的功能与重要性-心轴：用来支承转动零件，只承受弯矩而不传递转矩，分为固定心轴（工作时不转动，弯曲应力为静应力状态，如图11-2所示的自行车前轮轴）和旋转心轴（工作时随转动零件一起转动，弯曲应力按对称循环规律变化，如图11-3所示的铁路机车的轮轴）。-转轴：工作时既承受弯矩又承受转矩，是机器中最常见的轴，通常简称为轴，如图11-1所示。-传动轴：主要用于传递转矩而不承受弯矩或所承受的弯矩很小，如图11-4所示。按承载性质分类-直轴：按外形不同分为光轴（形状简单、加工容易、应力集中源少，主要用作传动轴，如图11-5(a)所示）和阶梯轴（各轴段截面直径不同，使各轴段强度相近，便于零件装拆和固定，应用广泛，如图11-5(b)所示），直轴一般制成实心轴，也可采用空心轴（如图11-5(c)所示）。Part.01-曲轴：属于专用零件，如图11-6所示。Part.02-挠性钢丝轴：属于专用零件，如图11-7所示。Part.03按轴线形状分类PART.03单元11.2轴的结构设计-轴颈：轴与轴承配合处的轴段，分为端轴颈（位于轴的两端，只承受弯矩）和中轴颈（位于轴的中间，同时承受弯矩和转矩），还可分为径向轴颈（承受径向力）和止推轴颈（承受轴向力）。01-轴头：安装轮毂的轴段。02-轴身：轴头与轴颈间的轴段。03-轴端：轴的端部。04轴的组成部分轴上各段的名称轴环轴身轴颈轴头轴头、轴颈、轴肩、轴环、轴身轴的组成部分-轴的毛坯种类。-轴上作用力的大小及其分布情况。-轴上零件的位置、配合性质以及连接固定的方法。-轴承的类型、尺寸和位置。-轴的加工方法、装配方法以及其他特殊要求。影响轴结构和形状的因素2)轴上零件的周向固定。-其他轴向固定方式：螺母固定（如图11-14所示）、弹性挡圈固定（如图11-15所示）、紧定螺钉固定（如图11-16所示）、轴端固定装置（如图11-17所示）等。-目的：传递运动和转矩，防止零件与轴相对转动，常用方法有键连接、花键连接和过盈配合连接等，统称为轴毂连接，如图11-8所示的齿轮与轴的周向固定采用平键连接。轴的形状力求简单，阶梯轴级数尽量少，轴颈、轴头直径取标准值，轴身尺寸取以mm为单位的整数。轴上各段的键槽、圆角半径、倒角、中心孔等尺寸尽可能统一，需磨削的轴段应有砂轮越程槽，需车制螺纹的轴段应有退刀槽，如图11-18所示。轴上键槽应位于同一母线上，轴端应有倒角，阶梯轴常设计成两端小中间大的形状以便零件装拆。轴的加工和装配工艺性使轴的形状接近于等强度条件：对于只承受转矩的轴，制成光轴或接近光轴形状；对于承受交变弯曲载荷的轴，制成阶梯轴，如图11-9所示。避免各轴段剖面突然改变：在轴段过渡处制成适当圆角，避免开孔或开槽，必要时采用减载槽、中间环或凹切圆角等结构，如图11-10所示，同时注意轴表面粗糙度选择及表面强化方法。改变轴上零件的布置：通过合理布置零件减小轴上载荷，如图11-11所示。改进轴上零件的结构：通过改进零件结构减小轴上载荷，如图11-12所示。轴的强度、刚度1)轴上零件的轴向固定。零件在轴上的固定-常用方法：轴肩固定、轴环固定、螺母固定、套筒固定、轴端挡圈固定等，选择时取决于轴向力大小、制造及装拆难易等因素。-轴肩结构：由定位面和内圆角组成，内圆角半径r应小于零件上的外圆角半径R或倒角C，轴肩高度h=(0.07~0.1)d+(0.5~2)mm，轴环宽度b≈1.4h，如图11-13所示。轴的结构设计要点PART.04单元11.3轴的强度计算-初始设计时按纯扭转受力情况估算轴的直径，抗扭强度条件为：(\tau=\frac{T}{W_T}=\frac{9.55\times10^6P}{0.2d^3n}\leq[\tau])（11-1），设计计算公式为：(d\geq\sqrt[3]{\frac{T}{0.2[\tau]}}=\sqrt[3]{\frac{9.55\times10^6P}{0.2[\tau]n}}=C\sqrt[3]{\frac{P}{n}})（11-2），其中C为由轴的材料和承载情况确定的常数。-常用材料的[(\tau)]值和C值见表11-1，计算直径需圆整为标准值，有键槽时需增大直径（一个键槽增大3%~5%，两个键槽增大7%~10%）。轴的扭转强度计算作出转矩图。04画出轴的空间力图，分解力并求支点反力。01计算当量弯矩(M_e=\sqrt{M^2+(\alphaT)^2})，其中α为修正系数（不变转矩α≈0.3，脉动循环转矩α≈0.6，对称循环转矩α=1）。05分别作水平面和垂直面弯矩图。02校核危险截面强度：(\sigma_e=\frac{M_e}{W}=\frac{\sqrt{M^2+(\alphaT)^2}}{0.1d^3}\leq[\sigma_{-1b}])。06计算合成弯矩(M=\sqrt{M_H^2+M_V^2})，绘制合成弯矩图。03-完成结构设计后，按弯扭合成强度理论对危险截面进行校核，步骤如下：轴的弯扭合成强度计算1)轴的弯曲刚度校核计算应用材料力学公式计算轴的挠度y或偏转角θ，满足(y\leq[y])、(\theta\leq[\theta])，许用值见表11-3。2)轴的扭转刚度校核计算计算轴单位长度的扭转角φ，满足(\phi\leq[\phi])，许用值见表11-3。轴的刚度计算PART.05单元11.4轴的材料及选择-碳素钢：成本低，对应力集中敏感性小，常用30、40、45钢（最常用），需调质或正火处理；载荷较小或不重要场合用Q235A、Q275等普通碳素钢。Part.01-合金铸铁和球墨铸铁：毛坯铸造成形，吸振性高，耐磨性可通过热处理提高，对应力集中敏感性低，但质量不易控制，可靠性较差。Part.03-合金钢：力学性能高，用于传递大功率、需减轻质量和提高轴颈耐磨性时，如20Cr、40Cr等。Part.02轴的常用材料-轴的常用材料及其部分力学性能见表11-4。轴的常用材料力学性能PART.06单元11.5轴的设计方法01-根据轴的工作条件，选择相似轴进行类比及结构设计，绘制零件图，一般不进行强度计算，依赖现有资料和经验，结果可靠但可能有盲目性。类比法-步骤：根据工作条件选择材料，确定许用应力；按扭转强度估算最小直径；设计轴的结构，绘制结构草图；按弯扭合成强度校核危险截面；修改结构后重新校核；绘制零件图。-说明：一般不进行刚度、振动、稳定性校核，重要或高速轴需进行疲劳强度校核及弯曲刚度校核。0102设计计算法PART.07单元11.6轴毂连接01-作用：实现轴和轮毂间的周向固定，传递运动和转矩，部分可实现轴向固定或导向。02-选择因素：传递转矩大小和性质、轮毂与轴的对中精度要求、加工难易程度等。轴毂连接的作用与选择因素结构：两侧面为工作面，靠挤压传递运动和转矩，上表面为非工作面，如图11-19(a)所示。类型：普通平键（圆头A型、方头B型、半圆头C型，如图11-19所示）、导向平键（用于动连接，如图11-20所示）、滑键（用于滑移距离较大的动连接，如图11-21所示）。尺寸：剖面尺寸（键宽b×键高h）按轴径d从标准中选定，键长L略小于轮毂长度，见表11-5。强度校核：静连接按挤压强度(\sigma_p=\frac{4T}{dhl}\leq[\sigma_p])，动连接按压力(p=\frac{4T}{dhl}\leq[p])，许用值见表11-6；强度不足时可增加键长（不超过2.5d）或采用双键（相隔180°布置，按1.5个键计算）。1)平键连接两侧面为工作面，对中性好，能自动适应轮毂键槽底面倾斜，加工工艺性好，安装方便，用于锥形轴与轮毂的连接，键槽较深对轴强度削弱大，适用于轻载场合，如图11-23所示。2)半圆键连接楔键：上下表面为工作面，有1:100斜度，靠摩擦力传递转矩，能轴向固定零件和传递单向轴向力，对中要求不高，适用于载荷平稳和低速场合，分为普通楔键和钩头楔键，如图11-24所示。切向键：由两个1:100斜度的楔键组成，工作面在通过轴心线的平面内，传递转矩大，用于轴径大于100mm、对中性要求不高的重型机械，传递双向转矩需两个切向键成120°~135°布置，如图11-25所示。3)楔键连接和切向键连接010203键连接-结构：轴和轮毂孔沿圆周方向均布多个键齿构成，承载能力大，定心和导向性好，键齿浅、应力集中小，对轴削弱少，适用于载荷较大、定心精度要求高的静连接和动连接，加工需专用设备，成本高，如图11-26所示。-类型：矩形花键（GB/T1144—2001，小径定心，如图11-26(a)所示）、渐开线花键（GB/T3478.1—2008，齿侧定心，如图11-26(b)所示）。-规格与选用：矩形花键规格为（键数N×小径d×大径D×键槽宽B），选用方法和强度验算方法与平键连接类似。01031502花键连接PART.08单元11.7AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望-生成式设计方法基于顶层要求生成大量轴模型，AI算法以质量最轻、应力分布均匀、变形最小等为目标进行迭代优化，提供帕累托最优解。02-传统设计依赖经验和手册，AI通过数据驱动建模、智能搜索算法与多物理场仿真，实现轴结构生成与参数优化的智能化、自动化。01-AI可进行全局敏感性分析与协同优化，建立神经网络模型学习参数与性能关系，快速预测固有频率以避免共振。03AI驱动的轴结构智能设计与多目标优化-AI构建集成知识库，涵盖连接特性、适用标准、案例等，通过自然语言处理与案例推理推荐连接类型并给出关键尺寸。-集成解析计算或经验公式，快速预估连接强度（如平键挤压应力、磨损寿命），结合物理信息神经网络构建精确疲劳寿命预测模型，考虑制造与装配因素。0102基于AI的轴毂连接选型与性能预测030201“-设计-制造一体化：AI综合考虑加工工艺性与结构性能，生成最优且易制造的方案。“-基于数字孪生的预测性维护：通过传感器实时同步数据至虚拟AI模型，动态监测应力状态、预测剩余寿命并预警。“-新材料应用加速：AI通过高通量计算与机器学习筛选新型复合材料及表面处理工艺，预测长期服役性能。未来展望PART.09模块小结-单元11.1：轴的分类和应用。-单元11.2：轴的结构设计。-单元11.3：轴的扭转强度计算、弯扭合成强度计算、刚度计算。-单元11.4：轴的材料及选择。01020304-单元11.5：轴的设计方法。-单元11.6：轴毂连接的分类和应用。-单元11.7：AI在轴与轴毂连接设计优化中的应用与展望。050607主要内容总结PART.010模块习题-(1)只承受弯矩而不传递转矩。A.传动轴B.转轴C.心轴。01-(2)为了使套筒、圆螺母或轴端挡圈能紧靠轮毂零件的端面并可靠地进行轴向固定，轴段长度与被固定零件轮毂的宽度之间应满足。A.轴段长度>轮毂的宽度B.轴段长度=轮毂的宽度C.轴段长度<轮毂的宽度。02-(3)同一根轴的不同轴段上有两个或两个以上的键槽时，它们在轴上按方式安排才合理。A.相互错开90°B.相互错开180°C.安排在轴的同一母线上。03-(4)将轴设计成阶梯轴的主要目的是。A.便于轴的加工B.便于轴上零件的装拆和固定C.提高轴的刚度。04-(5)轴上零件的周向固定有多种方法。对于普通机械，当传递转矩较大时，其周向固定宜采用的方法。A.花键连接B.切向键连接C.销连接。05-(6)选用合金钢代替碳素钢作为轴的材料可以使轴的得以有效提高。A.刚度B.强度C.抗振性。06一、选择题-(1)汽车变速箱与后桥之间的轴是传动轴，其功用是传递运动和动力。（）-(5)与零件配合的轴头长度应等于零件的轮毂长度。（）-(2)工作时既承受弯矩又承受转矩的轴称为转轴。（）-(6)为了使轴上零件承受大的轴向力，轴肩高度越大越好。（）-(3)轴肩的内圆角半径应小于零件轮毂孔端的外圆角半径或倒角。（）-(7)在高速、重载场合，润滑油的黏度越高，对轴承的润滑效果越好。（）-(4)定位轴肩的高度可以小于零件轮毂孔端的圆角半径或倒角高度。（）01050206030704二、判断题

汇报时间：汇报人：谢谢大家AiPPT2026.3汇报时间：汇报人：模块12滚动轴承与滑动轴承目录学习目标01单元12.1滚动轴承的组成、特点及类型02单元12.2滚动轴承的代号与标记03单元12.3滚动轴承的选型04单元12.4滚动轴承的设计准则及寿命计算05单元12.5滚动轴承的设计06单元12.6滑动轴承07单元12.7AI在滚动轴承故障诊断中的应用与展望08模块小结09模块习题10PART.01学习目标了解滚动轴承的主要失效形式，如疲劳点蚀、塑性变形、磨损等。掌握滚动轴承的寿命计算方法，包括基本额定寿命、基本额定动载荷、当量动载荷的概念及计算。理解滚动轴承的静强度计算和极限转速校验的必要性。认识滚动轴承的互换性特点及其在机械设计中的意义。掌握滚动轴承的设计准则及寿命计算，理解滚动轴承的设计与互换性。掌握滑动轴承按承载方向的分类，如向心滑动轴承和推力滑动轴承。了解向心滑动轴承的整体式、剖分式和调心式结构特点及应用。了解推力滑动轴承的实心式、空心式、环形式等结构形式。熟悉轴瓦的结构类型及常用轴承材料的性能要求和种类。了解滑动轴承的基本类型以及轴瓦和轴承材料。掌握滚动轴承的基本结构组成，包括外圈、内圈、滚动体和保持架的功能与特点。理解滚动轴承的公称接触角、游隙、偏位角等基本特性及其对轴承性能的影响。熟悉滚动轴承按滚动体形状和承载方向的分类方式，以及各类轴承的应用场景。掌握滚动轴承代号的构成，包括前置代号、基本代号和后置代号的含义及表示方法。了解滚动轴承的组成、特点及类型以及滚动轴承的代号与标记。掌握影响滚动轴承选择的关键因素，如载荷大小、方向、性质，转速，调心要求，安装空间，装拆需求及经济性等。能够根据具体工作条件，综合考虑各因素，合理选择滚动轴承的类型。了解滚动轴承的选择因素，能够根据实际需求选择合适的轴承类型。知识目标能够通过观察轴承结构或根据应用场景判断滚动轴承的类型。能够准确解读滚动轴承代号，提取类型、尺寸系列、内径等关键信息。能够综合运用轴承选择因素，完成实际工况下的滚动轴承选型。能够根据轴承的工作条件，正确识别滚动轴承的类型，解读轴承代号所包含的类型、尺寸系列和内径等信息，并完成滚动轴承的选型。掌握轴承内圈与轴、外圈与轴承座的常见轴向固定方法及其特点。熟悉滚动轴承的典型支承结构形式，如单支点双向固定、双支点单向固定等。能够根据轴承的工作条件选择合适的润滑方式（润滑脂或润滑油）和密封装置。能合理选择轴承的轴向固定方式、支承结构形式，并正确设计轴承的润滑和密封装置，确保轴承稳定运行。技能目标通过案例分析和习题练习，提高运用轴承知识解决实际机械设计问题的能力。培养对轴承结构细节和性能参数的观察与分析能力，为工程实践奠定基础。增强解决实际问题的能力，培养对轴承结构、性能参数的敏感度，提升工程应用能力。强调轴承设计中参数计算的精确性和选型的合理性，培养严谨的工程素养。认识到轴承在机械系统中的关键作用，树立质量意识和责任意识。培养细致严谨的工作态度，确保轴承设计的准确性和可靠性。素质目标PART.02单元12.1滚动轴承的组成、特点及类型外圈：通常安装在轴承座孔内，多数情况下保持不动。内圈：安装在轴颈上，多数情况下与轴一起转动。内、外圈的配合确保了滚动轴承在工作时的稳定性和旋转精度。外圈与内圈滚动体位于内、外圈之间，是轴承中的关键元件，负责传递载荷并实现相对转动。滚动体的形式多种多样，常用的有球形滚动体、圆柱滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、长圆柱滚子和滚针等。不同形式的滚动体适用于不同的工作条件和载荷要求。滚动体保持架的主要作用是均匀隔开滚动体，以减少它们之间的摩擦和磨损，同时有助于保持滚动体的正确分布，提高轴承的运转平稳性。保持架通常由低碳钢板冲压而成，与滚动体间有较大间隙，可能在某些情况下产生较大噪声。也有采用铜合金、铝合金或塑料等材料制成的实体保持架，这类保持架具有较好的定心作用，有助于进一步提高轴承的旋转精度。保持架滚动轴承的组成21341234010203公称接触角游隙偏位角滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面（垂直于轴心线的平面）之间的夹角，称为公称接触角，用α表示。公称接触角的大小对滚动轴承的受力性能有着重要影响。公称接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力越强。在设计和选用滚动轴承时，需根据实际的载荷情况合理选择公称接触角。游隙是指轴承的内、外圈与滚动体之间的间隙量。当将内圈或外圈中的一个固定时，另一个在径向或轴向上的相对移动量。沿径向的移动量称为径向游隙，用Δr表示；沿轴向的移动量称为轴向游隙，用Δa表示。游隙的存在对保证轴承的正常运转和延长寿命具有重要意义。适当的游隙可以补偿因温度变化、磨损等因素引起的尺寸变化，同时有助于减小摩擦和振动。过小的游隙可能导致轴承过热、磨损加剧；过大的游隙则可能影响轴承的精度和稳定性。由于制造、安装误差或轴的变形等原因，轴承与轴承座孔轴线可能不同轴，两轴线之间所夹的锐角称为偏位角，用θ表示。偏位角的存在会对轴承的运转和寿命产生不利影响，它可能导致轴承承受不均匀的载荷分布，加剧磨损和振动。为了适应轴线夹角的变化，应选用具有调心功能的轴承，这类轴承能够自动调整内、外圈的位置关系，保持轴承的正常运转。滚动轴承的特点

球轴承：滚动体为球体，制造工艺相对简单，因此生产成本较低，且极限转速较高。由于球轴承的滚动体与内、外圈滚道之间为点接触，所以球轴承在承受载荷时接触面积小，从而限制了其承载能力、耐冲击能力和刚度。适用于转速较高、载荷较轻且对精度要求较高的机械系统中，如精密机床、电动机等。滚子轴承：滚动体为圆柱体或圆锥体。由于与内、外圈滚道之间为线接触，所以滚子轴承具有更高的承载能力、耐冲击能力和轴承刚度，能够承受较大的径向载荷或轴向载荷。然而，由于滚子的制造工艺较球体复杂，因此滚子轴承的价格相对较高。广泛应用于重型机械、汽车、航空航天等领域，如汽车轮毂轴承、航空发动机主轴轴承等。

向心轴承：主要承受径向载荷，或同时承受径向载荷和轴向载荷。公称接触角α≤45°。径向接触轴承：公称接触角α=0°，主要承受径向载荷。向心角接触轴承：0°<α≤45°，能同时承受径向载荷和轴向载荷。推力轴承：主要承受轴向载荷。公称接触角α>45°。推力角接触轴承：45°<α≤90°，主要承受轴向载荷，也能承受不大的径向载荷。轴向接触轴承：公称接触角α=90°，只能承受轴向载荷。按滚动体的形状分类按所能承受载荷的方向和公称接触角分类滚动轴承的类型PART.03单元12.2滚动轴承的代号与标记0102前置代号前置代号是轴承在结构形式、尺寸、公差、技术要求等有改变时，在其基本代号左侧添加的补充代号。例如，“K”表示滚子和保持架组件。后置代号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，在其基本代号右侧添加的补充代号。后置代号的内容较多，包括内部结构代号、密封与防尘代号、保持架代号、轴承材料代号、公差等级代号、游隙代号、配置代号等。例如，“/P6”表示公差等级符合标准规定的6级。前置、后置代号内径代号用阿拉伯数字表示轴承的公称内径尺寸。对于内径d=10mm、12mm、15mm、17mm的轴承，内径代号分别为00、01、02、03。对于内径d=20mm～480mm（22、28、32除外）的轴承，内径代号为内径尺寸除以5的商数，商数为个位数时，需在商数左边加“0”。对于内径d≤10mm、d>480mm或为22、28、32mm的轴承，内径代号用公称内径毫米数直接表示，在其与尺寸系列代号之间用“/”分开。内径代号尺寸系列代号由轴承的宽（高）度系列代号和直径系列代号组成，用阿拉伯数字表示。宽度系列代号反映了相同内径轴承的宽度变化；直径系列代号反映了相同内径轴承的外径和宽度的变化。例如，推力轴承93，其中9为高度系列代号，3为直径系列代号；向心轴承17，其中1为宽度系列代号，7为直径系列代号。尺寸系列代号类型代号用阿拉伯数字或大写拉丁字母表示，用于表示轴承的基本类型。例如，“0”表示双列角接触球轴承，“1”表示调心球轴承，“2”表示调心滚子轴承和推力调心滚子轴承，“3”表示圆锥滚子轴承，“6”表示深沟球轴承，“7”表示角接触球轴承等。类型代号基本代号标记组成制图时，需在装配图的明细栏中写明滚动轴承的标记。01标记由名称、代号及标准编号三部分组成。02例如，圆锥滚子轴承32900GB/T273.1—2023；深沟球轴承61700GB/T276—2013。03滚动轴承标记PART.04单元12.3滚动轴承的选型载荷大小当载荷较大或存在冲击载荷时，滚子轴承因其承载能力大和承受冲击振动能力强的特点，成为首选。载荷方向当轴承仅承受径向载荷时，向心轴承（如深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承等）更为合适。当轴承仅承受轴向载荷时，推力轴承（如推力球轴承等）是最佳选择。当轴承同时承受轴向载荷和径向载荷，且轴向载荷与径向载荷之比较小时，应选择深沟球轴承、公称接触角较小的角接触球轴承或圆锥滚子轴承。当轴承同时承受轴向载荷和径向载荷，且轴向载荷与径向载荷之比较大时，应选择公称接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者采用一个向心轴承与一个推力轴承的组合。轴承所受的载荷根据滚动轴承标准中规定的极限转速，选择轴承类型。在高转速、低载荷的场合，应选择较小直径的球轴承，因为其极限转速高于滚子轴承的极限转速。在低转速、高载荷的场合，选择滚子轴承更为适宜。当轴承同时承受较大的径向载荷和轴向载荷时，若转速较高，则角接触球轴承是合适的选择；若转速不高，则选择圆锥滚子轴承更为合适。极限转速轴承的转速当轴承工作时，若轴与轴承座孔的中心不同心或轴因受力而变形，会导致轴承内、外圈轴线产生偏位角，影响滚动体的正常工作。此时，应选择具有调心性能的轴承（如调心球轴承或调心滚子轴承等）。调心轴承必须成对使用，以确保其调心作用。偏位角补偿调心要求02当轴的两个支点距离较远或工作前、后温差较大时，可将一端的轴承轴向固定，而另一端的轴承允许轴向游动。04若采用其他类型的轴承（如深沟球轴承或调心滚子轴承等），则应在安装时使轴承外圈与轴承座孔的配合较松，以便外圈能相对轴承座孔做轴向移动。但角接触球轴承和圆锥滚子轴承不能作为游动轴承使用。01为了适应轴和外壳因热膨胀而产生的不同影响，防止支承卡死，需考虑轴承的游动和轴向位移。03短圆柱滚子轴承或滚针轴承（无挡边）特别适合作游动轴承。游动轴承的选择轴承的游动和轴向位移在某些机械中（如机床主轴等），轴承的刚性对主轴精度有重要影响。刚性选择因此，当刚性要求较高时，应选择刚性好的圆柱滚子轴承或圆锥滚子轴承。轴承的刚性要求当径向空间受限时，可选择特轻、超轻系列轴承或滚针轴承。当轴向尺寸受限时，应选择窄或特窄系列的轴承。0102空间限制轴承允许的空间对于需经常拆卸或装拆困难的支点，应选用内、外圈可分离的轴承（如圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承等）。若轴较大且轴承安装在轴的中部，则可选择带内锥孔和紧定套的轴承。装拆便利性装拆要求在保证轴承工作性能的前提下，应尽可能降低成本。一般而言，球轴承的价格低于滚子轴承的价格，向心轴承的价格低于向心推力轴承的价格。同类轴承中，精度等级越高，价格也越高。因此，一般机械传动应选用普通级精度的轴承。在相同精度的轴承中，调心轴承的价格最高，而深沟球轴承的价格最低，因此在满足使用要求的前提下，应尽量选用深沟球轴承，以降低成本。成本考虑经济性要求PART.05单元12.4滚动轴承的设计准则及寿命计算疲劳点蚀：当滚动轴承以高于10r/min的转速运转时，滚动体和内圈（或外圈）在载荷的作用下会不断地转动。这种转动导致滚动体与滚道接触表面受到交变接触应力的作用。经过一段时间的工作，接触表面会发生疲劳点蚀，表现为微小的凹坑。这种疲劳点蚀会加剧噪声和振动，显著降低旋转精度，最终导致轴承失效。塑性变形：对于转速很低(n≤10r/min)或进行间歇运动的轴承，在承受过大的静载荷和冲击载荷时，滚动体与滚道接触表面上会出现不均匀的塑性变形，形成凹坑。发生塑性变形后，轴承的摩擦力矩增加，振动和噪声加剧，旋转精度降低，最终导致轴承失效。磨损：滚动轴承的润滑不良或密封不可靠（如杂物和灰尘的侵入等）会导致相互运动的表面产生早期磨损。产生磨损后，轴承的温度升高，噪声增大，游隙变大，旋转精度降低，最终导致轴承失效。其他失效形式：在设计、安装、使用的过程中，由于某些非正常原因（如设计缺陷、安装不当、使用条件恶劣等），轴承可能会因套圈断裂、保持架损坏而报废。滚动轴承的主要失效形式疲劳强度计算：对于一般转速的轴承，在制造、保管、安装、使用等条件均良好的情况下，其失效形式主要表现为疲劳点蚀。因此，应以疲劳强度计算为依据，进行轴承的寿命计算。通过计算轴承的额定寿命，可以评估其在规定条件下的寿命。静强度计算：对于不转动、转速很低(n≤10r/min)或间歇摆动的轴承，为了防止其发生塑性变形，需要进行静强度计算。静强度计算主要评估轴承在承受静载荷和冲击载荷时的承载能力，以确保其在使用过程中不会发生塑性变形。极限转速校验：对于高速轴承，除考虑疲劳点蚀外，还需要关注各元件接触表面的过热问题。过热是导致高速轴承失效的重要原因之一。因此，在进行轴承寿命计算的同时，还需要校验轴承的极限转速。通过比较轴承的实际转速和极限转速，可以评估其在高速运转时的可靠性和安全性。滚动轴承的计算准则滚动轴承的设计准则寿命计算中的基本概念轴承寿命：轴承寿命是指滚动轴承在任意元件首次出现疲劳点蚀之前所经历的实际总转数，或者是在一定转速下所经历的实际总工作小时数。轴承寿命是衡量轴承耐久性的一个重要指标。基本额定寿命：由于材料的不均匀性、制造工艺的差异以及精度的不同，即使同一型号、同一结构和同一材料的轴承，在完全相同的工作条件下，其寿命也会有所不同。因此，在实际选择轴承时，通常以基本额定寿命作为参考标准。基本额定寿命是指一组同型号的轴承在相同的常规条件下运转时，其中10%的轴承发生疲劳点蚀破坏，而90%的轴承不发生疲劳点蚀破坏前的总转数（以10^6r为单位）或工作小时数，用L或Lh表示。基本额定动载荷：为了量化滚动轴承抵抗疲劳点蚀破坏的能力，引入了基本额定动载荷的概念。基本额定动载荷是指在基本额定寿命为10^6r时，轴承所能承受的最大载荷值，用C表示，反映了轴承在动态载荷作用下的承载能力。对于推力轴承，基本额定动载荷是指纯轴向载荷，用Ca表示；对于向心轴承，基本额定动载荷是指纯径向载荷，用Cr表示。额定静载荷：除动态载荷外，滚动轴承还需要考虑静载荷的影响。额定静载荷是用来限制轴承塑性变形的极限载荷值，是指在轴承工作时，受载最大的滚动体和内、外圈滚道接触处的接触应力达到一定值（向心轴承和推力球轴承为4200MPa，滚子轴承为4000MPa）时的静载荷，用C0表示。额定静载荷确保了轴承在承受静载荷时不会发生过度的塑性变形，从而保持了轴承的正常工作状态和旋转精度。滚动轴承的当量动载荷及计算当量动载荷概念：滚动轴承的基本额定动载荷是在特定受载试验条件下确定的。对于轴承的实际工作载荷，既有径向载荷又有轴向载荷，这就要把载荷换算成一个大小和方向恒定的载荷，在这一载荷的作用下，轴承寿命与实际负荷作用下的寿命相等。这种换算后的假想载荷称为当量动载荷，用P表示。当量动载荷计算公式：P=XFr+YFa，式中：X——径向载荷系数；Y——轴向载荷系数；Fr——轴承承受的径向载荷；Fa