大学机械设计基础《轴与轴承》复习课件

MECHANICALDESIGN大学机械设计基础轴与轴承复习课件轴系认知·结构设计·强度计算·轴承选型·寿命验算2026年复习导览01轴系认知基础轴的功能分类、材料选择与结构组成02结构设计要点轴向周向定位方法与设计原则03强度计算方法扭转强度估算与弯扭合成校核04滚动轴承精讲结构代号、类型选择与失效准则05寿命计算核心当量动载荷与额定寿命验算06滑动轴承综合结构分类、材料与条件性验算轴系认知基础轴是机器的脊梁，轴承是轴的支点从功能到分类，搭建轴系认知地基01轴是支承与传动的核心轴的工作状况直接影响整台机器的性能和质量轴的分类方式多样：按受载、按轴线形状与按截面形状各有不同，转轴最为常见载按受载分类转轴既受弯矩又受转矩，最为常见传动轴主要受转矩心轴只受弯矩按轴线形状分类直轴光轴、阶梯轴曲轴挠性软轴按截面形状分类实心轴空心轴材料选择兼顾强度与工况优质碳素结构钢4项价格低对应力集中敏感性小可热处理提高耐磨性与疲劳强度常用35、45钢45钢应用最广合金结构钢4项强度高热处理性能好应力集中敏感价格较贵常用40Cr、40CrNi合金渗碳钢2项20Cr、20CrMnTi耐磨性要求高的轴用于耐磨性要求较高的轴球墨铸铁3项QT600-3、QT800-2复杂轴可铸造成形复杂轴内燃机曲轴如内燃机曲轴改变轴的材料只改变强度，基本不改变刚度；刚度不足时应加大截面、减小跨距，而非更换高强度材料轴颈轴头轴身各司其职轴颈与轴承配合直径须符合轴承内径标准系列轴头与轮毂配合用于安装齿轮、带轮、联轴器等轴身连接轴颈与轴头定位结构轴肩与轴环：轴径变化形成的阶梯处，用于零件轴向定位固定轴肩：起固定零件作用过渡轴肩：只起过渡作用轴的结构设计定位可靠、装拆方便、受力合理结构设计决定轴系能否正常工作02结构设计三大基本要求定位可靠、装拆方便、受力合理是结构设计的三条主线结构设计主线轴的结构设计围绕定位可靠、装拆方便、受力合理、工艺良好四条主线展开，确保轴上零件装拆调整便利、承载可靠。定位可靠轴和轴上零件须有准确的工作位置各零件牢固可靠地相对固定装拆方便便于轴上零件的装拆和调整受力合理结构应有利于改善受力状况，减小应力集中工艺良好轴应具有良好的制造工艺性设计任务与尺寸要点结构设计任务：拟定装配方案，确定各轴段直径与长度尺寸要点：轴头长度应比零件轮毂宽度小1~2mm，保证端面定位可靠轴向定位的常用方法方法特点适用场合轴肩（轴环）结构简单、定位可靠，能承受较大轴向力，但轴径突变引起应力集中齿轮、带轮、轴承套筒减少轴径变化，简化结构，不宜用于高速两零件距离较近处圆螺母装拆方便、固定可靠，可承受较大轴向力，细牙螺纹防松轴向力大处，如斜齿轮轴轴端挡圈简单可靠、装拆方便，可承受振动与冲击轴端零件固定弹性挡圈工艺性好，但对轴强度削弱较大轴向力小的场合定位轴肩高度h=(0.07~0.1)d，轴环宽度b≥1.4h周向固定与工艺性要求周向固定：传递转矩，防止相对转动周向固定目的传递转矩时防止零件与轴产生相对转动常用周向固定方法4+1项键连接、花键联接、销连接、过盈配合紧定螺钉可兼作轴向与周向定位，仅限转矩不大的场合加工工艺3项轴上磨削段设砂轮越程槽螺纹段设螺纹退刀槽轴端加工45度倒角提高轴强度的常用措施4项改进轴上零件结构合理安排轴上载荷减小应力集中改善表面质量轴径变化处应过渡平缓并采用圆角，以降低应力集中轴的强度计算先估算最小直径，再校核危险截面强度计算是轴设计的定量依据03扭转强度估算最小直径初步估算一定用扭转强度，适用于只受或主要受转矩的轴最小轴径估算公式d≥∛(9550×10³·P/(0.2·[τ]·n))d轴径mmP功率kWn转速r/min[τ]许用扭切应力查手册修正与经验估算适用对象传动轴，或转轴结构设计之前的初步估算弯矩补偿同时承受弯矩的转轴，需适当降低许用扭切应力，以补偿弯矩影响键槽修正单键槽轴径增大3%~5%，双键槽增大7%~10%经验估算高速轴d=(0.8~1.2)D，低速轴d=(0.3~0.4)a弯扭合成强度条件与系数强度条件：既承受弯矩又承受转矩的转轴，按第三强度理论校核。折合系数α对比折合系数α取值3档适用对象既承受弯矩又承受转矩的转轴理论依据第三强度理论，当量应力须不超过许用弯曲应力折合系数α静应力

0.3·脉动循环

0.59·对称循环

1计算要点：用折合系数把转矩折算为当量弯矩，再代入公式校核轴径强度计算流程与危险截面先分解载荷，再逐图合成，最后校核危险截面计算流程载荷分解→弯矩合成→当量弯矩→危险截面校核外载荷分解分解到水平面与垂直面，求两平面支承反力弯矩合成分别作水平面与垂直面弯矩图，再合成弯矩图作转矩图作转矩图，求当量弯矩当量弯矩图求当量弯矩并作当量弯矩图危险截面校核选

2~3个

当量弯矩大或直径较小的剖面校核校核要点键槽修正计算轴径应加大

4%

左右结果判读计算轴径大于结构设计值则强度不足，须修改结构或重选材料支反力位置传动件载荷作用在轮毂中点，深沟球轴承支反力取在轴承宽度中点第1步载荷分解第2步弯矩图第3步转矩图第4步当量弯矩第5步危险截面滚动轴承精讲读懂代号，选对类型，认清失效滚动轴承是标准化选用的核心04滚动轴承四组成与特点外圈与轴承座配合，起支承作用内圈与轴配合，随轴旋转滚动体借助保持架均匀分布保持架引导滚动体旋转材材料与硬度套圈与滚动体轴承钢

GCr15、GCr15SiMn，淬火后

60~65HRC保持架低碳钢板冲压或铜合金优缺点对比优点摩擦阻力小、启动灵活效率高、润滑方便标准化互换性好缺点径向尺寸大接触应力高高速下寿命较低、抗冲击能力差轴承类型代号速查类型代号0

可省略不标；深沟球轴承

与

角接触球轴承

是考试最常出现的两类。类型代号轴承类型0双列深沟球轴承1调心球轴承2调心滚子轴承3圆锥滚子轴承5推力球轴承6深沟球轴承7角接触球轴承N圆柱滚子轴承类型代号

0

可省略不标；深沟球轴承（代号

6）与

角接触球轴承（代号

7）是考试最常出现的两类。内径代号与尺寸系列前置代号轴承分部件基本代号类型代号、尺寸系列代号、内径代号，是重点后置代号公差等级与接触角等内径范围代号规则20~480mm内径=代号

×

5mm00/01/02/0310/12/15/17mm<10mm、>500mm、22/28/32mm代号直接表示内径系尺寸系列代号直径系列右起第三位为直径系列宽度系列右起第四位为宽度系列0系列0系列可省略后后置代号公差等级P2、P4、P5、P6、P0（P0省略）接触角C、AC、B

表示角接触球轴承接触角轴承类型选择原则转速与载荷转速高、载荷小、旋转精度高选

球轴承转速低、载荷大或有冲击选

滚子轴承载荷方向主要受径向力选

向心轴承主要受轴向力选

推力轴承径向与轴向均较大选

角接触轴承刚度与调心要求支承刚度大选

滚子轴承轴挠曲变形大或需调心选

调心轴承经济性球轴承比滚子轴承便宜，精度低比精度高便宜，普通结构比特殊结构便宜安装要求：角接触球轴承与圆锥滚子轴承成对使用必须对称安装，否则易烧轴承失效形式决定计算准则转动轴承防点蚀，静止轴承防变形，高速轴承防胶合三种失效形式3类疲劳点蚀转动轴承的主要失效形式，滚动体与滚道反复接触应力下，次表层萌生裂纹并扩展剥落塑性变形不转动、低速或摆动轴承的主要失效形式，受较大静载或冲击载荷产生磨粒磨损与胶合高速轴承发热引起的主要失效形式三种计算准则3类转动轴承进行寿命计算，必要时作静强度校核不转动或低速轴承进行静强度计算高速轴承除寿命计算外，应校核极限转速轴承寿命计算当量动载荷是寿命计算的钥匙寿命验算决定轴承选型是否成立05当量动载荷的计算逻辑把复杂载荷折算成等效恒定载荷，才能代入标准寿命公式当量动载荷，P=X·Fr+Y·Fa——把复杂载荷折算成等效恒定载荷的判据Fa/Fr≤e取

X=1、Y=0此时

P=FrFa/Fr>e取

X<1、Y>0如深沟球轴承

X≈0.56、Y≈1.5需查样本双列轴承或成对安装的角接触球轴承，X、Y取值与单列不同，须查对应参数表。额定寿命公式与转换额定寿命是统计指标：一批相同轴承中90%在疲劳剥落前能达到的总转数或工作小时数基本额定寿命公式球轴承：L=(C/P)³，L单位为百万转滚子轴承：L=(C/P)^(10/3)寿命指数与小时换算寿命指数差异：球轴承为3，滚子轴承为10/3，滚子轴承寿命对载荷变化更敏感小时寿命换算：Lh=(10⁶/60n)×(C/P)^ε，n为转速，ε为寿命指数参数含义：C为额定动载荷，由轴承样本给出；P为当量动载荷寿命计算流程与修正四步走：定载荷、算当量、查额定、代入算按

定载荷→算当量→查额定→代入算

四步完成寿命计算1第一步

定载荷确定径向载荷

Fr

与轴向载荷

Fa2第二步

算当量按轴承类型与载荷方向折算当量动载荷

P3第三步

查额定从样本查对应型号的额定动载荷

C4第四步

代入算代入公式计算

Lh，与设计寿命比较计算示例当量动载荷P为

7700NLh约

11344小时修正说明温度与载荷系数修正ISO281引入

aISO，综合润滑/污染/材料因素滑动轴承与综合滑动与滚动各有所长，按工况选型综合串联，形成完整知识闭环06滑动轴承结构分类对比类型结构特点适用场合整体式径向结构简单、成本低，装拆不便，磨损后间隙无法调整低速轻载间歇工作剖分式径向装拆方便，间隙可调，应用最广高速重载连续工作自动调心式轴瓦外表面为球面，可自动适应轴挠曲变形长轴、多支点推力滑动轴承分空心式、单环式、多环式，专门承受轴向载荷轴向载荷较大场合轴承材料与适用场合轴承合金（巴氏合金）2项材料特点减摩性、顺应性、嵌入性最好，强度低价格贵，多作轴承衬适用场合重载中高速重要轴承铜合金1项材料特点强度高、减摩性好，高中速中等重载通用，应用最广铝基轴承合金1项材料特点性价比高、耐腐蚀，但要求轴颈必须淬火灰铸铁及耐磨铸铁2项材料特点价格低但性能差适用场合轻载、低速、无冲击场合粉末冶金材料2项材料特点多孔含油自润滑适用场合中低速、维护不便的场合非金属材料1项塑料/石墨等，自润滑耐腐蚀，但承载能力低、导热差条件性验算三道关卡压力防挤干，pv值防过热，速度防磨损不完全液体润滑轴承·三道验算01第一关·压力验算p≤许用压力，防止油被挤干导致过度磨损02第二关·pv值验算pv≤许用pv值，pv代表摩擦发热强度，防止温升过高引起胶合03第三关·滑动速度验算v≤许用速度，防止高速加速磨损三道验算条件均满