12z第十二章轴系零部件的设计

广西水电职院教案用纸章节名称：第十二章轴系零部件的设计§12—1滑动轴承§12—2滚动轴承目的要求：理解滑动轴承特点及主要类型、材料和轴瓦结构和润滑。掌握常用滚动轴承的类型与特点，了解其受载及失效情况。掌握寿命计算方法和滚动轴承，组合结构设计的方法与原则。教学重点：滚动轴承的类型、特点、代号，滚动轴承的疲劳点蚀。寿命计算、当量动、静载荷，滚动轴承的组合结构设计教学难点及突破难点的办法：寿命计算、当量动、静载荷，滚动轴承的组合结构设计讲授法课外作业：教学过程时间分配§12-1滑动轴承一、概述二、径向滑动轴承的主要类型三、滑动轴承的材料及轴瓦结构四、滑动轴承的润滑§12—2滚动轴承一、概述二、滚动轴承的类型与选择三、滚动轴承的受载情况和失效形式四、滚动轴承的寿命计算（一）基本额定寿命和基本额定动载荷（二）滚动轴承的当量动载荷P（实际载荷）（三）滚动轴的寿命计算公式（四）角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向载荷A的计算（五）滚动轴承的静载荷4学时第十二章轴系零部件轴是机械设备中的重要零件之一，它的主要功能是直接支承回转零件，如齿轮、车轮和带轮等，以实现回转运动并传递动力,轴要由轴承支承以承受作用在轴上的载荷。这种起支持作用的零部件称为支承零部件。而且有很多的轴上零件需要彼此联接，它们的性能互相影响，所以将轴及轴上零部件统称为轴系零部件。如图12-1所示减速器的输出轴由轴1、轴承2、齿轮3、联轴器4、键5等组成。第一节滑动轴承一、概述（一）滑动轴承类型：按承载：向心轴承（受Fr）；推力轴承（受Fa）按润滑状态：流体润滑轴承；非流体润滑轴承；无润滑轴承（不加润滑剂）（二）滑动轴承的特点优点：1）承载能力高；2）工作平稳可靠、噪声低；3）径向尺寸小；4）精度高；5）流体润滑时，摩擦、磨损较小；6）油膜有一定的吸振能力缺点：1）非流体摩擦滑动轴承、摩擦较大，磨损严重。2）流体摩擦滑动轴承在起动、行车、载荷、转速比较大的情况下难于实现流体摩擦；3）流体摩擦、滑动轴承设计、制造、维护费用较高。（三）应用：1）n特高或特低；2）对回转精度要求特别高的轴；3）承受特大载荷；4）冲击、振动较大时；5）特殊工作条件下的轴承；6）径向尺寸受限制或轴承要做成剖分式的结构例：机床、汽轮机、发电机、轧钢机、大型电机、内燃机、铁路机车、仪表、天文望远镜等。二、径向滑动轴承的主要类型（一）整体式径向滑动轴承如图12—1，由轴承座、整体轴套、油孔等组成特点：1）结构简单、成本低；2）轴套磨损后，间隙无法调整；3）装拆不便（只能从轴端装拆）。适于低速、轻载或间隙工作的机器。（二）剖分式径向滑动轴承图12-2，由轴承座，轴承盖，剖分轴瓦（附轴承衬）、双头螺柱（调整垫片）等，轴瓦表面有油沟，油通过油孔、油沟而流向轴颈表面，轴瓦一般水平部分，也有倾斜部分。特点：装拆方便、轴瓦磨损后间隙可调整。（三）自动调心式适于宽径比B/d1.5轴承，可避免轴弯曲变形或轴承孔倾斜时造成轴颈与轴瓦两端边缘接触加剧磨损和发热。特点：轴瓦外表面做成球面。图12-3（四）调隙式径向滑动轴承如图12-4，外表面为圆锥面的轴套上开一个缝口，另在圆周上开三个槽（以减小刚性），使之易变形，轴瓦两端各装一个调节螺母，通过松紧调节螺母3.5，使锥形轴套轴向移动，从而调整轴套与轴间的间隙——用于一般机床主轴。三、滑动轴承的材料及轴瓦结构（一）滑动轴承的材料滑动轴承的主要失效形式：磨损和胶合、疲劳破坏等所以对轴承材料的要求，主要就是考虑轴承的这些失效形式1、对轴承材料的要求1）良好的减摩性、耐磨性和抗胶合性2）良好的顺应性，嵌入性和磨合性3）足够的强度和必要的塑性4）良好的耐腐蚀性、热化学性能（传热性和热膨胀性）和调滑性（对油的吸附能力）5）良好的工艺性和经济性等。2、常用材料：金属材料；粉末冶金；非金属材料金属材料1）铸铁：灰铁；球铁（中有游离的石墨能有润滑作用）——性能较好，适于轻载、低速，不受冲击的场合。2）轴承合金（又称巴氏合金或白合金）——由锡（Sn）、铜（Pb）、锑（Sb）、铜（Cu）等组成。以锡或铅为基体（软）——其中含有锑锡（Sb-Sn）或铜锡（Cu-Sn）的硬晶粒。硬晶粒起耐磨作用，软基体则增加材料的塑性特点：嵌入性、顺应性最好，抗胶合性好，但机械强度较低∴作为轴承衬浇注在软钢或青铜轴瓦的表面。——价格较贵3）铜合金青铜基体：锡青铜——减摩、耐磨性最好，∴应用较广，强度比轴承合金高，适于重载、中速铅青铜——抗胶合能力强，适于高速、重载铝青铜——强度及硬度较高，抗胶合性差，适于低速、重载传动4）铝基合金——强度高、耐磨性、耐腐蚀和导热性好：低锡—用于高速中小功率柴油机轴承；高锡—用于高速大功率柴油机轴承。可做成单金属轴瓦，也可做成双金属轴瓦的轴承衬，用钢作衬背。多孔质金属材料（粉末冶金）——含油轴承它是利用铁或铜和石墨粉末、树脂混合经压型、烧结、整形、浸油而制成的，其特点是组织疏松多孔，孔隙中能大量吸收润滑油，∴称含油轴承，具有自润滑的性能。精末冶金：铜基粉末冶金——减摩、抗胶合性好铁基粉末冶金——耐磨性好，强度高适于低速，载荷平稳，加油不便的场合。非金属材料——塑料、橡胶1）塑料——f小，耐腐蚀，具有自润滑性能，但导热性差，易变形，承载能力差如：酚醛树脂、聚铣胺（尼龙）、取胜四氟乙烯等，可用油，也可用水润滑。2）橡胶——弹性大，允许轴线一定偏斜，用水作润滑剂且环境较脏污处，例如：水泵、水轮机和其它水下机械用轴承。常用金属材料的性能见表12-1常用非金属材料和粉末冶金材料的性能见表12-2。（二）轴瓦结构1、轴瓦的形式与结构形式：整体式；剖分式结构：单金属；双金属（有轴承衬（1~2层）；三金属；——钢—青铜—轴承衬整体式轴瓦：整体轴套（图12-5）；单层、双层、三层、判制轴套（图12-6）非金属整体式轴瓦：整体非金属轴套；钢套上衬非金属材料部分式轴瓦：厚壁轴瓦——铸造形成（图12-7），内表附有轴承衬，为使轴承衬与轴瓦贴合附得好，轴瓦内表面制出各种形式集头、凹沟和螺纹；薄壁轴瓦（图12-8）——可用双金属板连续轧制，质量好，成本低，但轴瓦刚性差—在汽车发动机、柴油机上应用广泛。轴承衬厚度S0.5mm时，可不做沟槽实践证明，衬厚度愈薄（S0.36mm）轴承合金的疲劳强度愈高；∴轴承衬要尽可能做薄一些。2、油孔、油槽和油室油孔——用来供应润滑油油槽（沟）——用来使润滑油散布到轴颈表面：轴向油槽；周向油槽（图12-9）油孔、油槽开设原则：1、润滑油应从油膜压力最小处输入轴承。2、油槽（沟）开在非承载区，否则会降低油膜的承载能力，图12-10所示3、油槽轴向不能开通，以免油从油槽端部大量流失。4、水平安装轴承油槽开半周，不要延伸到非承载区，全周油槽应开在轴承端高处。油室（图12-11）——使润滑油沿轴向均匀分布，同时起到贮油、稳定供油和改善轴承散热条件的作用位置——开在非承载区，如轴颈经常正反向转时，也可在两侧开设。四、滑动轴承的润滑（一）润滑剂的选择润滑剂——油、脂、固体润滑剂按工作载荷、相对滑动速度、工作温度和特殊工作环境等作为依据1、润滑油对流体动力润滑轴承（按程度选润滑油），粘度是选择润滑油最重要的参考指标，选择粘度时，应考虑如下基本原则：（1）在压力大、温度高、载荷冲击变动大时→应选用粘度大的润滑油（2）滑动速度高时，容易形成油膜（转速高时），为减少摩擦应选用粘度较低的润滑油（3）加工粗糙或未经跑合的表面，应选用粘度较高的润滑油参考表3-2非全流体动力润滑轴承——依据：润滑油的油性（吸附性），按表12-3选择2、润滑脂特点：稠度大，不易流失，承载能力但稳定性差，摩擦功耗大，流动性差，无冷却效果——适于低速重载且温度变化不大处，难于连续供油时选择原则：1）轻载高速时选针入度大的润滑脂，反之选针入度小的润滑脂2）所用润滑脂的滴点应比轴承的工作温度高约20~30℃。3）在有水淋或潮湿的环境下应选择防水性强的润滑脂——铝基、润滑脂、钙~3、固体润滑剂轴承在高温，低速、重载情况下工作，不宜采用润滑油或脂时可采用固体润滑剂——在摩擦表面形成固体膜，常用：石墨、聚四氟乙烯、二硫化钼、二硫化钨等。使用方法：1）调配到油或脂中使用；2）涂敷或烧洁到摩擦表面；3）渗入轴瓦材料或成型镶嵌在轴承中使用。（二）润滑方法1、油润滑：间歇供油——小型、低速、间歇运动的场合。连续供油——重要的轴承间歇供油：1）油壶或油枪定期向润滑孔和杯内注油，图12-12a，压注式油标，图12-12b，旋套式油杯连续供油方式：a)滴油润滑——图12-13a，针阀式油杯b)绳芯润滑——图12-13b，利用绳芯的毛吸管作用吸油滴到轴颈上c)油杯润滑——图12-13c，油杯下端浸到油里d)浸油润滑——轴颈直接浸到油池中润滑，搅油损失较大e)飞溅润滑——利用下端浸在油池中的转动件将润滑油溅成油来润滑、f)压力循环润滑——用油泵进行连续压力供油，润滑、冷却，效果较好，适于重载、高速或交变载荷作用。2、脂润滑——间歇供油脂：旋盖式油脂杯——图12-14；黄油枪补充油脂五、液体动力润滑径向滑动轴承的简介假设条件是：1）忽略压力对润滑油粘度的影响；2）流体为粘性流体；3）流体不可压缩，并作层流；4）流体膜中压力沿膜厚方向是不变的；5）略去惯性力和重力的影响。两平板被润滑油隔开，移动件以速度v沿x方向滑动，另一平板静止不动，设平板正方向尺寸为无穷大（流体沿Z方向无流动），从油层中取出长、宽、高分别为dx、dy、dz的单元体进行力平衡分析油膜须呈收敛楔形，才能使油楔内各处油压都大于入口和出口处的压力，产生正压力以支承外载，图12-13若两表面呈扩散楔形，即移动件带着润滑油从小口走向大口，则油膜压力必低于出口和入口处的压力，则不仅不能产生油压支承外载，而且会使两表面相吸。形成流体动力润滑（即形成动压油膜）的必要条件是（1）相对运动两表面必须形成一个收敛楔形（2）被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度vs，其运动方向必须使润滑从大口流进，小口流出。（3）润滑油必须有一定的粘度，供油要充分。v越大，越大，油膜承载能力越高。第二节滚动轴承概述滚动轴承由于是滚动摩擦，∴摩擦阻力小，发热量小，效率高，起动灵敏、维护方便，并且已标准化，便于选用与更换，因此使用十分广泛。一、滚动轴承的构造标准滚动轴承的组成：内圈1、外圈2、滚动体3（基本元件）、保持架4（图12-1）一般内圈随轴一起回转，外圈固定（也有相反）内外圈上均有凹的滚道，滚道一方面限制滚动体的轴向移动，另一方面可降低滚动体与滚道间的接触应力。球——滚珠轴承——滚动体的形状短圆柱形柱形长圆柱形螺旋滚子滚柱轴承圆锥滚子鼓形滚子滚针保持架能使滚动体均匀分布以避免滚动体相互接触引起磨损与发热（图12-3）二、滚动轴承的材料内、外圈、滚动体；GCr15、GCr15-SiMn等轴承钢，热处理后硬度：HRC60~65保持架：低碳钢、铜合金或塑料、聚四氟乙烯三、滚动轴承的特点优点：1）f小起动力矩小，η高；2）运转精度高（可用预紧方法消除游隙）；3）轴向尺寸小；4）某些轴能同时承受Fr和Fa，使机器结构紧凑；5）润滑方便、简单、易于密封和维护；6）互换性好（标准零件）缺点：1）承受冲击载荷能力差；2）高速时噪音、振动较大；3）高速重载寿命较低；4）径向尺寸较大（相对于滑动轴承）应用：广泛应用于中速、中载和一般工作条件下运转的机械设备。滚动轴承的类型与选择一、滚动轴承的主要类型与特点接触角——如图12-4所示，外圈与滚动体接触处的法线与垂直于轴线的平面的夹角。类型——按承载方向：向心轴承——0，主要承受径向载荷，可受一定Fa，如深沟球、圆柱滚柱轴承等，1、4、6、N、NA、2调心滚子等推力轴承——90（如图12-4d）5（推力球），8（推力圆柱滚子）向心推力轴承——900：450—向心角接触轴子（0、3、7）9045—推力角接触轴承，2（推力调心滚子轴承）按滚动体形状：球~——承载能力低，极限转速高滚子~——承载能力高，极限转速低常用滚动轴承的类型与特性见表12—1注