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第9章 轴和轴承
——《机械设计基础》
轴及轴毂联接
学习要点：
了解轴的功用及分类
掌握影响轴的结构因素
掌握轴的结构设计
了解轴的强度计算
带式运输机
减速器
电动机
转轴
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩。
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
1 轴的用途及分类
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩。
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
传动轴---只传递扭矩
发动机
后桥
传动轴
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
传动轴---只传递扭矩
心轴---只承受弯矩
前轮轮毂
固定心轴
火车轮轴
车厢重力
前叉
自行车
前轮轴
支撑反力
转动心轴
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩
按承受载荷分有：
分类：
传动轴---只传递扭矩
心轴---只承受弯矩
直轴
光轴
阶梯轴
按轴的形状分有：
潘存云教授研制
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
传动轴---只传递扭矩
心轴---只承受弯矩
直轴
光轴
阶梯轴
曲轴
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
转轴---传递扭矩又承受弯矩
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
传动轴---只传递扭矩
心轴---只承受弯矩
直轴
光轴
阶梯轴
曲轴
功用：用来支撑旋转的机械零件，如齿轮、带轮、
链轮、凸轮等。
类型
按承受载荷分有：
分类：
按轴的形状分有：
挠性钢丝轴
5.改善应力状况，减小应力集中。
一般设计成中间大、两端小的阶梯形状
4.各零件要牢固而可靠地相对固定；(固定)
轴结构设计的目的：是使轴的各部分具有合理的形状和尺寸。
2 轴的结构
设计原则：
2.轴应便于制造，轴上零件要易于装拆；(制造安装)
3.轴和轴上零件要有准确的工作位置；(定位)
1.满足强度、刚度、防振的要求，并通过结构设计提高这些方面的性能
轴端挡圈
带轮
轴承盖
套筒
齿轮
滚动轴承
典型轴系结构
轴的结构还受轴上所装配零件及定位等因素影响
轴端挡圈
套筒
齿轮
典型轴系结构
1、轴上零件的装配方案对轴结构的影响
装配方案：确定轴上零件的装配方向、顺序、和相互
关系。
潘存云教授研制
轴上零件的装配方案不同，则轴的结构形状也不相同。设计时可拟定几种装配方案，进行分析与选择。
图示减速器输出轴就有两种装配方案。
s
a
B
c
L
a
圆锥圆柱齿轮二级减速器
方案二需要一个用于轴向定位的长套筒，多了一个零件，加工工艺复杂，不如方案一合理 。
2、轴上零件的定位对轴的结构影响
轴肩----阶梯轴上截面变化之处。
轴肩
套筒
定位方法：轴肩、套筒、圆螺母、挡圈、轴承端盖。
轴向固定由轴肩、套筒、螺母或轴端挡圈来实现。
双向固定
轴肩的尺寸要求:
r b≈1.4h(与滚动轴承相配合处的h和b值,见轴承标准)
D
d
r
R
轴端挡圈
双圆螺母
D
d
C1
r
h≈(0.07d+3)~(0.1d+5)mm
无法采用套筒或套筒太长时，可采用双圆螺母加以固定。
装在轴端上的零件往往采用轴端挡圈圆锥面定位。
h
h
R
b
轴向力较小时，可采弹性挡圈或紧定螺钉来实现。
周向固定大多采用键、花键、过盈配合或型面联接等形式来实现。
键槽应设计成同一加工直线
T—扭矩 ，
[τT]—许用应力，
P—功率，n—转速，
d—计算直径，
C—材料系数。
WT—抗扭截面系数，
最小轴径dmin的确定:
有配合要求的零件要便于装拆。
3、轴上标准件装配对轴结构尺寸的影响
确定轴段直径大小的基本原则：
按轴所受的扭矩估算轴径，作为轴的最小轴径dmin。
安装标准件的轴径，应满足装配尺寸要求。
有配合要求的轴段，应尽量采用标准直径。
常用的与轴相配的标准件有滚动轴承、联轴器等。 配合轴段的直径 应由标准件和配合性质确定。
1) 装配轴承
与滚动轴承配合段轴径一般为5的倍数；(φ 20~385 mm)
与滑动轴承配合段轴径应采用标准直径系列轴套：
… 32、35、38、40、45、48、50、55、60、65、70 …..
2) 装配联轴器
配合段直径应符合联轴器的尺寸系列：
联轴器的孔径与长度系列
孔径d 30 32 35 38 40 42 45 48 50 55 65 60 63 65…
长系列 82 112 142
短系列 60 84 107
长度
L
4、轴上零件装配工艺对轴结构的影响
H7/r6
H7/D11
H7/r6
2) 配合段前端制成锥度；
3) 配合段前后采用不同的尺寸公差。
1) 在配合段轴段前应采用较小的直径；
H7/D11
H7/r6
结构不合理！
4）为了便于轴上零件的拆卸，轴肩高度不能过大。
5、提高轴的强度对轴结构的影响
图示为起重机卷筒两种布置方案。A图中大齿轮和卷筒联成一体，转距经大齿轮直接传递给卷筒，故卷筒轴只受弯矩而不传递扭矩。图b中轴同时受弯矩和扭矩作用。故载荷相同时，图a结构轴的直径要小。
1) 改进轴上零件的结构
Q
方案 a
Q
方案b
T
轴径大
轴径小
2) 合理布置轴上零件
输出
输出
输入
Tmax = T1
T1
T1+T2
T2
合理
输出
输出
输入
Tmax= T1+T2
T2
T1
T1+T2
不合理
当轴上有两处动力输出时，为了减小轴上的载荷，应将输入轮布置在中间。
3)改进轴的局部结构可减小应力集中的影响
合金钢对应力集中比较敏感，应加以注意。
应力集中出现在截面突然发生变化或过盈配合边缘处。
应力集中处
措施：
1) 用圆角过渡；
2)尽量避免在轴上开横孔、切口或凹槽;
3)重要结构可增加卸载槽、过渡肩环、
凹切圆角、增大圆角半径。也可以减
小过盈配合处的局部应力。
轴上开卸载槽
应力集中系数可减少40%
轴上开卸载槽
应力集中系数可减少15~25%
增大轴的直径
应力集中系数可减少30~40%
d
1.05d
4）采取增加卸载槽、增大轴径、过渡肩环、凹切圆角、 等也可以减小过盈配合处的局部应力。
30
r
凹切圆角
过渡肩环
1.06~1.06d
d
④
6、轴的加工工艺性对轴结构的影响
②
③
⑥
⑦
①
⑤
①
倒角
退刀槽
从装配观点 两头小中间粗
从承载观点 中间受弯矩大
阶梯轴
直径相近的轴段，其过渡圆角、倒角、
键槽、退刀槽等结构尺寸尽量统一
不同轴段的各键槽方向应一致
轴的配合直径应圆整为标准值
与零件过盈配合的轴端
应有导向锥面
磨削或车螺纹应留有越
程槽或退刀槽
退刀槽
越程槽
轴的结构设计举例
左图中有一处错误，请指出。
左图中有四处错误，请指出。
左图中有三处错误，请指出。
左图中有三处错误，请指出。
加装调整垫片；
轴肩过高，圆锥轴承无法拆装；
齿轮轮毂应稍长于轴段的长度，以保证齿轮的轴向固定；
毡圈处密封槽应为梯形；
平键上侧应有间隙；两个键应布置于一条线上；
轴端挡圈没起作用；
联轴器定位台阶低；
端盖外侧不应与转动件接触；
套筒应加长，以保证圆锥轴承与套筒轴向定位；
轴承
轴承——支承轴和轴上零件。
轴承作用及分类
主要承受轴上的径向力
滑动轴承
滚动轴承
结构分类
轴承
向心轴承
推力轴承
承载方向
轴承
主要承受轴上的轴向力
滑动轴承的认识和选用
知识点1：滑动轴承的类型、失效形式、特点
类型
（1）按承载分
向心滑动轴承
推力滑动轴承
（2）按摩擦状态分
液体摩擦状态：接触面被油膜完全隔开，
油膜具有弹性，能缓冲、吸振，用于汽轮机
等长期高速旋转的机器上。
干摩擦、边界摩擦：直接接触，磨损快。
混合摩擦（非液体摩擦）
干摩擦
边界摩擦
液体摩擦
混合摩擦
主要失效形式：磨损、发热引起胶合
特点
优点：结构简单，制造方便；精度高、耐冲击、吸振、
运转平稳；寿命长。
缺点：维修复杂，对润滑条件要求高；干摩擦、边界摩擦
滑动轴承，摩擦损耗较大。
知识点2：滑动轴承的结构、尺寸
组成：轴承体（轴承座、盖）、轴瓦（轴套）、轴承衬、密封装置。
1、向心滑动轴承
整体式
剖分式
自动调心式
（1）整体式
特点：构造简单、成本低，装拆不便，磨损后无法修整。
应用：低速、轻载或间歇性工作的机器。
安装方法：轴承从轴端装入。
（2）剖分式
特点：剖分面作成阶梯状，且垂直载荷方向。正剖、斜剖，装拆
方便，常在轴瓦表面粘附轴承衬。磨损后可调整间隙，结
构复杂。
应用：常用。
（3）自动调心式
结构：轴瓦瓦背制成凸球面，其支承面制成凹球面。
特点：轴瓦能摆动，适应轴的变形
应用：用于支承挠度较大或多支点的长轴。
2、推力滑动轴承
止推面：轴端面、轴中段做凸肩或装上推力圆盘。
主要尺寸参数
1、轴瓦孔径d
由轴的结构设计决定。
2、轴瓦宽度b
宽径比：b/d。
液体摩擦轴承： b/d=0.5~1；非液体摩擦轴承：b/d=0.8~1.5
b
d
知识点3：滑动轴承的材料
1、对轴承材料的要求
轴承盖、座——灰铸铁、铸钢
轴瓦——与轴颈直接接触。轴瓦与轴颈间：有良好的减摩性、耐磨性、抗胶合性，有足够的抗压、抗疲劳强度，有良好的导热性和抗腐蚀能力等。
2、常用材料
（1）金属材料，如轴承合金、铜合金、铝基合金和铸铁等。（2）多孔质金属材料（粉末冶金）
（3）非金属材料，如工程塑料、橡胶等。
材料 组成 性能特点 应用
轴承合金 (巴氏合金) Sn,Pb,Sb合金 耐磨性、导热性、油吸附性好，强度小，价格贵 重载，中高速
青铜 Cu+Sn,Pb, Al 较硬，强度高，耐磨 磨合性差 重载，中速
粉末冶金 Fe+石墨 Cu+石墨 含油轴承 韧性低 平稳载荷，无冲击，中低速
铸铁 HT、KT 轴颈硬度> 轴瓦硬度 轻载，低速
知识点4：滑动轴承的润滑
1、润滑剂
（1）润滑的作用：减少摩擦、降低磨损、散热、缓冲吸振、密封、防锈等。
（2）常用润滑剂
1）润滑油 液体，流动性好。用途最广泛。
2）润滑脂 半固体，润滑油＋稠化剂。不易泄露，一般用于中低速。
3）固体润滑剂 石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯。主要用作油、脂的
添加剂，也可单独使用。低速重载高温用。
2、润滑方法
轴承制出进油孔，轴瓦开油沟。
轴瓦油沟形式
针阀式注油杯
旋盖式油杯
压配式压注油杯
旋套式油杯
油芯式油杯
油环润滑
滚动轴承的认识和选用
知识点1：滚动轴承的结构
1）结构
内圈——装在轴颈上，与轴一起转动。
外圈——装在机座或零件的轴承孔内，一般不转动。
滚动体——沿着滚道滚动。
保持架——避免滚动体直接接触，减少发热和磨损。
2）材料
内圈、外圈、滚动体——高硬度、高接触疲劳强度、良好耐磨性和冲击韧性。
材料：含铬轴承钢，硬度60-65HRC，工作表面磨削抛光。
保持架——避免滚动体直接接触，减少发热和磨损
材料：低碳钢冲压（或铜合金、塑料）
3）特点
1、摩擦阻力小, 功率损耗少, 起动灵敏。
2、可同时承受径向和轴向载荷，简化了支承结构。
3、径向间隙小，还可用预紧方法消除间隙，因此回转精度高。
4、互换性好，易于维护，润滑简便, 价格低。
5、抗冲击能力差, 高速时出现噪音。
6、寿命也比不上液体润滑的滑动轴承。
7、径向尺寸大。
知识点2：滚动轴承的类型
（1）按滚动体形状分
滚动轴承
球轴承
滚子轴承
圆柱滚子轴承
圆锥滚子轴承
球面滚子轴承
滚针轴承
（2）按受载方向和公称接触角a分
α：滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面之间的夹角。
滚动轴承
向心轴承（a=0°）
向心推力轴承（<0°a<90°）
推力轴承（a=90°）
主要承受径向力
（或承受较小的轴向力）
只承受轴向力
径向力+轴向力
调心轴承（a=0°）
深沟球轴承
圆柱滚子轴承
滚针轴承
调心球轴承
调心滚子轴承
角接触球轴承
圆锥滚子轴承
推力球轴承
单
列
双
列
推力圆柱滚子轴承
知识点3：滚动轴承类型的选择
选择依据：根据载荷大小、性质、轴承的转速、调心性能、安装和拆卸、
价格等确定轴承的类型。其中，载荷(包括大小和方向)、转速的
大小一般是最主要的依据。
（1）载荷的大小、方向和性质
载荷大小
小
球轴承（点接触）
滚子轴承（线接触）
大
载荷方向
Fr
深沟球轴承、圆柱滚子轴承
推力球轴承、推力滚子轴承
Fr、Fa
Fa
角接触球轴承、圆锥滚子轴承
载荷性质
平稳
球轴承
滚子轴承
冲击
（2）转速和旋转精度
1）球轴承的极限转速和旋转精度比滚子轴承的高，推力轴承的极限转速低，整体保持架的极限转速比分离的高。
2）高速、轻载时，选用球轴承。低速、重载时，选用滚子轴承。
（3）调心性能
当轴承座孔不同轴、轴挠曲变形大、多支点时，要求内外圈相对偏转一定角度仍可正常运转，选用调心轴承。
（4）其他
1）装拆方便：内外圈可分离的轴承有圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承。
2）价格：球轴承的价格比滚子轴承低。精度低的轴承价格低。
滚动轴承
类型选择
高速、平稳、低载
选用深沟球轴承
选用滚子轴承
径向和轴向载荷
较大
载荷较大、有冲击
转速较低
选用圆锥滚子轴承
转速较高
选用角接触球轴承
轴向载荷>径向载荷
选用推力轴承和向心轴承的组合
知识点4：滚动轴承的代号
滚动轴承代号：表示其结构、尺寸、公差等级和技术性能等特性的产品
符号，由字母和数字组成。
前置代号 基本代号 后置代号
字母 分部件代号 字母和数字 ××× ×× ×× 字母和数字
内部结构代号
密封、防尘及外部形状代号
保持架结构、轴承材料代号
公差等级和游隙代号
其他代号

P 5
3 0 2 09
类型代号
宽度系列代号
直径系列代号
内径代号
（1）基本代号
表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础
表明轴承的内径、直径系列、宽度系列、类型
①
③
②
①内径尺寸代号
右起第1、2位数字
内径d: （即轴的直径）
00——10mm 01——12mm
02——15mm 03——17mm
04~99——数字x 5 mm
注：对于内径 (500mm，以及22mm、28mm、32mm的轴承，用公称内径数值直接表示，但在与尺寸系列代号之间用“/”分开
①
②尺寸系列代号
②
直径系列代号：第三位数字
指结构相同、内径相同的轴承使用不同直径的滚动体，在外径和宽度方面的变化系列
0,1—特轻 2—轻
3—中 4—重
直径系列代号、宽度系列代号
0,1
特轻
2
轻
5
轻宽
3
中
6
中宽
4
重
宽度系列代号：第四位数字，常与直径系列代号同时使用
表示同一内径和外径的轴承可以有不同的宽度
多数正常系列可不标
直径系列代号（外径 递增） 向心轴承 推力轴承 宽度系列代号（宽度→递增） 高度系列代号 （高度→递增） 8 0 1 2 3 4 5 6 7 9 1 2
尺寸系列号 7 — — 17 — 37 — — — — — — —
8 — 08 18 28 38 48 58 68 — — — —
9 — 09 19 29 39 49 59 69 — — — —
0 — 00 10 20 30 40 50 60 70 90 10 —
1 — 01 11 21 31 41 51 61 71 91 11 —
2 82 02 12 22 32 42 52 62 72 92 12 22
3 83 03 13 23 33 — — — 73 93 13 23
4 — 04 — 24 — — — — 74 94 14 24
5 — — — — — — — — — 95 — —
向心轴承、推力轴承尺寸系列代号
③类型代号
第五位(从右到左数)，用数字或字母表示
代号 轴承类型
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
8 推力圆柱滚子轴承
N 圆柱滚子轴承
NA 滚针轴承
③
（2）前置代号、后置代号
1）前置代号：成套轴承分部件，常用的几类滚动轴承，一般无前置代号。
2）后置代号：轴承内部结构、密封与防尘、保持架及其材料、轴承材料及
公差等级等。
示例：
6305
7212C
304/32
(/P0)
7211C/P5
深沟球轴承
直径系列为3(中),宽度系列为0(不标)
内径d=25mm
0级精度(不标)
角接触球轴承
直径系列为2(轻)
宽度系列为0(不标)
内径d =60mm
a=15
内径d=32mm
圆锥滚子轴承
宽度系列为0
直径系列为4(重)
5级精度
接触角15
直径55mm
正常宽度、轻系列
角接触球轴承
知识点4：滚动轴承的失效形式
1）疲劳点蚀
最主要的失效形式，滚动体表面、
套圈滚道都可能发生点蚀。
3）磨损、胶合、内外圈和保持架破
损等使用维护不当而引起的，属于
非正常失效。
2）过大塑性变形
低速轴承的主要失效形式，接触应力
过大（载荷过大或冲击载荷），元件
表面出现较大塑性变形。
知识点6：滚动轴承的组合设计
锥齿轮装配
组合设计的内容包括：固定、润滑与密封、配合与装拆。
（1）滚动轴承的轴向固定
①利用轴肩作单向固定，可承受较大的载荷
②利用轴肩和弹性挡圈作双向固定，但弹性挡圈只能承受较小的轴向载荷。
③利用轴肩和轴端挡板作双向固定，可承受中等的双向载荷。
④利用轴肩和圆螺母、止动垫圈作双向固定，可承受很大的双向载荷。
1）内圈与轴的轴向固定
2）外圈与轴的轴向固定
①利用轴承端盖对轴承外圈作单向固定，可承受很大的载荷。
②利用孔内凸肩和弹性挡圈对轴承外圈用双向固定，弹性挡圈只能承受较小的轴向载荷。
③利用孔内凸肩对轴承外圈作单向固定，可承受很大的单向载荷。
④为保证两端轴承座孔同一直径，加一套杯。套杯凸肩与端盖凸缘对轴承外圈作双向固定，可承受大的轴向载荷。
⑤通过轴承端盖上的调节螺钉压紧压盖（以调整向心角接触轴承的内部间隙），常用于较大型设备中。可承受大的轴向载荷。
3）轴系的轴向固定
作用：实际上是对整个轴系起固定作用，使轴系应有确定的位置，承受
轴向力，防止轴向窜动，防止温升后卡死，轴承游隙的调整。
固定方法： 两端固定、两端游动、一端固定一端游动
①两端固定
特点及应用：最常见的固定方式，两端的轴承各限制一个方向的轴向移动，适合于工作温升不高的短轴（跨距 L ≤ 400 mm）。
②一端固定、一端游动
特点及应用：适合于工作温升高的长轴（跨距 L ＞ 400 mm）。固定支点的轴承
内外圈左右均固定，承担双向轴向力。游动支点的轴承只承受径向力，
不承受轴向力。当轴受热伸长时，游动支点随轴一起向外移动，避免
轴承受到附加载荷作用，防止轴承卡住。
③两端游动
特点及应用：一根轴上的两个轴承都不进行轴向固定。主要用于人字齿轮传动中的小
齿轮轴。大齿轮轴进行了两端固定，小齿轮轴系的轴向位置约束靠人字
齿的形锁合来保证。
（2）滚动轴承的润滑与密封
目的：减少摩擦磨损、冷却、吸振、防锈。
方式：脂；浸油、滴油、喷油、油雾。
注：浸油润滑时，油面不高于最下方滚动体的中心
1）润滑
2）密封
目的：防尘、防水、防止润滑剂流失。
（3）滚动轴承的配合与拆装
轴承的配合：轴承内孔与轴颈的配合、轴承外圈与箱体孔的配合。
配合方法：内圈与轴颈配合：采用基孔制。
外圈与座孔配合：采用基轴制。
配合选择原则：转速愈高、负荷愈大或工作温度愈高处应采用紧一些的配合；
而经常装拆的轴承或游动套圈则采用较松的配合。
1）配合
2）拆装
(a)安装
①装拆时不损坏轴承，也不能损坏其他零件。
②安装力或拆卸力不通过滚动体传递。
③轴肩高度应低于轴承内圈厚度 拆卸时不损坏。
④轴肩开槽。
⑤轴承内圈Ｒ＞轴肩处ｒ。
⑥安装轴承的轴段不宜过长 易装易拆。
(c) 轴肩开槽
(b)拆卸
解释标记、代号的含义。
1、一直齿圆柱齿轮减速器，轴的转速较高，载荷较小，运转平稳，应选用哪类轴承比较合适？
2、一圆锥齿轮减速器，轴的转速一般，载荷较大、有冲击，应选用哪类轴承比较合适？

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