軸和軸承的設計與配合(總論)

傳動零件必須被支承起來才能進行工作，支承傳動件的零件稱為軸。軸本身又必須被支承起來，軸上被支承的部分稱為軸頸，支承軸的支座稱為軸承。

輪轂與軸之間的連接稱為軸轂連接，常用的有鍵連接和花鍵連接，還有銷連接、過盈配合連接等，這些連接均屬于可拆連接。本章僅討論階梯的設計計算和鍵連接。

9.1    概      述

軸是組成機器的重要零件之一，軸的主要功用是支承旋轉(zhuǎn)零件、傳遞轉(zhuǎn)矩和運動。軸工作狀況的好壞直接影響到整臺機器的性能和質(zhì)量。

根據(jù)軸的承載性質(zhì)不同可將軸分為轉(zhuǎn)軸、心軸、傳動軸三類。工作時既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸（見圖9.1）。轉(zhuǎn)軸是機器中最常用的軸，通常簡稱為軸。用來支承轉(zhuǎn)動零件，只承受彎矩而不傳遞轉(zhuǎn)矩的軸稱為心軸。心軸有固定心軸與旋轉(zhuǎn)心軸兩種。固定心軸工作時不轉(zhuǎn)動，軸上承受的彎曲應力是不變的（為靜應力狀態(tài)），例如圖9.2中自行車的前輪軸等。旋轉(zhuǎn)心軸工作時隨轉(zhuǎn)動件一起轉(zhuǎn)動，軸上承受的彎曲應力按對稱循環(huán)的規(guī)律變化，如圖9.3中鐵路機車的輪軸。主要用于傳遞轉(zhuǎn)矩而不承受彎矩，或所承受的彎矩很小的軸稱為傳動軸（見圖9.4），如汽車中連接變速箱與后橋之間的軸。

根據(jù)曲線的形態(tài)不同，軸又可分為直軸（圖9.5）、曲軸（9.6）和撓性鋼絲軸（圖9.7）。后兩種軸屬于專用零件。

直軸按其外形的不同又可分為光軸（圖9.5a）和階梯軸（圖9.5b）兩種。光軸形狀簡單、加工容易、應力集中源少，主要用于傳動軸。階梯軸各軸段截面的直徑不同，這種設計使軸段的強度相近，而且便于軸上零件的裝拆和固定，因此階梯軸在機器中的應用最為廣泛。直軸一般都制成實心軸，但為了減輕重量或為了滿足有些機器結構上的需要，也可以采用空心軸（圖9.5c）。

9.2   軸的結構設計

圖9.8所示為圓柱齒輪減速器中的低速軸。軸通常由軸頭、軸頸、軸肩、軸環(huán)、軸端及不裝任何零件的軸段等部分組成。軸與軸承配合處的軸段稱為軸頸，根據(jù)軸頸所在的位置又可分為端軸頸（位于軸的兩端，只承受彎矩）和中

軸頸（位于軸的中間，同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩）。根據(jù)軸頸所受載荷的方向，軸頸又分為承受徑向力和徑向軸頸（簡稱軸頸）和承受軸向力的止推軸頸。安裝輪轂的軸段稱為軸頭。軸頭與軸頸間的軸段稱為軸身（參見圖9.1）。

軸的結構和形狀取決于下面幾個因素：（1）軸的毛坯種類；（2）軸上作用力的大小及其分布情況；（3）軸上零件的位置、配合性質(zhì)以及連接固定的方法；（4）軸承的類型、尺寸和位置；（5）軸的加工方法、裝配方法及其他特殊要求?？梢娪绊戄S的結構與尺寸的因素很多，設計軸時要全面綜合地考慮各種因素。

對軸的結構進行設計主要是確定軸的結構形狀和尺寸。一般在進行結構設計時的已知條件有：機器的裝配簡圖，軸的轉(zhuǎn)速，傳遞的功率，軸上零件的主要參數(shù)和尺寸等。

9.2.1軸的強度、剛度

軸的強度與工作應力的大小和性質(zhì)有關。因此在選擇軸的結構和形狀時應注意以下幾個方面。

1、使軸的形狀接近于等強度條件，以充分利用材料的承載能力。對于只受轉(zhuǎn)矩的傳動軸，為了使各軸段剖面上的剪應力大小相等，常制成光軸或接近于光軸的形狀；對于受交變彎曲載荷的軸應制成曲線形（圖9.9），實際生產(chǎn)中一般制成階梯軸。

2、盡量避免各軸段剖面突然改變以降低局部應力集中，提高軸的疲勞強度。由于階梯軸各軸段的剖面是變化的，在各軸段過渡處必然存在應力集中，而降 低軸的疲勞強度。為減少應力集中，常將過渡處制成適當大的圓角，并應盡量避免在軸上開孔或開槽，必要時可采用減載槽、中間環(huán)或凹切圓角等結構（圖9.10）。采用這些方法也可以避免軸在熱處理時產(chǎn)生淬火裂紋的危險。

由于粗糙表面易引起疲勞裂紋，設計時應十分注意軸表面粗糙度的選擇?？刹捎媚雺?、噴丸、滲碳淬火、氮化處理、高頻淬火等表面強化方法提高軸的疲勞強度。

3、改變軸上零件布置，有時可以減少軸上的載荷。如圖9.11a所示的軸，軸上作用的最大轉(zhuǎn)矩為T₁+T₂，如把輸入輪布置在兩輸出輪之間（圖9.11b），則軸所受的最大轉(zhuǎn)矩將由（T₁+T₂）降低到T₁。

4、改進軸上零件的結構也可以減小軸上的載荷。如圖9.12所示，卷筒的輪轂很長，如把輪轂分為兩段（圖9.12a），則減少了軸的彎矩，從而提高了軸的強度和剛度，同時還能得到更好的軸孔配合。

9.2.2零件在軸上的固定

零件在軸上的固定或連接方式隨零件的作用而異。固定的方法不同，軸的結構也就不同。一般情況下，為了保證零件在軸上的工作位置固定，應在周向和軸向上對零件加以固定。

1.軸上零件的軸向定位與固定

零件在軸上應沿軸向準確地定位和可靠地固定，以使其具有確定的安裝位置并能承受軸向力而不產(chǎn)生軸向位移。

常用的軸向固定方法有軸肩、軸環(huán)定位、螺母定位、套筒定位及軸端擋圈定位等。軸上零件的軸向定位和固定方法主要取決于軸向力的大小。當零件所受軸向力大時，常用軸肩、軸環(huán)、過盈配合等方式；受中等軸向力時，可用套筒、圓螺母、軸端擋圈、圓錐面和圓錐銷釘?shù)确绞?；所受的軸向力大小時，可用彈簧擋圈、擋環(huán)、緊定螺釘?shù)确绞?。選擇時，還應考慮軸的制造及零件裝拆的難易、所占位置的大小、對軸強度的影響等因素。

軸肩由定位面和圓角組成，如圖9.13所示。為了保證軸上零件的端面能緊靠定位面，軸肩的內(nèi)圓角半徑r應小于零件上的外圓角半徑R或倒角C。R和C的尺寸可查有關的機械設計手冊。一般取軸肩高度h=R（C）+（0.5～2）mm，軸環(huán)寬度b≈1.4h。

用軸肩或軸環(huán)固定零件時，常需采用其他附件來防止零件向另一方向移動，如圖9.14中采用圓螺母、圖9.8中采用套筒（軸套）作另一方向的軸向固定。但當軸的轉(zhuǎn)速很高時不宜采用套筒固定。在安裝齒輪時為了使齒輪固定可靠，應使齒輪輪轂寬度大于與之相配合的軸段長度，一般兩者的差取2～3mm。

當軸向力不大而軸上零件間的距離較大時，可采用彈性擋圈固定，如圖9.15所示。當軸向力很小，轉(zhuǎn)速很低或僅為防止零件偶然沿軸向滑動時，可采用緊定螺釘固定，如圖9.16所示。

軸向固定有方向性，是否需在兩個方向上均對零件進行固定應視機器的結構、工作條件而定。

圖9.17所示壓板是一種軸端固定裝置。除壓板外還有很多其他的軸端固定型式。

另外，為保證軸上零件有確定的工作位置，有時要求軸組件的軸向位置能進行調(diào)整，調(diào)整后再加以軸向固定。如圖9.8所示的低速軸組件，其軸向位置依靠左右軸承蓋來限制。又如在錐齒輪傳動中，要使錐齒輪的錐頂交于一點，就要依靠調(diào)整軸組件的位置來實現(xiàn)。這些對零件在軸上位置的限制和調(diào)整通常是依靠軸承組合的設計來實現(xiàn)的，有關內(nèi)容將在第15章中進一步討論。

2.軸上零件的周向固定

為了傳遞運動和轉(zhuǎn)矩，防止軸上零件與軸作相對轉(zhuǎn)動，軸和軸上零件必須可靠地沿周向固定（連接）。固定方式的選擇，則要根據(jù)傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、輪轂和軸的對中精度要求、加工的難易等因素來決定。常用的周向固定的方法有鍵連接、花鍵連接和過盈配合連接等。這些連接統(tǒng)稱為軸一轂連接，如圖9.8所示的齒輪與軸的周向固定采用了平鍵連接。

9.2.3軸的加工和裝配工藝性

軸的形狀要力求簡單，階梯軸的級數(shù)應盡可能少。軸頸、軸頭地直徑應取標準值。直徑的大小由與之相配合的零件的內(nèi)孔決定。軸身尺寸應取以mm為單位的整數(shù)，最好取為偶數(shù)或5進位的數(shù)。軸上各段的鍵槽、圓角半徑、倒角、中心孔等尺寸應盡可能統(tǒng)一，以利于加工和檢驗。軸上需磨削的軸段應設計出砂輪越程槽，需車制螺紋的軸段應有退刀槽，如圖9.18所示。當軸上有多處鍵槽時，應使各鍵槽位于軸的同一母線上（參見圖9.8）。為使軸便于裝配，軸端應有倒角。對于階梯軸常設計成兩端小中間大的形狀，以便于零件從兩端裝拆。軸的結構設計應使各零件在裝配時盡量不接觸其他零件的配合表現(xiàn)，軸肩高度不能妨礙零件的拆卸。

思考題9.1　圖9.19所示為二級齒輪減速器中間軸的結構，試指出圖中結構不合理的地方，并予以改正。

9.3   軸的強度計算與設計

9.3.1軸的扭轉(zhuǎn)強度計算

開始設計軸時，通常還不知道軸上零件的位置及支點位置，無法確定軸的受力情況，只有待軸的結構設計基本完成后，才能對軸進行受力分析及強度、剛度等校核計算。因此，一般在進行軸的結構設計前先按純扭轉(zhuǎn)受力情況對軸的直徑進行估算。

設軸在轉(zhuǎn)矩T的作用下，產(chǎn)生剪應力τ。對于圓截面的實心軸，其抗扭強度條件為：

式中T為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為N·mm；Wr為軸的抗扭截面系數(shù)，單位為mm³；P為軸所傳遞的功率，單位為kW；n為軸的轉(zhuǎn)速，單位為r/min；τ，［τ］分別為軸的剪應力，單位為MPa；d為軸的估算直徑，單位為mm。

軸的設計計算公式為

常用材料的［τ］值、C值可查表9.1。［τ］值、C值的大小的材料及受載情況關。當作用在軸上的彎矩比轉(zhuǎn)矩小，或軸只受轉(zhuǎn)矩時，［τ］值取較大值，C值取較小值，否則相反。

表9.1　常用材料的［τ］值和C值

由式（9.2）求出的直徑值，需圓整成標準直徑，并作為軸的最小直徑。如軸上有一個鍵槽，可將算得的最小直徑增大3%～5%，如有兩個鍵槽可增大7%～10%。

9.3.2軸的彎扭合成強度計算

完成軸的結構設計后，作用在軸上外載荷（轉(zhuǎn)矩和彎矩）的大小、方向、作用點、載荷種類及支點反力等就已確定，可按彎扭合成的理論進行軸危險截面的強度校核。

進行強度計算時通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，作用于軸上零件的力作為集中力，其作用點取為零件輪轂寬度的中點。支點反的作用點一般可近似地取在軸承寬度的中點上。具體的計算步驟如下：

（1）畫出軸的空間力系圖。將軸上作用力分解為水平面和垂直面分力，并求出水平面和垂直面上的支點反力。

（2）分別作出水平面上的彎矩（M_H）圖和垂直面上的彎矩（Mv）圖。

（3）計算出合成彎矩M＝ M²_H+M²v，繪出合成彎矩圖。

（4）作出轉(zhuǎn)矩（T）圖。

（5）計算當量彎矩Me＝ M²_H+（aT)²，繪出當量彎矩圖。式中α為考慮彎曲應力與扭轉(zhuǎn)剪力循環(huán)特性的不同而引入的修正系數(shù)。通常彎曲應力為對稱循環(huán)變化應力，而扭轉(zhuǎn)剪應力隨工作情況的變化而變化。對于不變轉(zhuǎn)矩取α＝［σ_-1b］/［σ_+1b］≈0.3；對于脈動循環(huán)轉(zhuǎn)矩取α＝［σ_-1b］/［σ_+0b］≈0.6；對于對稱循環(huán)轉(zhuǎn)矩取α＝1。其中［σ_-1b］、［σ_0b］、［σ_+1b］分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用彎曲應力，其值列于表9.2中。

對正反轉(zhuǎn)頻繁的軸，可將轉(zhuǎn)矩T看成是對稱循環(huán)變化。當不能確切知道載荷的性質(zhì)時，一般軸的轉(zhuǎn)矩可按脈動循環(huán)處理。

（6）校核危險截面的強度。根據(jù)當量彎矩圖找出危險截面，進行軸的強度校核，其公式如下：

式中W為軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm³;M、T、Me的單位均為N·mm；d的單位為mm；σe為當量彎曲應力，單位為MPa。

表9－2軸的許用彎曲應力

思考題9.2  如果設計的軸徑經(jīng)校核后發(fā)現(xiàn)強度不夠，可采取哪些措施提高軸的強度？

9.3.3  軸的剛度計算

軸受載荷的作用后會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，如變形過大會影響軸上零件的正常工作，例如裝有齒輪的軸，如果變形過大會使嚙合狀態(tài)惡化。因此對于有剛度要求的軸必須要進行軸的剛度校核計算。軸的剛度有彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度兩種，下面分別討論這兩種剛度的計算方法。

1.軸的彎曲剛度校核計算

應用材料力學的計算公式和方法算出軸的撓度γ或轉(zhuǎn)角θ，并使其滿足下式

　　　　　　　　　　　　γ≤［γ］　　　　　　　　　　?。?span lang="EN-US">14.4）

　　　　　　　　　　　　θ≤［θ］　　　　　　　　　　　（14.5）

式中［γ］、［θ］分別為許用撓度或許用轉(zhuǎn)角，其值列于表9.3中。

表9.3軸的許用變形量

2.軸的扭轉(zhuǎn)剛度校核計算

應用材料力學的計算公式和方法算出軸每米長的扭轉(zhuǎn)角φ，并使其滿足下式

　　　　　　　　　　　　　　　　φ＝［φ］　　　　　?。?span lang="EN-US">9.6）

式中［φ］為軸每米長的許用扭轉(zhuǎn)角。一般傳動的［φ］值列于表9.3中。

9.3．4軸的材料及選擇

軸的材料主要采用碳素鋼和合金鋼。軸的毛坯一般采用碾壓件和鍛件，很少采用鑄件。由于碳素鋼比合金鋼成本低，且對于應力集中的敏感性較小，所以得到廣泛的應用。

常用的碳素鋼有30、40、50鋼等，其中最常用的為45鋼。為保證軸材料的機械性能，應對軸材料進行調(diào)質(zhì)或正火處理。軸受載荷較小或用于不重要的場合時，可普通碳素鋼（如Q235A、Q275等）作為軸的材料。

合金鋼具有較高的機械性能，可淬火性也較好，可以在傳遞大功率，要求減輕軸的重量和提高軸頸耐磨性時采用，如20Cr，40Cr等。

軸也可以采用合金鑄鐵或球墨鑄鐵制造，其毛坯是鑄造成型的，所以易于得到更合理的形狀。合金鑄件和球墨鑄鐵的吸振性高，可用熱處理方法提高材料的耐磨性，材料對應力集中的敏感性也較低。但是鑄造軸的質(zhì)量不易控制，可靠性較差。

表9.4　軸的常用材料及其部分機械性能

9.3．5軸的設計

通?，F(xiàn)場對于一般軸的設計方法有類比法和設計計算法兩種。

1.類比法

這種方法是根據(jù)軸的工作條件，選擇與其相似的軸進行類比及結構設計，畫出軸的零件圖。用類比法設計軸一般不進行強度計算。由于完全依靠現(xiàn)有資料及設計者的經(jīng)驗進行軸的設計，設計結果比較可靠、穩(wěn)妥，同時又可加快設計進程，因此類比法較為常用，但有時這種方法也會帶有一定的盲目性。

2.設計計算法

用設計計算法設計軸的一般步驟為：

（1）根據(jù)軸的工作條件選擇材料，確定許用應力。

（2）按扭轉(zhuǎn)強度估算出軸的最小直徑。

（3）設計軸的結構，繪制出軸的結構草圖。具體內(nèi)容包括以下幾點：

1）根據(jù)工作要求確定軸上零件的位置和固定方式；

2）確定各軸段的直徑；

3）確定各軸段的長度；

4）根據(jù)有關設計手冊確定軸的結構細節(jié)，如圓角、倒角、退刀槽等的尺寸。

（4）按彎扭合成進行軸的強度校核。一般在軸上選取2～3個危險截面進行強度校核。若危險截面強度不夠或強度太大，則必須重新修改軸的結構。

（5）修改軸的結構后再進行校核計算。這樣反復交替地進行校核和修改，直至設計出較為合理的軸的結構。

（6）繪制軸的零件圖。

需要指出的是：（1）一般情況下設計軸時不必進行軸的剛度、振動、穩(wěn)定性等校核。如需進行軸的剛度校核時，也只作軸的彎曲剛度校核。（2）對用于重要場合的軸、高速轉(zhuǎn)動的軸應采用疲勞強度校核計算方法進行軸的強度校核。具體內(nèi)容可查閱機械設計方面的有關資料。

例9.1設計圖9.20所示的斜齒圓柱齒輪減速器的從動軸（Ⅱ軸）已知傳遞功率P＝8kW,從動齒輪的轉(zhuǎn)速n=280r/min，分度圓直徑d=265mm，圓周力F₁＝2059N，徑向力F_r＝763.8N，軸向力F_a＝405.7N。齒輪輪轂寬度為60mm，工作單向運轉(zhuǎn)，軸承采用深溝球軸承。

解

（1）選擇軸的材料，確定許用應力

由已知條件知減速器傳遞的功率屬中小功率，對材料無特殊要求，故選用45鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。由表9.4查得強度極限σ_B＝650MPa，再由表9.2得許用彎曲應力［σ_-1b］＝60MPa。

（2）按扭轉(zhuǎn)強度估算軸徑

根據(jù)表9.1得C＝118～107。又由式（9.2）得：

考慮到軸的最小直徑要安裝聯(lián)軸器，會有鍵槽存在，故將估算直徑加大3%～5%，取為33.68～37.91mm。由設計手冊取標準直徑d₁＝35mm。

（3）設計軸的結構并繪制結構草圖

由于設計的是單級減速器，可將齒輪布置在箱體內(nèi)部中央，將軸承對稱安裝在齒輪兩側(cè)，軸的外伸端安裝半聯(lián)軸器。

1）確定軸上零件的位置和固定方式　要確定軸的結構形狀，必須先確定軸上零件的裝配順序和固定方式。這樣齒輪在軸上的軸向位置被完全確定。齒輪的周圍固定采用平鍵連接。軸承對稱安裝于齒輪的兩側(cè)，其軸向用軸肩固定，周向采用過盈配合固定。

2）確定各軸段的直徑　如圖9.21a所示，軸段①（外伸端）直徑最小，d₁＝35mm；考慮到要對安裝在軸段①上的聯(lián)軸器進行定位，軸段②上應有軸肩，同時為能很順利地在軸段②上安裝軸承，軸段②必須滿足軸承內(nèi)徑的標準，故取軸段②的直徑d₂＝40mm；用相同的方法確定軸段③、④的直徑為d₃＝45mm，d₄＝55mm；為了便于拆卸左軸承，可查出6208型滾動軸承的安裝高度為3.5mm，取d₅＝47mm。

3）確定各軸段的長度　齒輪輪轂寬度為60mm，為保證齒輪固定可靠，軸段③的長度應略短于齒輪輪轂寬度，取為58mm；為保證齒輪端面與箱體內(nèi)壁不相碰，齒輪端面與箱體內(nèi)壁間應留有一定間距，取該間距為15mm；為保證軸承安裝在箱體軸承座孔中（軸承寬度為18mm），并考慮軸承的潤滑，取軸承端面距箱體內(nèi)壁的距離為5mm，所以軸段④的長度取為20mm，軸承支點距離ι＝118mm；根據(jù)箱體結構及聯(lián)軸器距軸承蓋要有一定距離的要求，取ι′＝75mm；查閱有關的聯(lián)軸器手冊取ι″為70mm；在軸段①、③上分別加工出鍵槽，使兩健槽處于軸的同一圓柱母線上，鍵槽長度比相應的輪轂寬度小約5～10mm，鍵槽的寬度按軸段直徑查手冊得到，詳見9.6節(jié)。

4）選定軸的結構細節(jié)，如圓角、倒角、退刀槽等的尺寸。

按設計結果畫出軸的結構草圖（見圖9.21a）

1）畫出軸的受力圖（圖9.21b）

2）作水平面內(nèi)的彎矩圖（圖9.21c）。支點反力為

9.4    軸    承

9.4.1  滾動軸承

一、軸承的功用和類型

軸承的功能是支承及軸上零件，保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，減少轉(zhuǎn)軸與支承之間的摩擦和磨損。

根據(jù)支承處相對運動表面的摩擦性質(zhì)，軸承分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承，分別簡稱為滑動軸承和滾動軸承，如圖9.22和圖9.23所示。

9.4.2　滾動軸承的組成、類型及特點

一、9.4.2.1滾動軸承的組成

滾動軸承一般由內(nèi)圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成，如圖9.24所示。內(nèi)，圈裝在郵頸上，外圈裝在機座和零件的郵承孔內(nèi)。多數(shù)情況下，外圈不轉(zhuǎn)動，內(nèi)圈與軸一起轉(zhuǎn)動。當內(nèi)外圈之間相對旋轉(zhuǎn)時，滾動體沿著滾道滾支。保持架使?jié)L動體均勻分布在滾道上，并減少滾動體之間的碰撣撞和磨損。

常的滾動體有6種形狀，如圖9.25所示。

滾動軸承的內(nèi)外圈和滾動體應具有較高的硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。一般用特殊軸承鋼制造，常用材料有要：GCr15、GCr15siMn、GCr6、GCr9等，經(jīng)熱處理后硬度可達60～65HRC。滾動軸承的工作表面必須經(jīng)磨削拋光，以提高其接觸疲勞強度。

保持架多用低碳鋼板通過沖壓成型方法制造，也可采用有色金屬或塑料等材料。

為適應某些特殊要求，有些滾動軸承還要附加其他特殊元件或采用特殊結構，如軸承無內(nèi)圈或外圈、帶有防塵密封結構或在外圈上加止動環(huán)等。

滾動軸承具有摩擦阻力小、啟動靈敏、效率高、旋轉(zhuǎn)精度高、潤滑簡便和裝拆方便等優(yōu)點，廣泛應用于各種機器和機構中。

滾動軸承為標準零部件，由軸承廠批量生產(chǎn)、設計者可根據(jù)需要直接選用。

二、滾動軸承的類型及特點

滾動軸承按結構特點的不同有多類方法，各類軸承分別適用于不同載荷、轉(zhuǎn)速及特殊需要。

1、按所能承受載荷的方向或公稱接觸角的不同可分為向凡軸承和推力軸承（見表9.5）。

表中的α為滾動體與套圈接觸的公法錢與軸承徑向平面（垂直于軸承軸心線的平面）之間的夾角，稱為公稱的接觸角。

向心軸承又可分為徑向接觸軸和向心角接觸軸承。徑向接觸軸承的公稱接觸角α＝0°，主要承受徑向載荷，有些可承受較小的軸向載荷；向心角接觸軸承公稱接觸角α的范圍為0°～45°，能同時承受徑向載荷和軸向載荷。

推力軸承又可分為推力角接觸軸承和軸向接觸軸承。推力角接觸軸承α的范圍為45°～90°，主要承受軸向載荷，也可以承受較小的徑向載荷；軸向接觸軸承的α＝90°，只能承受軸向載荷。

表9.５　各類軸承的公稱接觸角

2、按滾動體的種類可分為球軸承和滾子軸承。

球軸承的滾動體為球，球與滾道表面的接觸為點接觸；滾子軸承的滾動體為滾子，滾子與滾道表面的接觸為線接觸。按滾子的形狀可分為圓柱滾子軸承、滾針軸承、圓錐滾子軸承調(diào)心滾子軸承。

在外廓尺寸相同的條件下，滾子軸承比球軸承的承載能力和耐沖擊能力都好，但球軸承摩擦小，高速性能好。

3、按工作時能否調(diào)心可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。調(diào)心軸承允許偏位角大。

4、按安裝軸承時其內(nèi)、處圈可否分別安裝，分為可分離軸承和不可分離軸承。

5、按公差等級可分為0、6、5、4、2級滾動軸承，其中2級精度最高，0級為普通級。另外還有只用于圓錐滾子軸承的6X公差等級。

6、按運動方式可分為回轉(zhuǎn)運動軸承和直線運動軸承。

常用滾動軸承的類型、代號及特性列于表9.6中。

表9.6　常用滾動軸承的類型、代號及特性簡表

9.4.3滾動軸承的代號

注：1、極限轉(zhuǎn)速比：同尺寸系列各類軸承的極限轉(zhuǎn)速與深溝球軸承極限轉(zhuǎn)速之比（脂潤滑同，0級精度），比值介于90%～100%為高，比值介于60%～90%為中，比值＜60%為低；

2、基本額定動載荷比：同尺寸系列各類軸承的基本額定動載荷與深溝球軸承的基本額定動載荷之比。

9.4.3滾動軸承的代號

滾動軸承代號是表示其結構、尺寸、公差等級和技術性能等特征的產(chǎn)品符號，由字母和數(shù)字組成。按GB/T272－93的規(guī)定，軸承代號由基本代號、前置代號和后置代號構成，其表達方式如表9-7所列。

表9.7軸承代號的構成

一、基本代號

基本代號表示軸承的基本類型、結構和尺寸，是軸承代號的基礎?；敬栍奢S承類型代號、尺寸系列代號及內(nèi)徑代號三部分構成。

1、類型代號　　用數(shù)字或大寫拉丁字母表示，如表9-8所列。

表9.8　一般滾動軸承類型代號

2、尺寸系列代號　由軸承的寬（高）度系列代號和直徑系列代號組合而成，見表9.9。

表9.9　向心軸承、推力軸承尺寸系列代號

注：尺寸系列代號由軸承的寬（高）度系列代號和直徑系列代號組合而成。

直徑系列代號一內(nèi)徑相同的同類軸承有幾種不同的外徑和寬度，如圖9.26所示。寬度系列代號表示內(nèi)、外徑相同的同類軸承寬度的變化。

3、內(nèi)徑代號　表示軸承的內(nèi)徑尺寸，如表9-10所列。

二、前置代號和后置代號

前置代號和后置代號是當軸承的結構形狀、公差、技術要求等有改變時，在軸承基本代號上左右添加的補充代號，其代號及含義如表9-11所列。

后置代號用字母或字母加數(shù)字表示。內(nèi)部結構代號及含義如表9.12所列；公差等級代號及含義如表9-13所列；游隙代號及含義如表9.14所列；配置代號及含義如表9-15所列。

有關后置代號的其他內(nèi)容可查閱軸承標準及設計手冊

表9.10軸承內(nèi)徑代號

表9.11前置、后置代號

表9.12后置代號的內(nèi)部結構代號及含義

*加強型（即為內(nèi)部結構設計改進），增大軸承承載能力的軸承

表9.13后置代號民中的公差等級代號及其含義（摘錄）

表9.14后置代號中的游隙代號及其含義（摘錄）

表9.15后置代號中的配置代號及其含義（摘錄）

  滾動軸承代號示例：

70908/p5

7――軸承類型為角接觸軸承；

19――尺寸系列代號。1為寬度系列代號，9為直徑系列代號；

08――內(nèi)徑代號，d=40mm；

P5――公差等級為5級。

6204

6――軸承類型為深溝球軸承；

（0）2――尺寸系列代號，寬度系列代號為0（省略），2為直徑系列代號；

04――內(nèi)徑代號，d=20mm；

公差等級為0級（公差等級代號/P0省略）。

軸承代號中的基本代號最為重要，而7位數(shù)字中以右起頭4位數(shù)字最為常用。

9.4.4滾動軸承類型的選擇

一、影響軸承承載能力的參數(shù)　

1、游隙

內(nèi)、外圈滾道與滾動體之間的間隙為游隙，即為當一個座圈固定時，另一座圈沿徑向或軸向的最大移動量（通常用μ表示），如圖9.27所示。游隙可影響軸承的運動精度、壽命、噪聲和承載能力等。

2、極限轉(zhuǎn)速

滾動軸承在一定載荷和潤滑條件下，允許的最高轉(zhuǎn)速稱為極限轉(zhuǎn)速。滾動軸承轉(zhuǎn)速過高會使摩擦面間產(chǎn)生高溫，使?jié)櫥?，從而導致滾動體退火或膠合而產(chǎn)生破壞。各類軸承極限轉(zhuǎn)速數(shù)值可查軸手冊。

3、偏位角

安裝誤差或軸的變形等都會引起軸承內(nèi)外圈中心線發(fā)生相對傾斜，其價格體系角δ稱為偏位角。如圖9-28所示。各類軸承的允許偏位見表9.2。

4、接觸角

由軸承結構類型決定的接觸有稱為公稱接觸角，如表9-1所列。深溝球軸承（α＝0°）只承受徑向力時其內(nèi)外圈不會做軸向移動，故實際接觸角保持不變。如果作用有軸向力，F_α時（如圖9.29所示），其實接觸角不再與公稱接觸相同，α增大到α₁。對角接觸軸承而言，α值越大，則軸承承受軸向載荷的能力也越大。

二、滾動軸承類型的選擇

各類軸承的基本特點已在表9.2中進行了說明。選用軸承時，首先是選擇類型。選擇軸承類型應考慮多種因素，如軸承所受載荷的大小、方向及性質(zhì)；軸向的固定方式；轉(zhuǎn)速與工作環(huán)境；調(diào)心性能要求；經(jīng)濟性和其它特殊要求等。滾動軸承的選型原則可概括如下。

1、載荷條件

軸承承受載荷的大小、方向和性質(zhì)是選擇軸承類型的主要依據(jù)。載荷較大的應選用接觸的滾子軸承。受純軸向載荷時通常選用推力軸承；主要承受徑向載荷時應選用深溝軸承；同時承受徑向和軸向載荷時應選角接觸軸承；當軸向載荷比徑向載荷大很多時，常用推力軸承和深溝球軸承的組合結構；承受沖擊載荷時宜選用軸承。應該注意推力軸承不能承受徑向載荷，圓柱滾子軸承不能承受軸向載荷。

2、轉(zhuǎn)速條件

選擇軸承類型時應注意其允許的極限轉(zhuǎn)速n_lim。當轉(zhuǎn)速較高且旋轉(zhuǎn)精度要求較高時，應選用球軸承。推力軸承的極限轉(zhuǎn)速低。當工作轉(zhuǎn)速較高，而軸向載荷不大時，可采用接觸球軸承或深溝球軸承。對高速回轉(zhuǎn)的軸承，為減小滾動體施加于外圈滾道的離心力，宜選用外徑和滾動體直徑較小的軸承。若工作轉(zhuǎn)速超過軸承的極限轉(zhuǎn)速，可通過提高軸承的公差等級、適當加大其徑向游隙等措施來滿足要求。

3、裝調(diào)性能

3類（圓錐滾子軸承）和N類（圓術滾子軸承）的內(nèi)外圈可分離，便列裝拆。為方便安裝在長軸上軸承的裝拆和緊固，可選用帶內(nèi)錐孔和緊定套的軸承。

4、調(diào)心性能

軸承內(nèi)、外圈軸線間的偏位角應控制在極限值之內(nèi)，否則會增加軸承的附加載荷而降低其壽命。對于剛度差或安裝精度較差的軸組件，宜選用調(diào)心軸承，如1類（調(diào)心球軸承）、2類（調(diào)心滾子軸承）軸承。

5、經(jīng)濟性

在滿足使用要求的情況優(yōu)先選用價格低廉的軸承。一般球軸承的價格低于滾子軸承。軸在的精度越高價格越高。在同精度的軸承中深溝球軸承的價格最低。同型號不同公差等級軸承的價格比為：P0：P6：P5：P4＝1：1.5：1.8：6。選用高精度軸承時應進行性能價格比的分析。

9.5      滑動軸承概述

9.5.1滑動軸承的特點、應用及分類

工作時軸承和軸頸的支承面間形成直接或間接滑動摩擦的軸承，稱為滑動軸承。

滑動軸承包含的零件少，工作面間一般有潤滑油膜且為面接觸，所以它具有承載能力大、抗沖擊、噪聲低、工作平穩(wěn)、回轉(zhuǎn)精度高、高速性能好等獨特的優(yōu)點。缺點主要是啟動摩擦阻力大、維護比較復雜。

滑動軸承主要應用于以下幾種情況：（1）工作轉(zhuǎn)速極高的軸承；（2）要求軸的支承位置特別精確的軸承，以及回轉(zhuǎn)精度要求特別高的軸承；（3）特重型的軸承；（4）承受巨大的沖擊和振動載荷的軸承；（5）必須采用剖分結構的軸承；（6）要求徑向尺寸特別小以及特殊工作條件下的軸承。

滑動軸承本身的獨特優(yōu)點使其在某些場合占有重要地位，在金屬切削機床、汽輪機、航空發(fā)動機附件、鐵路機車及車輛、雷達、衛(wèi)星通訊地面站等方面得到廣泛的應用。

根據(jù)所承受載荷的方向，滑動軸承可分為徑向軸承（承受徑向載荷）、推力軸承（承受軸向載荷）兩大類。

根據(jù)軸組件及軸承裝拆的需要，滑動軸承可分為整體式和剖分式兩類。

根據(jù)軸頸和軸瓦間的摩擦狀態(tài)，滑動軸承可分為液體摩擦滑動軸承和非液體摩擦滑動軸承兩類。根據(jù)工作時相對運動表面間油膜形成原理的不同，液體摩擦滑動軸承又分為液體動壓潤滑軸承和液體靜壓潤滑軸承，簡稱動壓軸承和靜壓軸承。

9.5.2滑動軸承的典型結構

滑動軸承一般由軸承座、軸瓦、潤滑裝置和密封裝置等部分組成。

1、徑向滑動軸承

（1）整體式滑動軸承

圖9.30所示為整體式滑動軸承。軸承座用螺栓與機座連接，頂部裝有潤滑油杯，內(nèi)孔中壓入帶有油溝的軸套。

這種軸承結構簡單且成本低，但裝拆這種軸承時軸或軸承必須做軸向移動，而且軸承磨損后徑向間隙無法調(diào)整。因此這種軸承多用在間歇工作、低速輕載的簡單機械中，其結構尺寸已標準化。

（2）剖分式滑動軸承

圖9.31所示為剖分式滑動軸承。軸瓦和軸承座均為剖分式結構，在軸承蓋與軸承座的剖分面上制有階梯形定位止口，便于安裝時對心。軸瓦直接支承軸頸，因而軸承蓋應適度壓緊軸瓦，以使軸瓦不能在軸承孔中轉(zhuǎn)動。軸承蓋上制有螺紋孔，以便安裝油杯或油管。

剖分式滑動軸承克服了整體式軸承裝拆不便的缺點，而且當?shù)剌S瓦工作面磨損后，適當減薄剖分面間的墊片并進行刮瓦，就可調(diào)整頸與軸瓦的間隙。因此這種軸承得到了廣泛應用并且已經(jīng)標準化。

2、推力滑動軸承

推力滑動軸承受軸向載荷。常用的非液體摩擦推力軸承又稱為普通推力軸承，有立式和臥式兩種，如圖9.32、圖9.33所示。推力滑動軸承和徑向軸承聯(lián)合使用時間可以承受復合載荷。

常見的推力軸頸形狀如圖9.34所示。實心端面軸頸由于工作時軸心與邊緣磨損不均勻，以致軸心部分壓強極高，潤滑油容易被擠出，所以極少采用。在一般機器上大多采用空心端面軸頸和環(huán)狀軸頸。載荷較大時采用多環(huán)軸頸，多環(huán)軸頸還能承受雙向軸向載荷。軸頸的結構尺寸可查有關手冊。

9.5.3 軸瓦的結構與滑動軸承的材料

軸瓦是滑動軸承中直接與軸頸接觸的零件。由于軸瓦與軸頸的工作表面之間具有一定的相對滑動速度，因而從摩擦、磨損、潤滑和導熱等方面都對軸瓦的結構和材料提出了要求。

1、軸瓦的結構

常用的軸瓦結構有整體式和剖分式兩類。

整體式軸承采用整體式軸瓦，整體式軸瓦又稱軸套，分為光滑軸套和帶縱向油槽軸套兩種，如圖9.35所示。

剖分式軸承采用剖分式軸瓦。圖9.36a所示為無軸承襯的剖分式軸瓦。若在軸瓦內(nèi)表面澆注一層或兩層軸承合金作為軸承襯，則稱為雙金屬軸瓦或三金屬軸瓦。圖9.41b所示為內(nèi)壁有軸承襯的雙金屬軸瓦。

為了使軸承襯與軸瓦結合牢固，可在軸瓦基體內(nèi)壁制出溝槽，使其與合金軸承襯結合更牢。溝槽形式如圖9.37所示。

為了使?jié)櫥湍芫鶆蛄鞯秸麄€工作表上，軸瓦上要開出油溝，油溝和油孔應開在非承載區(qū)，以保證載區(qū)油膜的連續(xù)性。油孔和油溝的分布形式如圖9.38所示。

2、軸承材料

軸承材料指的是軸瓦和軸承襯所采用的材料。

根據(jù)軸瓦的失效形式及工作時瓦不損傷軸頸的原則，對軸承材料的性能有如下要求：

（1）具有足夠的抗沖擊、抗壓、抗疲勞強度；（2）具有良好的減摩性、耐磨性和耐磨性。材料的摩擦阻力小，抗粘著磨損和磨粒磨損的性能好；（3）具有良好的順應性和嵌藏性，具有補償對中誤差和其他幾何誤差及容納污物和塵粒的能力；（4）具有良好的工藝性、導熱性和耐腐蝕性。

實際當中沒有一種軸瓦材料能全面具備上述所有性能，因此必須根據(jù)具體情況合理選材，保證其主要性能。

常用軸承材料有金屬材料、粉末冶金材料和非金屬材料三大類。

（1）金屬材料

1）軸承合金（又稱巴氏合金、白合金）　是由錫、鉛、銻、銅等組成的合金。它的減摩性、耐磨性、順應性、嵌藏性、磨合性都很好，但價格較高、強度較低，因此常用作軸承襯材料。

2）銅合金　是傳統(tǒng)的軸瓦材料，品種很多，可分為青銅和黃銅兩類。常用的錫青銅強度高、減摩性和耐磨性都很好。鉛青銅有較好的抗膠合能力且強度高，但順應性、減摩性、嵌藏性稍差，一般用作軸承襯材料。鑄造黃銅減摩性不及青銅，但易于鑄造及加工，常用于低速軸承。

3）鑄鐵　有普通灰鑄鐵、球墨鑄鐵等。鑄鐵軸瓦的主要優(yōu)點是價廉，常用在輕載、低速場合。

（2）粉末冶金材料　粉末冶金材料是由銅、鐵、石墨等粉末經(jīng)壓制、燒結而成的多孔隙軸瓦材料，常用于制作軸套。適用于輕載、低速和加油不方便的場合。

（3）非金屬材料　可用作軸瓦的非金屬材料有工程塑料、硬木、橡膠和石墨等，其中工程塑料得最多。

常用金屬材料的使用性能見表9.16。

表9.16　常用金屬軸瓦材料的使用性能

9.5.4滑動軸承的潤滑

滑動軸承的潤滑主要是為了減少摩擦和磨損，同時還可以起到冷卻、吸振、防塵和防銹等作用。

1、潤滑劑及其選擇

滑動軸承中常用的潤滑劑為潤滑油和潤滑脂，其中潤滑油應用最廣。在某些特殊場合也可使用石墨、二硫化鉬、水或氣體等作潤滑劑。

（1）潤滑油

潤滑油的選擇應考慮軸承的載荷、速度、工作情況以及摩擦表面的狀況等條件。對于載荷大、溫度高的軸承，宜選用粘度大的油；反之宜選用粘度小的油。對于非液體摩擦滑動軸承可參考表9.17選用潤滑油。

（2）潤滑脂

對于潤滑要求不高、難以經(jīng)常供油或擺動工作的非液體摩擦滑動軸承，可采用潤滑脂潤滑。具體可根據(jù)工作條件參考表9.18選用。

表9.17　滑動軸承潤滑油的選擇(工作溫度10℃～60℃)

2、潤滑裝置及潤滑方法

為了獲得良好的潤滑效果，除應正確地選擇潤滑劑外，還應選用合適的潤滑方法和潤滑裝置。常用的潤滑方法有：

表9.18根據(jù)工作條件推薦選用的滑動軸承潤滑脂的品種和牌號