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1、机 械 设 计 基 础 总复习 北京理工大学 机械与车辆学院,第一章 概 论,一、载荷和应力分析 问： a 、 m 、 max 、 min 、 r参数各代表什么？ 绘图说明当m =250MPa， r= 0.25时，应力随着时间 的变化曲线，这是什么应力？ 答： 应 力 幅： a =（max - min）/ 2 平均应力： m =（max + min）/ 2 最大应力： max 最小应力： min 应力特性系数：r = min / max,由：m =（max + min）/ 2 = 250（MPa ） ， r = min / max = 0.25， 求得 max = 400 （MPa ） min
2、 = 100 （MPa ） 为一般脉动循环变应力！,二、 机器的组成 （以汽车为例） 1、动力部分 提供动力（发动机） 2、传动部分 提供变速、改变运动方向或运动形式等 （变速箱、传动轴、离合器） 3、工作部分 直接完成设计者的构想，代替或减轻人类的 工作（车轮，转向器） 4、控制部分 使机器各部分运动协调。可以是手控、 电控、遥控等。 辅助系统：照明（前后灯，车内灯），信号（转 向灯、后尾红灯），显示（里程表、 油量表、速度表、电瓶电量表）等。,机器 机 （有能量转化） 构件 零件 械 机构 零件 （无能量转化） 信息机械 如计算机、电话机、传真机等 构件是机器运动的最小单元，零件是构成机械
3、的最小单元。部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制 造或独立装配的组合体，如减速器，离合器等,三、机械零件材料学基础,制造机械零件的材料用的最多的是金属材料，其次是非金属材料和复合材料。 一、金属材料 金属材料又分为黑色金属（如钢、铸铁等）和有色金属（如铜、铝、钛及其合金等）。 （一） 黑色金属 钢和铸铁都是铁碳合金，他们的区别主要在于含碳量的不同。含碳量小于2.1%的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.1%的铁碳合金称为铸铁。 1、钢 通常使用的钢，含碳量在0.05% 0.7%之间。 根据化学成分的不同，又可将钢分为碳素钢和合金钢。,（1）碳素钢 按照质量和用途，又可以分为： 1） 碳素结构钢
4、(GB/T 7002006) 普通碳素结构钢不需热处理，供货状态下可直接使用。 Q195、Q215、Q235-A F、Q235-B、Q235-C、 Q235-D、275 Q指屈服强度，后面的数字代表屈服强度数值。 2）优质碳素结构钢(GB/T 6991999) 含碳量低于0.25%的钢为低碳钢，其强度和硬度低，但塑性和焊接性能好，适用于冲压、焊接等方法成型。含碳量在0.25%0.6% 的钢为中碳钢，有良好的综合力学性能，应用最广，含碳量高于0.6%的钢为高碳钢，常用作弹性元件和易磨损元件。 优质碳素结构钢一般经过热处理，可获得较高的弹性极限和较高的屈服强度。（低碳钢不可以直接淬火） 08、08
5、F、15、20、20 A、 20Mn、45、45Mn、85 3）碳素工具钢(GB/T 12982008) 碳素工具钢一般经过热处理，可获得较高的力学性能 T7、T8A、T8Mn、T8MnA、T10A、T13、T13A,第二章 平面机构的结构分析 1、低副 通过面接触而组成的运动副。限制2个自由度 1）回转副 2）移动副 2、高副 通过点、 线 接触而组成的运动副。 限制1个自由度,3、运动链的自由度（活动度）数 F： F = 3n - 2PL - PH 式中：n：机构中可活动的构件数, PL：低副数 PH：高副数 4、 计算自由度时注意： a、复合铰：有K个构件在某一点联接，这一点就构成了K-
6、1个回转副，称为复合铰。 b、局部自由度：在运动链中， 与整个运动链无关的自由度 为 局部自由度。为改善受力状况 而设。,3、虚约束: 有些约束对机构的自由度是重复的，称为 虚约束！,机 构 具 有 确 定 运 动的条件： 在一个机构中，原动机输入机构的主动件数和机构的自由度数相等。,第三章 平面连杆机构,1、四杆机构的组成与基本形式 曲柄 连架 曲柄AB 能做整周转动 =360 摇杆 杆 摇杆CD 做一定角度的摆动 360 机 连杆BC 连接曲柄、摇杆间的运动 构 机架AD,为极位夹角，曲柄和连杆 共线时的夹角。摇杆摆角,2、压力角 和传动角 ,对曲柄摇杆机构进行受力分析时，可计算使 从动件
7、摇杆摆动的有效力：切向力 Ft =Fcos 而径向力 Fr =Fsin 实际中，希望Ft 大些， Fr小些。故 越小越好 传动角 = 90- 故 越大越好 （ 为连杆和摇杆夹角的锐角！）,3、曲柄存在的条件 1）四杆机构中，最长杆和最短杆之和小于其余 两杆长度之和。 2）曲柄为最短杆，且是连架杆或机架。 4、对四杆机构的判断： 在四杆机构中，没有曲柄存在，就是双摇杆 机构，若存在曲柄，哪一个是机架，就构成不 同的机构。,1）和最短杆相连的杆是机架，为曲柄摇杆机构。 2）最短杆是机架，为双曲柄机构。 3）最短杆对过的杆是机架，为双摇杆机构。,3、作图法设计四杆机构,已知： 摇杆长度 c 摇杆摆角
8、 行程速比系数 K,2、四杆机构有曲柄的条件,从动件的运动规律1、一次多项式等速运动规律在行程转折处，速度由正变负，加速度突变，从动件会产生很大惯性力，冲击和振动很大，称为刚性冲击。只适合于低速、轻载场合。 2、二次多项式等加速、等减速运动规律在行程转折处，速度由正变负，加速度也由正变负，但突变是一定值，惯性力也是有限值，会产生一定的冲击和振动，称为柔性冲击。 3、简谐运动规律 加速度是一余弦曲线，在连续升降的情况下，没有冲击。4、摆线运动规律 加速度是一正弦曲线，没有冲击。适合高速大功率下使用。,第四章 凸轮机构,1、压力角： 推杆的运动方向 和受力方向的夹角！ 2、位移：s 理论轮廓线到基
9、圆 之间的距离。 3、行程：h，即推杆最大位移,一定要注意： 基园，压力角等 都是在理论轮廓 线上！,偏置,第六章 齿轮传动圆柱齿轮,一、直齿圆柱齿轮主要参数（标准齿轮） 1、分度圆直径 d ： d = mz 2、齿顶圆直径 da：da=d+2ha = m(z+2ha* ) 3、齿根圆直径 df： df=d-2hf = mz-2(ha*+C*) 4、基圆直径 db: db = dcos 5、节圆直径 d ： d = db/cos cos =db/d 6、周节 p ： p=m，法向周节：pn=pb=m cos 标准齿轮标准安装，则节圆和分度圆重合 a=r1+r2 非标准安装 acos = aco
10、s 或者 i = z2/z1 = r2/r1 = r2/r1 a = r2 + r1,三、设计准则,在实际齿轮传动设计时，应针对齿轮传动的主要失效形式进行相应的计算。对于闭式软齿面齿轮传动，由于工作环境和润滑条件较好，主要失效形式为齿面失效，因此目前一般的设计方法是按齿面接触疲劳强度公式设计，然后再校核齿根的弯曲疲劳强度；而对于闭式硬齿面齿轮传动，由于主要失效形式是齿面磨损和轮齿断齿，一般按齿根弯曲疲劳强度公式设计，再按齿面接触疲劳强度公式进行校核。,而对于开式和半开式齿轮传动，由于主要失效形式是齿面磨损和断齿，通常齿面还未达到疲劳点蚀时,齿面就已经磨损,所以,一般按齿根弯曲疲劳强度公式设计，
11、为考虑齿面磨损的影响，将求得的模数适当增大15%到20%，可以不校核齿面接触疲劳强度。,二、斜齿圆柱齿轮受力分析 切向力: Ft1 = -Ft2 Ft1与n1相反,Ft2与n2相同 径向力：Fr1 = -Fr2 指向各自的圆心 轴向力: Fa1 = -Fa2 左右手定则,轴向力的判断用 左右手定则: 只适用主动齿轮,三、齿轮机构（II）锥齿轮 会进行锥齿轮的受力分析 切向力：主动轮与转动方向相反，从动轮与转动方向相同。 径向力：指向各自的圆心 轴向力：指向各自的大端,切向力： Ft1 = - Ft2 ， 径向力： Fr1 = - Fa2 轴向力， 轴向力： Fa1 = - Fr2 径向力。,主
12、平面：垂直与蜗轮的轴线并且通过蜗 杆的轴线。 1、正确啮合条件 ma1 = mt2 = m (标准值） a1 = t2 = (轴面=端面=标准） = （方向一致） (蜗杆螺旋线导程角 = 蜗轮轮齿螺旋角）,第七章 蜗杆传动 阿基米德圆柱蜗杆,2、蜗杆分度园直径 d1与直径系数 q,d1 = mq q = z1/tg 称为蜗杆直径系数 tg =z1/q = mz1/d1 q = d1/m 3、传动效率 总效率： = 123 式中滚动轴承效率：2 = 0.99 0.995 搅油效率： 3 = 0.94 左右 主要是啮合效率,4、自锁的概念,v,当蜗轮主动时自锁，蜗杆主动时。,会进行蜗杆传动的受力分
13、析 切向力：主动轮与转动方向相反，从动轮与转动方向相同。 径向力：指向各自的圆心 轴向力：左右手定则（只适合于主动齿轮）,切向力：Ft1 = - Fx2 轴向力 径向力：Fr1 = - Fr2 径向力 轴向力： Fx1 = - Ft2 切向力,已知：蜗杆的旋向和转向，画出蜗杆和 蜗轮三个分力的方向。,普通V带已标准化：按GB/T 13575.12008标准， 按截面尺寸的大小不同，由小到大，分为： Y、Z、A、B、C、D、E七种。具体尺寸见表82。带的楔角 大于带轮沟槽 角。 带的节面宽度叫节宽bp ， 当带弯曲时，此宽度不变，带的高度h和节宽bp 的之比为相对高度，普通V带为0.7。,第八章
14、 带传动,1、力与应力分析 最大圆周力,影响带传动能力的主要因素：,三种应力的特点,弹性滑动和打滑的概念,弹性滑动是由于带的弹性变形量变化引起；打滑是由于过载引起。 弹性滑动是发生在部分接触弧内的微量相对滑动；打滑是发生在整个接触弧上的显著相对滑动。 弹性滑动是带传动正常工作时的固有特性，是不可避免的；打滑则使带传动失效，在设计中必须避免。 弹性滑动使传动效率降低，带的温度升高和磨损，从动轮圆周速度低于主动轮；打滑使带传动失效，从动轮转速急剧降低，甚至为0，带磨损加剧，但可以起到过载保护作用，避免其他零件发生损坏。,2、张紧轮 （ 中心距不可调的场合 ） 张紧轮要安装在带的内侧、松边、靠近大带
15、轮 内侧：避免带受到双向的弯曲应力 松边：带本来就松弛，易于调节 靠近大带轮：对小带轮的包角影响小。,第十章 轮系,一、定轴轮系、周转轮系、混合轮系传动比的计算,1、2、3 为定轴轮系。 3、4、5、H为差动轮系。,已知：n1=70rpm 求：n5,rpm，方向与n1相同。,第十一章 联接 螺纹联接 1、大径 d：螺纹标准中的公称直径，螺纹的最大直径 2、小径 d1: 螺纹的最小直径，强度计算中螺杆危险断 面的计算直径。 3、中径 d2: 近似于螺纹的平均直径， d2 (d1 + d) / 2 4、螺距 p: 相邻两螺纹牙平行侧面间的轴向距离。 5、导程 s: 同一条螺纹线上两螺纹牙之间的距离
16、。 s = np 6、螺旋升角 : 中径上s=d2tg =arctg(s/ d2) 7、牙形角 2: 螺纹牙两侧边的夹角,一、螺纹联接的防松 螺纹联接虽然能自锁，但受到冲击、振动、温度 变化等瞬时，螺纹联接的摩擦力会消失。故要有可靠 的放松措施。 常用的防松措施有： (表114） 1、弹簧垫圈 4、尼龙圈锁紧螺母 2、对顶螺母 5、槽形螺母和开口销 3、止动垫片 6、圆螺母带翅垫片 7、冲点 8、粘接,二、单个螺栓联接强度计算 1、松螺栓联接 (见图183） 不必拧紧，螺栓没有预紧力，松螺栓没有扭转力矩。 螺栓直径的计算公式为： Q 为螺栓所受的轴向力,2、紧螺栓联接 螺栓既受拉应力也受扭转剪
17、应力：,螺栓直径的计算公式为：,键联接、花键联接、销联接,第十二章 轴和联轴器,一、分类 按承受载荷的情况分： 1）传动轴： 只承受转矩 T。 2）心 轴： 只承受弯矩 M。 3）转 轴： 即承受弯矩 M，也承受转矩 T。 二、轴的直径估算,三、轴的结构设计 P185 1、轴上圆角要小于轮毂上圆角或倒角 2、轴上长度要小于轮毂上相应长度23mm。 3、轴肩或轴环的高度一般不小于5，如果是用于滚动 轴承定位，则不能高于滚动轴承内环的三分之二。 4、各阶梯轴的个段加倒角，便于安装。 5、键槽应在同一个方向。 6、减小应力集中，如加大圆角半径、用退刀槽 砂轮越程槽等。 7、合理安排轴的零件，减轻轴的
18、负荷。,第十三章 滑动轴承,略,1联轴器： 把两根轴牢固的联接在一起,在工作过程中不能分离。2离合器： 根据工作需要，随时可将两轴联接或分离。 联接在一起时都是实现两轴之间扭矩的传递！,第十四章 滚动轴承 1、2 调心轴承 3、 圆锥滚子轴承 6、 深沟球轴承 7、 向心角接触球轴承 N、 圆柱滚子轴承 5、8 推力轴承,计算题轴系由一对单列圆锥滚子轴承 30205支承，已知：轴的转速 n=980 r/min, Fr1=3580N，Fr2=3800N，FA=380N，动载荷系数 fd = 1.2，温度系数fT = 1.0 。试计算轴承的 寿命。注：轴承的基本额定动载荷Cr = 32.2 kN,
19、 S = Fr/2Y, e=0.37, Fa /Fr e 时， X = 1, Y = 0； Fa /Fr e时， X = 0.4, Y = 1.6。,解：首先求派生的轴向力： S1=Fr1/2Y=3580/3.2=1118.75(N) S2= Fr2/2Y=3800/3.2=1187.5(N) S1+FA=1118.75+380=1498.75(N)S2 轴向右移，由于轴承是正装，故2轴承受压！ Fa1=S1=1118.75(N) Fa2=S1+FA=1118.75+380=1498.75 (N),S1,S2,Fa1 / Fr1 = 1118.75 / 3580 =0.31 e = 0.37
20、X1 = 1.0 Y1 = 0 X2 = 0.4 Y2 = 1.6 P1 = X1Fr1 + Y1Fa1 =3580 (N) P2 = X2Fr2 + Y2Fa2 =0.4X3800+1.6X1498.75=3918 (N) P2 P1 2 轴承危险,第四节 滚动轴承的组合设计,一、轴系的轴向定位： 1、两端固定（双端单向固定） 较短轴系（l 400）最常用的形式。压盖和轴承座之间需用垫片调整压盖和轴承外圈之间的间隙，留出 0.2 0.4 的距离， 用于 温度 补偿。,2、一端固定（单端双向固定）、一端游动 用于温升较高，热变形较大的场合。,3、两端游动。 用于人字齿轮传动，能自动对中。,第十
21、五章 机械的调速和平衡,机械速度的波动，是在Wd和Wr不为常量的情况下产生的。其结果是产生冲击、振动，影响机件的强度和寿命，降低运动精度。应尽量避免! 采用飞轮调速,降低速度不均匀系数 ,回转件不平衡质量产生的离心力使轴弯曲，产生振动、噪音，甚至破坏机件。 静平衡条件： m r = mi ri + mb rb = 0 或： mg r = mig ri + mbg rb = 0 动平衡的条件：空间离心惯性力系的合力及合力矩均为零。 动平衡又称为双面平衡，而静平衡则称为单面平衡。 平衡的目的使回转件运动平稳,它不能减小速度的波动。,轴系结构找错体：指出下图轴系结构中的错误或不合 理之处，并简要说明
22、理由，不要求改正！,缺螺栓联接 轴承安装一顺 轴肩过高 缺键 轴的长度应小于轮毂长度23mm 套筒过高 轴承透盖结构错误 动静接触，应加密封毡圈 加轴向定位 缺键 （11）动静接触,结构题、 图示轴系结构有错误和不合理的地方，请指出并说明原因。,1） 联轴器孔未开通。 2） 联轴器周向未定位（加键连接）。 3） 轴承透盖缺密封。 4） 透盖与套筒应有间隙。 5）左轴承为游动轴承，内圈右边缺定位。 6） 左轴承外圈要能游动，需去掉套杯凸肩，而且与端盖间要有间隙。,7） 右轴承为固定端轴承，内圈左边缺定位，外圈左边套杯上应有凸肩定位。 8） 装圆螺母处轴径要小于轴承轴径，且车螺纹处要有退刀槽。 9
23、） 圆螺母处加止动垫圈防松。 10）轴段应比轴承孔短，以使轴承定位可靠。 11）轴承盖与套杯之间应有调整轴承间隙的调整垫片。 12）箱体加工面和非加工面要分开。,指出图示轴系的结构错误或不合理之处，并简要说明理由（齿轮采用油润滑，轴承采用脂润滑）。,1）缺挡油环；2）套杯左端凸肩内径太小，拆卸轴承外圈困难；3）左轴承内圈无法从轴右侧装入；4）轴承为背对背安装，外圈没有固定，应在两轴承外圈之间加凸台；5）不应有轴肩，否则无法调整轴承；6）缺少调整轴承的装置，应加一小圆螺母；7）精加工面过长，轴承装配不便，应加工成阶梯轴 8）轴与轴承盖之间应有间隙；9）缺少密封装置； 10）带轮端面不应与轴承盖接
24、触，应以轴肩定位； 11）键与轮毂键槽之间应有间隙； 12）轮毂上的键槽应为通槽； 13）轴端应比毂孔短一些， 否则带轮轴向固定不可靠。 14）缺少调整套杯位置 （调整锥齿轮啮合）的垫片。,指出图示轴系的结构错误，齿轮采用油润滑，轴承采用脂润滑（用笔按序号圈出错误之处，并简要说明错误原因，不要求改正图）。,1）轴肩太高， 不便拆卸； 2）缺少挡油环； 3）安装齿轮的轴 段应小于轮毂宽 度，否则齿轮轴 向固定不可靠； 4）键太长； 5）套筒不应与轴承外圈接触； 6）轴承应面对面布置； 7）此处应加工成阶梯轴； 8）端盖不应与轴接触； 9）端盖与轴之间应加密封； 10）平键顶部与轮毂键槽间应有间隙
25、； 11）联轴器上的键槽应为通槽； 12）两处键槽应位于一条母线上； 13）联轴器不应与端盖接触，应用轴肩轴向固定，且轴端不应超出孔的端面,以免影响另一半联轴器的安装； 14）缺少轴承调整垫片； 15）应有凸台，减少加工面。,图示轴系结构有错误和不合理的地方，请指出并说明原因。,1）轴端面应在联轴器孔内。 2）联轴器轴向未定位（加轴肩）。 3）轴承透盖与轴之间应有密封装置。 4）与左轴承配合处的轴段过长，轴缺少台阶，轴承装拆不方便。 5）套筒过高，轴承装拆不方便。 6）安装齿轮的轴段长度应小于轮毂宽度，以使齿轮得到可靠的轴向定位。 7）齿轮上的键槽与键之间应留有间隙。 8）为便于加工，轴上安装
26、齿轮处的键槽应与安装联轴器键处的键槽开在同一母线上。 9）右轴承内圈没有固定。 10）圆锥滚子轴承应成对使用。 11）轴承盖上的孔应大于螺钉外径。 12）箱体上螺纹孔的深度应大于螺钉拧入深度 13）轴承盖与机体之 间无垫片，无法调 整轴承间隙。 14）箱体加工面和 非加工面要分开。,模拟试题,一、是非题 1、一对圆柱齿轮啮合时，大小齿轮的齿根弯曲应力相等。 2、零件内部的变应力只可能由变载荷引起。 （ ） 3、模数不相等的蜗杆与蜗轮也可以啮合传动。 4、齿轮联轴器是挠性联轴器。 5、 V带是弹性元件，它在工作中只能承受拉应力。 ( ） 6、滚动轴承中，保持架是重要的和不可缺少的元件之一。 7、
27、凸缘联轴器属于刚性联轴器。 8、+1表示是对称循环变应力。 （ ） 9、 磨损总是有害的，应该处处避免。 10、传动效率高是蜗杆蜗轮传动的优点之一 11、滚动轴承座圈和滚动体的常用材料是Q235钢。（ ) 12、螺旋传动中使用的螺纹通常是三角形螺纹。,二、 选择题（每小题2分） 1.只承受弯矩，而不承受转矩的轴称为。 A.传动轴 B.转轴 C.心轴 D.阶梯轴 2.带传动工作时最大应力发生在_。 A.紧边小带轮出口处 B.紧边小带轮入口处 C.松边大带轮出口处 D.松边大带轮入口处 3、当两个被连接件之一太厚时，宜采用_ A.双头螺柱连接 B.螺栓连接 C.紧定螺钉连接 D.销连接 4.初步估
28、算轴的直径时，一般采用_方法。 A.弯扭合成强度 B.扭转强度 C.刚度 D.安全系数 5.在轴结构设计中，轴上零件轴向固定通常采用_方法。 A. 轴肩 B. 圆螺母 C. 轴端挡圈 D.前面三种,6.脉动循环变应力的应力循环特性系数r_。 A.等于+1 B.等于1 C.等于0 D.等于1/2 7.蜗杆传动中，增加蜗杆头数，可使传动效率_。 A. 提高 B.降低 C. 提高或降低 D.不变 8、适合制造滚动轴承的材料是_。 A. GGr15 B. 45钢 C. 球墨铸铁 D. 40Cr 9.锥齿轮传动中，两轴线之间的交角用得最广泛的是 A.60 B.75 C.90 D.120 10.下面的螺纹
29、牙型中，传动用螺纹采用的是_。 A. 圆形螺纹 B. 三角形螺纹 C. 梯形螺纹 D.管螺纹,模拟试题,三、 （10分） 计 算 图 示 惯 性 筛 机 构 的 自 由 度， 并 指 出 复 合 铰 链、 局 部 自 由 度 和 虚 约 束， 最 后 判 断 其 是 否 具 有 确 定 的 运 动 规 律（ 标 箭 头 的 构 件 为 原 动 件）。,四、 （14分） 已知四杆机构的摇杆DC长38mm，摆角60，机架AD长70mm，且与摆角的角平分线垂直。用作图法求解此四杆机构。（作图比例1：1）。试求出： （1） 四个杆件的长度以及极位夹角的度数 （2） 最小传动角 min 的度数。 五、
30、（12分） 一对相啮合的渐开线标准直齿圆柱齿轮，小齿轮损坏。现测得大齿轮齿数Z2130，大齿轮齿全高h =9mm。已知传动比i5。求：小齿轮的分度圆直径d1，齿顶圆直径da1，齿根圆直径df1，基圆直径db1。（ha*=1, =20）。,六、 （12分）图示为一偏心圆盘凸轮机构，凸轮1的回转方向如图所示。要求： （1）画出理论轮廓曲线与基圆； （2）标明图示位置的压力角 从动件的 位移s ，并标出此机构从动件的总行程 h 七、（10分） 图示轮系中， 已知Z124， Z226， Z2=20，Z3=30，Z3=26 Z4=20。若 r/min 求 的大小及方向。,八、（8分）图示为开式蜗杆-斜齿
31、圆柱齿轮传动，已知蜗杆主动，大齿轮4的转向及螺旋线方向如图示，试画出： (1) 轴I、II的转向。 (2) 使轴II上两轮的轴向力抵消一部分时蜗轮、蜗杆的螺旋线方向。 (3) 蜗轮2和齿轮 3的轴向力方向。,九、 （14分）转速为n = 640r/min的轴系由一对30206圆锥滚子轴承支承，如图所示，FR=4000N，冲击载荷系数fd=1.4，求危险轴承的寿命。 30206轴承，Cr = 24800N，e = 0.36，Y = 1.7，,若,X=1，Y=0；若,X=0.4，Y=1.7。 = 10/3,十、 （10分）指出图示轴系中的结构错误（用笔圈出错误之处，并简要说明错误的原因，不要求改正，齿轮箱内齿轮为油润滑，轴承为脂润滑）,