[工学]《机械设计》 课件 第十三章_滚动轴承.ppt

滚动轴承 概述 滚动轴承的主要类型及其代号 滚动轴承类型的选择 滚动轴承类型的工作情况 滚动轴承尺寸的选择 轴承装置的设计 1 概述 轴承的功用和分类 1功用：用于支承轴，并且实现轴的旋转运动（承受 载荷和相对运动） 2根据摩擦性质分为 -滑动摩擦轴承（滑动轴承） -滚动摩擦轴承（滚动轴承） 外 圈 内 圈 保持架 滚动体 1、滚动轴承的基本结构 小型部件：由外圈、内圈、滚动体和保持架等组成，外圈与 轴承座装配，内圈与轴颈装配，随轴旋转。 滚动体：实现滚动摩擦，减小零件磨损，常见滚动体； 保持架：把各滚动体分开，保持滚动体在内、外圈之间作有 规律运动。 内圈、外圈、滚动体：轴承铬钢，硬度60 HRC 保持架：低碳钢、铜、铝、塑料。 2、设计时所要解决的主要问题 轴承本身设计（主要任务）：根据工作条件，选择类型 及尺寸； 滚动轴承的组合设计（装置设计） 轴承组合：指与滚动轴承安装、调整、润滑、密封等有关 的零件组合； 组合设计：考虑以上问题所进行的设计。 2 滚动轴承的主要类型及其代号 2.1 滚动轴承的主要类型、性能与特点 常用标准滚动轴承的名称、代号及性能特点： 14235 NAN 29 6 7 1、按承受载荷方向分类 向心轴承：主要承受径向载荷Fr 深沟球轴承（6） 圆柱滚子轴承（N） 调心球轴承（1） 推力轴承：只能承受轴向载荷Fa 推力球轴承（5） 向心推力轴承：Fr + Fa 角接触球轴承（7） 圆锥滚子轴承（3） 2、向心推力轴承的主要参 数 接触角：向心推力轴承滚动体 与外圈接触处的法线与半径 方向的夹角。 是固有特性，反映轴承承受 轴向载荷的能力，承 载能力。 载荷角：轴承实际承受的径向 载荷Fr 与轴向载荷Fa的合力 与半径方向的夹角。它反映 了轴承承受轴向载荷的能力 。 滚动轴承的代号（GB/T27293） 前置代号 基本代号 后置代号 分部件： 五 四 三 二 一 公差材料 内圈 类型 内径20480 特殊结构 外圈 直径系列2轻3中4重 C15 AC25 保持架 宽度系列多数正常系列可不标 B 40 滚动体 公差/P2、4、5、6、6x、0 游隙/C1、2、0、3、4、5 例：7211C/P5 角接触球轴承、正常宽度、轻系列、直径55mm、接触角15 、 5级公差、0组游隙。 2.2 滚动轴承的代号 尺寸系列代号 轴承类型代号 后置代号 内部结构代号 表示同一类型轴承的不同内部结构，用字 母紧跟着基本代号表示。 圆锥滚子轴承 =10 18 30000 大锥角圆锥滚子轴承 =27 30 30000B 角接触球轴轴承 =15 70000C =25 70000AC =40 70000B 公差等级代号 轴承的公差等级分为 6 个级别，依次由 高级到低级。 2 级 / P2 4 级 / P4 5 级 / P5 6 级 / P6 6x 级 / P6x 仅适用于圆锥滚子轴承 0 级 / P0 普通级，不标出 游隙代号 轴承径向游隙系列分为 6 个组别，游隙依 次由小到大 。 1 组 / C1 2 组 / C2 0 组 常用的游隙组别，不标出 3 组 / C3 4 组 / C4 5 组 / C5 前置代号 为轴承分部件代号，用字母表示。 如：用 L 表示可分离轴承的可分离套圈；K 表示轴承的滚动体与保持架组件等等。 代号举例： 表示内径为50 mm，轻系列，角接触球轴承， 正常宽度，接触角 =15，5 级公差，0组游隙。 6308 表示内径为40mm，中系列，深沟球轴承，正 常宽度系列，正常结构，0 级公差，0 组游隙。 7210C/ P5 3 滚动轴承类型的选择 依据：工作条件（载荷大小、方向及性质）； 转速的高低； 调心性能的要求； 安装、拆卸要求； 经济性要求； 其它要求。 一、轴承的载荷 1、载荷方向：若承受纯径向载荷，宜选用向心轴承，如深 沟球轴承“6”、圆柱滚子轴承“N”或滚针轴承“NA”； 只承受纯轴向载荷：选推力轴承，如“5”； 既承受径向载荷Fr，又承受轴向载荷Fa： Fa/Fr较小：选用深沟球轴承“6”或接触角较小的角接 触球轴承“7”或圆锥滚子轴承“3”； Fa/Fr较大：选用较大的“7”、“3”，或在一个支承同 时 用一个向心和推力轴承配合。 2、载荷大小和性质 载荷较小（中等、轻）、且平稳：宜选用球轴承（点接 触）； 载荷较大，有冲击、振动时，宜选用滚子轴承（线接 触）。 二、轴承的转速 转速不太高时，转速对轴承类型的选择影响不大； 每一类轴承都通过实验确定了在一定条件下的极限转速， 因此轴承的实际工作转速必须低于极限转速； 球轴承的极限转速较高，高速时，应优先选用球轴承； 转速高、载荷小，宜选用较小直径的球轴承（因为较小直 径的球轴承，它们的滚动体较小，工作时离心力较小）； 转速高、载荷大，可采用同一支承同时用2个球轴承。 三、调心性能 当轴的中心与支座孔的中心不同心时，或轴因受力变形时， 轴承内圈中心线与外圈中心线会产生偏位角，容易造成 滚动体工作不正常，甚至卡住。这时宜采用有一定调心性 能的调心球轴承如“1”类或调心滚子轴承如“2”。 四、安装、拆卸要求 1若进行轴向安装，轴承座没有剖分面时，应优先选用内 、外圈可分离的轴承，如圆柱滚子轴承“N”类和圆锥滚 子轴承“3”类； 2若轴较大，且轴承安装在轴的中部，可采用带锥孔的轴 承。 五、经济性要求 在保证轴承工作性能要求的前提下，为使成本降低，一般优先 采用球轴承、向心轴承。（球轴承比滚子轴承的价格低，向 心推力轴承价格比向心轴承高。） 六、其它要求 1对外廓尺寸要求 若要求径向尺寸较小，宜采用小直径系列轴承或滚针轴承；若 要求轴向尺寸较小时，宜采用窄宽度系列轴承。 2刚度要求 在相同载荷下，采用滚子轴承（线接触）的刚度比球轴承（点 接触）的刚度高。 3轴承游动 当一根轴的两个支承距离较远，或工作前后有较大的温差时， 为适应轴和外壳不同热膨胀的影响，防止轴承卡死，只需把 一端的轴承轴向固定，而另一端的轴承使之可以轴向游动。 游动轴承：深沟球轴承“6”和圆柱滚子轴承“N”；向心推力 轴承“7”和“3”类不能作游动轴承。 4选用向心推力轴承“3”或“7”类，应考虑成对使用 。 正装：面对面安装； 反装：背靠背安装。 成对使用原因：向心推力轴承均有接触角，当只有径向载 荷作用时，轴承内部会产生一个派生轴向力S，使得滚 动体、内圈和轴沿轴向移动，造成承受载荷的滚动体 数目减小，因而轴承承载能力减小，因此应采用成对 向心推力轴承，以便平衡派生轴向力，提高轴承承载 能力。 4 滚动轴承的工作情况 4.1 轴承工作时轴承元件上的载荷分布 向心轴承中径向载荷的分布图轴承元件上的载荷及应力变化图 5.1 滚动轴承的失效形式及其基本额定寿命 失效形式：滚动体或内、外圈滚道上的点蚀破坏。 1疲劳点蚀：安装得当、设计合理、润滑、密封良好， n10r/min的轴承主要是疲劳点蚀破坏； 2塑性变形：不转或转得很慢，n10r/min时，用接触疲劳强度准则（或疲劳寿命准则 ）； 2当n10r/min时，用静强度准则，通过静强度计算，选 择轴承尺寸。 注：高速轴承，寿命计算，校验极限转速。 几个重要的概念 1轴承的寿命：轴承在运转时，其中任一元件出现疲劳点蚀 前所经历的转数（以106r为单位）或工作小时数。 2基本额定寿命L10 一批相同型号的轴承，在相同运转条件下，其中有10%的轴承 出现疲劳点蚀时，轴承所经历的转数为该批轴承的基本额 定寿命L10. 物理意义：表示轴承达到基本额定寿命时，出现疲劳点蚀的 概率为10%。 3预期计算寿命Lh 4基本额定动载荷C 使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷 值，用字母C表示。 C反映了轴承承载能力的大小，即承受外载荷的极限值（不 同型号轴承的C不同，C值查标准，C是通过大量的试验确定 ）。 C的确定（与外载荷性质有关） 对向心轴承：指的是纯径向载荷，径向基本额定动载荷Cr； 对推力轴承：指的是纯轴向载荷，轴向基本额定动载荷Ca； 对向心推力轴承：指的是使套圈间产生纯径向位移的载荷 的径向分量。 确定C的试验条件 内圈旋转、外圈固定，寿命为106r，不发生点蚀破坏的概率 为90%、载荷平稳，正常温度t=1250C。 注：在较高温度下工作的轴承（t1250C时），应引入温度 系数ft修正基本额定动载荷。 式中 Ct为高温轴承的基本额定动载荷， ft为温度系数。 5.2 滚动轴承的当量动载荷 1、定义 为了计算轴承寿命，须将实际载荷换算成当量动载荷P，它是一 个与实际载荷效果相当的假想载荷（在P作用下，轴承的寿 命与实际载荷作用下相同）。 2、当量动载荷P的确定 对于向心轴承“N”、“NA”，P=Fr 对于推力轴承“5”，P=Fa 对于“3”、“7”类向心推力轴承及“6”类深沟球轴承 、调心轴承如“1”、“2”等， 式中 X、Y分别为径向、轴向动载荷系数。 引入载荷系数fP，则 5.3 滚动轴承寿命的计算公式 1目的 已知轴承的型号、P、n等，求轴承的实际寿命Lh； 已知轴承的转速n、P、预期计算寿命Lh，求选用具有多 大的基本额定动载荷C的轴承。 2寿命计算公式 第一类问题计算公式 式中 为试验常数， 对于球轴承=3， 滚子轴承=10/3； 公式的物理意义：已知型号的轴承，在一定工作条件下的实 际寿命。 第二类问题的计算公式 公式的物理意义：表明在一定工作条件下以及预定寿命，应 选用多大基本额定动载荷的轴承。 3说明 计算实际寿命时，应使 选择轴承型号时，应使计算基本额定动载荷值小于等于从标 准中选取型号轴承的基本额定动载荷，即 若LhC表，可采用下述方法： a改变轴承系列； b改变轴承类型（把球轴承改为滚子轴承），若还不满 足要求，应加大轴颈。 5.4 滚动轴承的疲劳寿命与可靠度 1）根据某一可靠度R下的轴承预期寿命L(1-R)，计算滚动轴承相 应的基本额定寿命L10（即可靠度为90%时的寿命），其计 算式为 L10=L(1-R)/1 式中1为滚动轴承寿命的可靠性系数。 1的计算式为 1=(lnR/ln0.9)1/m 式中R为设计要求的轴承的可靠度； M为威布尔分布的形状参数，大量的统计资料表明，球轴承： m=10/9；滚子轴承：m=3/2；圆锥滚子轴承：m=4/3。 求出L10后，从轴承手册或样本中选择轴承型号，其额定寿命 值L10应大于L10。 2）根据某一可靠度下的轴承预期寿命L(1-R)，计算相应的额 定动载荷C。 L（1-R）=1(C/P) 相应的额定动载荷 C=QPL1/(1-R) 式中Q额定动载荷的可靠性修正系数，按下式计算： Q=(ln0.9/lnR)1/m 式中，指数1/（m）：球轴承为3/10；滚子轴承为1/5；圆 锥滚子轴承为9/40。 当可靠度R已确定时，求出相应的额定动载荷C值，再根据 C值从轴承手册中选择轴承型号，应满足CC。 5.5 向心推力轴承的载荷计算 Fr1、Fr2为外界作用到轴上的径向力Fr在各轴承上产生的径向载 荷， Fa的确定： 对深沟球轴承“6”、调心球轴承“1”和调心滚子轴承 “2”： Fa=A（A外界作用到轴上的轴向作用力） 对于向心推力轴承“3”和“7”类，应考虑A和派生轴向力S及 一对轴承的布置方式来确定Fa。 1Fr1、Fr2的确定 根据力的径向平衡条件，当Fr的大小、作用点已知时，Fr1、Fr2 可确定。 2Fa的确定 方法：确定轴承派生轴向力的大小、方向S1、S2； S大小的确定，参考表11.9。 S方向的确定：始终指向外圈厚度较小的一边。 根据A及S的大小和方向，确定轴上合力的指向，然后判断 哪个轴承被压紧，哪个轴承被放松。 以轴和与其相配合的轴承内圈为分离体，如达到轴向平衡时， 应满足： 当 ，有两种情况： 当 时，则轴有向左窜动的趋势，相当于轴承1 被“压紧”，轴承2被“放松”。 确定Fa: 当 ，轴承1被“压紧”，轴承2被“放松” 当 ，轴承1被“放松”，轴承2被“压紧” 小结：先通过派生轴向力及外加轴向载荷的计算与分析，判 定被“放松”或被“压紧”的轴承；然后确定被“放松” 轴承的轴向力仅为其本身派生的轴向力，被“压紧”轴承 的轴向力则为除去本身派生的轴向力后其余各轴向力的代 数和。 3P的确定 取P=Pmax(P1，P2) 4轴承的压力中心 对“6”类深沟球轴承，支点在轴承宽度中点； 对向心推力轴承，支点在压力中心； 滑动轴承：当B/d1时，e=0.5B；当B/d1，取 e=0.5d，但不小于（0.250.35）B。 对于调心轴承，e=0.5B。 5.6 滚动轴承的静载荷 1、基本额定静载荷 基本额定静载荷C0（Cor，Coa） 2、当量静载荷 当量静载荷P0 式中 X0、Y0分别为当量静载荷的径向、轴向载荷系数，其值 可查轴承手册。 3、静载荷校核计算 按轴承静载能力选择轴承 C0S0P0 式中 S0为静强度安全系数。 注：若轴承转速n10r/min，应按寿命选择轴承； 若轴承n10r/min，应按静强度选择轴承； 对高速、重载或有冲击、振动载荷的场合，应按动载 荷选择轴承，再按静强度进行校核； 转速较高轴承，还应校核极限转速，即n工nlim（工 作时实际转速小于等于轴承极限转速）。 例：图示斜齿轮轴系，两端正装两个圆锥滚子轴承，轴颈d0=30- 35mm； 齿轮分度圆直径d=45mm，Ft=3000N， Fre=1200N， A=900N；n=385rpm，中等冲击载荷；计算轴承寿命。 1.计算径向载荷 垂直面支反力 RVI=397.5N， RV2=802.5N 水平面支反力 RH1= RH2=1500H 解：选取轴承型号“3206” C=24.8kN，e=0.36，Y=1.7 5050 Rv1 Rv2 RH1 RH2 Fre A Ft Fre A Ft 则径向载荷 Fr1=R1=1552N，Fr2=R2=1701N 轴承放松 ： Fa1=S1=456N 轴承压紧： Fa2 = A +S1=1356N 3.计算当量动载荷 R1 R2 A=900NS1S2 P1=fPFr1=1.51552=2328N P2=fP (X Fr2 +YFa2 ) =1.5 (0.4 1701+1.7 1356)=4478N 2.计算轴向载荷 由手册选轴承型号“3206” C=24.8kN，e=0.36，Y=1.7 4.计算寿命 6 轴承装置的设计 1、滚动轴承的配置 轴系应有确定的位置，防止轴向窜动；防止温升后卡死；轴 承游隙的调整。常用的轴承配置有： （1）双支点单向固定（两端单向固定） 以一个轴承的外侧端面限制一个方向移动，另一轴承外侧端 面限制另一个方向移动，通过预留间隙适应轴的热伸长。 深沟球轴承也可作双支点单向固定的支承 通过调整端盖与外壳之间垫片的厚度，使轴承外圈与端盖之 间留有很小的轴向间隙，以适当补偿轴热伸长。 （2）单支点双向固定（一端双向固定，一端游动） 特点：一轴承外圈两侧固定限制轴两方向移动，称为固定支承 ，另一支承作为游动支承。 注意点：用在跨距L400mm，温度升高较大的场合； 固定支承的内、外圈的内外侧均应固定，固定支承的类型， 随Fa/Fr增大，依次采用“6”“7”“3”向心轴承与 推力轴承的组合。 游动支承类型，采用深沟球轴承“6”和圆柱滚子轴承 “N”和滚针轴承“NA”，固定方式： 使用“6”时，内、外圈不可分离，只需固定内圈（内、外 侧均应固定； 使用“N”和“NA”时，内、外圈可分离，内、外圈的内、 外侧均应固定。 “3”和“7”类轴承不能作游动支承。 （3）两端游动支承 人字齿轮的轴 2、滚动轴承的配合 轴承的配合是指内圈与轴颈及外圈与外壳孔之间的配合。 考虑的问题： 1承载情况： 载荷、冲击振动越大，选紧配合；径向载荷方向不变时，内圈 与轴的配合应选紧配合，当径向载荷方向经常变化时，外 圈与支承孔的配合应选紧配合。 2工作温度 内圈温度高于轴的温度时，应选紧配合；外圈温度高于支座孔 的温度时，应选松配合。 3从转速和旋转精度 转速、精度高，应选紧配合。 4拆装要求：配合应松。 5游动要求：应选松配合。 内圈与轴配合常用：n6、m6、k6（基孔制）；外圈与支座孔配 合：J7、H7（基轴制）；游动圈配合G7。 3、支承部分的刚性和同心度 刚性：跨距尽量小，悬臂短； 支承座加筋、加厚；滚子 优于球轴承。 同心度：两孔一次镗出；采用调心轴承 两个向心推力轴承组合为