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第八章滚动轴承的选择与校核 8 1滚动轴承的特点及类型 优点 滚动轴承是标准件 由专业轴承厂集中生产 故学习本章的目的主要解决三个问题 1 如何选择滚动轴承的类型和尺寸 2 滚动轴承的寿命计算 3 滚动轴承组合设计 固定 调整 润滑密封 配合等 摩擦阻尼小 启动灵活 可同时承受径向和轴向载荷 简化了支承结构 径向间隙小 可用预紧方法消除 故回转精度高 互换性好 易于维护 缺点 抗冲击能力较差 高速时噪声大 寿命较短 径向尺寸大 第八章滚动轴承 特点及类型 1 按承载方向和公称接触角 分为 滚动体与套圈滚道接触点的法线与轴承径向平面之间的夹角 一 滚动轴承的主要类型 向心轴承 0 45 推力轴承 45 90 第八章滚动轴承 特点及类型 向心轴承 主要承受径向载荷 径向接触轴承 0 的向心轴承 向心角接触轴承 0 45 的向心轴承 深沟球轴承 角接触球轴承 推力轴承 主要承受轴向载荷 轴向接触轴承 90 的推力轴承 推力角接触轴承 45 90 的推力轴承 第八章滚动轴承 特点及类型 2 按滚动体的种类可分为 球轴承和滚子轴承 第八章滚动轴承 特点及类型 微型轴承 陶瓷轴承 特殊轴承 第八章滚动轴承 特点及类型 二 滚动轴承代号 用数字或字母表示1 调心球轴承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N 圆柱滚子轴承 内径尺寸代号100012011502170320 500d 522 28 32及500以上 内径 后置代号 用于表示轴承的结构 公差及材料的特殊要求 用字母或数字表示 如 接触角为150 250和400的角接触球轴承 分别用C AC和B表示内部结构的不同 又如 轴承的公差等级分别为2级 4级 5级 6级 6x 和0级 共5个级别 依次由高级到低级 其代号分别为 P2 P4 P5 P6 P6x 和 P0 省略 再如 轴承的径向游隙系列分为1组 2组 0组 3组 4组和5组 共6个组别 径向游隙依次由小到大 0组最常用 不标出 其余用 C1 C2 表示 第八章滚动轴承 特点及类型 常用的滚动轴承 深沟球轴承 6类 角接触球轴承 7类 圆锥滚子轴承 3类 圆柱滚子轴承 N类 第八章滚动轴承 轴承选择 8 2滚动轴承的选择 一 类型的选择 载荷大或冲击大 选滚子轴承 线接触 径向 轴向载荷 角接触球轴承 7类 或圆锥滚子轴承 3类 轴向载荷不大时 可用深沟球轴承 载荷小或冲击小 选球轴承 点接触 2 根据载荷的方向 纯径向载荷 选深沟球轴承 6类 圆柱滚子轴承 N类 纯轴向载荷 选推力轴承 5或8类 高速时可用3或7类 1 根据载荷的大小及性质 第八章滚动轴承 轴承选择 4 根据回转精度要求 精度要求高 选球轴承 5 根据调心性能 轴刚性差 轴承座孔同轴度差或多点支承 选调心轴承 1 类或 2 类 6 便于轴承的装拆 只能沿轴向装拆轴系时 整体式轴承座 选内 外圈可分离的轴承 如圆锥滚子轴承 3 类 7 经济性要求 一般情况下 滚子轴承比球轴承价格高 精度等级越高 价格越贵 尽量选择价格低的轴承 3 根据转速的高低 转速高 选球轴承 剖分式轴承座 转速很高时 选 轻 或 特轻 系列 以减小离心力 8 3滚动轴承的工作情况及设计约束 第八章滚动轴承 载荷分析 一 滚动轴承的载荷分析 各滚动体上的受力情况如何 当轴承仅受到纯轴向力Fa作用时 载荷由各滚动体平均分担 即 Qi Qj 选尺寸系列 考虑载荷大小 转速高低及结构要求 二 尺寸的选择 选择尺寸系列 直径系列和宽度系列 及内径 选内径 根据轴颈直径确定 深沟球轴承 内圈产生少量位移 滚动体与滚道的接触点偏移 第八章滚动轴承 载荷分析 当轴承仅受到纯径向力Fr作用时 接触点产生弹性变形 内圈下沉 Q2 Qmax Q1 Q2 Q1 最多只有半圈滚动体受载 承载区各滚动体的变形量不同 受载大小也不同 对于点接触轴承 对于线接触轴承 全部滚动体个数 第八章滚动轴承 载荷分析 滚动体与套圈滚道接触点的接触应力是变应力 因此 近似认为是脉动循环变应力 a b c 接触应力变化情况 第八章滚动轴承 失效形式 滚动体表面 套圈滚道都可能发生点蚀 二 滚动轴承的失效形式 1 疲劳点蚀 最主要的失效形式 防止点蚀破坏 是计算滚动轴承的主要目的 接触应力过大 元件表面出现较大塑性变形 凹坑 2 塑性变形 低速轴承的主要失效形式 原因是载荷过大或冲击载荷作用 3 磨损 胶合 保持架断裂等 使用维护不当而引起的 属于非正常失效 第八章滚动轴承 寿命计算 三 设计准则 对于一般转速的轴承 对于转速极低或仅作缓慢摆动的轴承 进行寿命计算 疲劳强度 防止疲劳点蚀 按静强度计算 防止塑性变形 1 基本概念 轴承寿命 轴承中任一元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数 单位为106r 或一定转速下的总工作小时数 h 轴承寿命的离散性 目的 防止轴承在预定的工作期间内发生疲劳点蚀 8 4滚动轴承的疲劳寿命计算 第八章滚动轴承 寿命计算 基本额定寿命 一批相同的轴承 在相同的条件下运转 其中90 的轴承还未发生疲劳点蚀时所经历的总转数或总工作小时数 90 点蚀10 用L10表示 完好 按基本额定寿命选用轴承 可靠性为90 注意 额定寿命随运转条件而变化 比如 外载荷增大 则额定寿命降低 因此 基本额定寿命并不能直接反映轴承的承载能力 基本额定动载荷 规定基本额定寿命L10 106r时 轴承所能承受的最大载荷 用C表示 即 在C的作用下 运转106r后 有10 的轴承出现点蚀 90 的轴承完好 失效概率为10 第八章滚动轴承 寿命计算 基本额定动载荷C越大 轴承的承载能力越强 对于具体轴承 C为定值 按手册查取 2 寿命计算公式 目的 根据工作条件和设计要求 选择合适的轴承尺寸 载荷与基本额定寿命的关系曲线 式中 P 当量动载荷 L10 P作用下的基本额定寿命 寿命指数 对向心轴承记为Cr 称为径向基本额定动载荷 对推力轴承记为Ca 称为轴向基本额定动载荷 球轴承 3 滚子轴承 10 3 轴承6208 C 22800N轴承6308 C 31200N 第八章滚动轴承 寿命计算 所以 实际计算时 常用小时数表示轴承的基本额定寿命 或 已知轴承的C 计算基本额定寿命 根据预期寿命Lh 计算所需的C 并据此选择轴承 当工作温度高于120 时 C值会下降 用温度系数ft修正 当载荷为基本额定动载荷C时 或 寿命计算公式 第八章滚动轴承 寿命计算 寿命计算时 应满足 3 当量动载荷P的计算 或 对于向心轴承 C指径向载荷 用Cr 对于推力轴承 C指轴向载荷 用Ca 但轴承可能同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa 为了与C在相同的条件下进行比较 引入当量动载荷的概念 当量动载荷 一假想载荷 与C同类型 它对轴承的作用与实际载荷的作用等效 用P表示 计算式 X 径向载荷系数 Y 轴向载荷系数 查表8 7 计算寿命 实际的 第八章滚动轴承 寿命计算 X Y的作用是将Fr Fa折合成当量动载荷 实际工作条件下 需引入载荷系数fp修正P X Y取决于 Fa Fr和参数e 若 Fa Fr e X 0 Y 0 若 Fa Fr e X 1 Y 0 对于某些轴承 e值根据Fa C0r确定 对于只能承受径向力的向心轴承 如圆柱滚子轴承 N类 对于只能承受轴向力的推力轴承 如推力球轴承 5类 或 参数e反映了Fa对承载能力的影响 第八章滚动轴承 寿命计算 4 向心角接触轴承 3 7类 轴向载荷Fa的计算 1 角接触轴承的派生轴向力S Fr的计算见轴系受力分析 即 而轴向载荷 向心角接触轴承 角接触球轴承 圆锥滚子轴承 受纯径向载荷作用后 会产生派生轴向力S O O 支反力作用点 即法线与轴线的交点 表8 9给出了S的近似计算方法 角接触球轴承 派生轴向力 注意S的方向 径向载荷 第八章滚动轴承 寿命计算 2 角接触轴承的排列方法 为使S得到平衡 角接触轴承必须成对使用 一般有两种安装形式 正装 面对面安装 两轴承外圈的窄边相对 即派生轴向力指向相对 反装 背靠背安装 两轴承外圈的宽边相对 即派生轴向力指向相背 正装时跨距短 轴刚度大 反装时跨距长 轴刚度小 问题 两个角接触轴承朝一个方向布置合适吗 第八章滚动轴承 寿命计算 3 角接触轴承轴向载荷Fa的计算 当外载既有径向载荷又有轴向载荷时 角接触轴承的轴向载荷Fa 要同时考虑轴向外载FA和派生轴向力S 第八章滚动轴承 寿命计算 S2和S2 都是右轴承所受的力 故 轴承正装时 若S1 FA S2 圆锥滚子轴承的简图如下 将内圈与轴视为一体 轴向合力向右 轴有向右移动的趋势 但外圈被固定 使得 使轴向力平衡 故 右轴承被压紧 会产生反力S2 而左轴承被放松 压紧端 放松端 第八章滚动轴承 寿命计算 若S1 FA S2 轴向合力向左 轴有向左移动的趋势 S1和S1 都是左轴承所受的力 故 使轴向力平衡 故 左轴承被压紧 会产生反力S1 而右轴承被放松 即 压紧端 放松端 第八章滚动轴承 寿命计算 轴承反装时 若S2 FA S1 轴向合力向右 轴有向右移动的趋势 左轴承被压紧 会产生反力S1 使轴向力平衡 压紧端 放松端 哪个轴承压紧 第八章滚动轴承 寿命计算 轴向合力向左 轴有向左移动的趋势 右轴承被压紧 会产生反力S2 使轴向力平衡 若S2 FA S1 放松端 压紧端 第八章滚动轴承 寿命计算 轴承正装时 轴承反装时 第八章滚动轴承 寿命计算 归纳如下 分析哪端轴承被 压紧 哪端轴承被 放松 压紧 端的轴向载荷等于除去自身派生轴向力后其他轴向力的代数和 正装时 轴向合力所指的轴承被 压紧 反装时 轴向合力所指的轴承被 放松 第八章滚动轴承 寿命计算 对于能够承受少量轴向力而 0的向心轴承 如深沟球轴承 6 类 因为 0 S1 0 S2 0 所以 Fa FA 图中 Fa1 0 Fa2 FA 第八章滚动轴承 寿命计算 处于三支点静不定状态 5 同一支点成对安装同型号角接触轴承时 若精确计算 需考虑轴承的变形 及轴向力大小对支反力作用点的影响 简化计算 将两轴承视为整体 双列轴承 Fr作用于中点 则 Fa1 0 Fa2 FA 计算P时X Y按双列轴承查表 基本额定静载荷 角接触球轴承 圆锥滚子轴承 单个轴承的基本额定静载荷 单个轴承的基本额定动载荷 第八章滚动轴承 例题 例 一轴转速为970r min 轴颈直径40mm Fr1 8000N Fr2 3600N FA 1000N 载荷有中等冲击 常温下工作 预期寿命10000小时 试选择合适的滚动轴承 解 1 初选轴承类型及型号 因载荷较大且有中等冲击 故初选圆锥滚子轴承30208 采用正装排列 支承结构简单 查 机械设计课程设计 P113得 C0r 74000N Cr 63000N 2 计算当量动载荷P 常温下工作 查表8 5 ft 1 因当量动载荷P的大小与轴承类型及型号有关 查表8 8 中等冲击 取fp 1 5 关键是求Fa和X Y 而Fa与S1 S2有关 第八章滚动轴承 例题 计算派生轴向力S1 S2 查表8 9 S Fr 2Y Y为Fa Fr e时的轴向载荷系数 由表8 7知Y与接触角 有关 Y 0 4cot 从 机械设计课程设计 P113中直接查出 Y 1 6 e 0 37 S1 Fr1 2Y 8000 2 1 6 2500N S2 Fr2 2Y 3600 2 1 6 1125N 计算轴向载荷Fa 合力向右 S2 FA 1125 1000 2125N S1 2500N 轴承1放松 轴承2压紧 故 放松端Fa1 压紧端Fa2 2500 1000 1500N 而e 1 5tan S1 2500N S1 FA 第八章滚动轴承 例题 确定系数X Y 表8 7 Fa1 Fr1 2500 8000 0 3125 e 0 37 故 查表8 7得X1 1 Y1 0 Fa2 Fr2 1500 3600 0 417 e 0 37 对轴承1 对轴承2 故 查手册得X2 0 4 Y2 1 6 P fp XFr YFa 则当量动载荷P为 轴承1 P1 fp X1Fr1 Y1Fa1 1 5 1 8000 12000N 轴承2 P2 1 5 0 4 3600 1 6 1500 5760N 注意 圆锥滚子轴承的e值与Fa C0r无关 第八章滚动轴承 例题 3 计算轴承寿命Lh 因P1 P2 轴承1的寿命短 故只需计算轴承1的寿命 滚子轴承 10 3 Lh1 10000h 故寿命不足 可改选30308轴承 再计算 注意 此时Y不同 故P会相应改变 P1 12000N P2 5760N 6 7 类轴承查 e 值和 Y 值时要用 线性插值法 第八章滚动轴承 静强度计算 8 5滚动轴承的静强度及极限转速计算 目的 防止轴承元件发生塑性变形 对象 低速重载或受较大冲击载荷作用的轴承 基本额定静载荷C0 限制塑性变形的极限载荷值 查手册 对向心轴承为C0r 径向基本额定静载荷 对推力轴承为C0a 轴向基本额定静载荷 静强度条件 P0 当量静载荷 S0 静强度安全系数 见表8 11 径向系数 轴向系数 X0 Y0 查表8 12 静强度计算 表征轴承的静强度大小 第八章滚动轴承 极限转速计算 目的 防止轴承元件发生磨损 胶合失效 针对高速运转的轴承 限制条件 nmax 最大工作转速 极限转速校核计算 nlim 滚动轴承的极限转速 定值 f1 载荷系数 图8 13 a f2 载荷分布系数 图8 13 b 第八章滚动轴承 组合设计 8 6滚动轴承支承部件的组合设计 组合设计的内容包括 轴向固定 实际上是对整个轴系起固定作用 承受轴向力 调整 配合与装拆 润滑与密封 一 滚动轴承的轴向固定 组合设计合理与否将影响轴系的受力 运转精度 轴承寿命及机器性能 重点 轴承的固定方法和调整 防止轴系发生轴向蹿动 通常用轴承盖来进行固定 常用三种固定方法 两端固定 一端固定 一端游动 两端游动 见 13 3及14 2 第八章滚动轴承 组合设计 1 两端固定 这是最常见的固定方式 两轴承的外圈都在单方向用轴承盖固定 适合于工作温升不高的短轴 跨距L 400mm 考虑到轴的受热伸长 应留出热补偿间隙C 对于深沟球轴承 2 一端固定 一端游动 对于向心角接触轴承 其轴向间隙可在轴承内部调整 其值比深沟球轴承小得多 查手册 图上可省略不画 适合于工作温升高的长轴 跨距L 400mm 固定支点的轴承外圈左右均固定 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 两端固定时可采用 深沟球轴承 6 角接触球轴承 7 圆锥滚子轴承 3 第八章滚动轴承 组合设计 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 固定支点 Fa不大 深沟球轴承 6 Fa较大 一对角接触轴承 3 7 Fa和Fr均大 推力与向心轴承组合 游动支点 深沟球轴承 6 内圈轴向需固定 圆柱滚子轴承 N 内 外圈轴向均需固定 注意 固定支点的内圈亦需进行轴向固定 为什么 为什么 N 类轴承作游动支点时外圈亦需轴向固定 为什么在 两端固定 正装结构中 内圈不需作轴向固定 两端固定 反装结构中 内圈需作轴向固定 第八章滚动轴承 组合设计 一根轴上的两个轴承都不进行轴向固定 3 两端游动 主要用于人字齿轮传动中的小齿轮轴 因为人字齿轮的左 右螺旋角不可能绝对相等 为使啮合传动时轮齿受载均匀 故应允许小齿轮轴系能做微量的轴向游动 以调整齿轮到正确的啮合位置 此时 大齿轮轴进行了两端固定 而小齿轮轴系 其轴向位置的约束靠人字齿的形锁合来保证 轴承内圈紧固措施 轴承外圈紧固措施 二 滚动轴承组合的调整 第八章滚动轴承 组合设计 垫片调整 1 间隙 游隙 的调整与控制 为使轴承正常工作 装配轴承时一般要留出适当的游隙或热补偿间隙 通过增 减垫片厚度来调整间隙 如何调整至规定间隙 螺钉调整 用于轴向力不是太大的轴承组合 2 轴系部件位置的调整 使轴上零件处于准确的工作位置 通常用垫片调整 圆螺母调整 小锥齿轮轴系两种固定方式比较 正装 悬臂长 刚度小 反装 悬臂短 刚度大 常用于反装的角接触轴承组合 第八章滚动轴承 组合设计 3 角接触轴承的预紧 预紧 安装时对轴承预先施加一轴向力 预紧力 目的 受载后变形量小 提高回转精度和支承刚度 方法 同一支点成对安装 预紧结构 常用于对回转精度 支承刚度要求很高的设备 预紧力应适当 过大会引起轴承磨损 发热 缩短寿命 消除内部游隙 并使套圈与滚动体的接触点产生预变形 金属垫片 磨窄套圈等 第八章滚动轴承 组合设计 内圈与轴颈 1 滚动轴承的配合 三 滚动轴承的配合及装拆 外圈与座孔 只标注支承座孔的配合代号和公差等级 基孔制 基轴制 由于滚动轴承是标准件 外径D的公差带 内径d的公差带 内 外径均为负偏差 即实际尺寸 名义尺寸 故内圈与轴颈的配合比一般圆柱体的配合紧得多 只标注轴颈的配合代号和公差等级 第八章滚动