对角接触球轴承或圆锥滚子轴承PPT课件.ppt

第十一章滚动轴承 11 滚动轴承的结构和类型 11 2滚动轴承的代号及类型选择 11 3滚动轴承的计算 11 4滚动轴承的组合设计 11 5滚动轴承的润滑与密封 1 11 滚动轴承的结构和类型 一 滚动轴承的构造 内圈 外圈 滚动体 保持架 2 3 4 5 6 二 滚动轴承的参数1 游隙在没有外载荷的作用下 滚动轴承的内 外圈滚道与滚动体之间的间隙称为游隙 因此 内 外圈可以有相对位移 其最大的位移量称为轴承的游隙 沿轴向的相对位移量称为轴向游隙 用 表示 沿径向的相对位移量称为径向游隙 用 表示 滚动轴承的游隙影响轴承的运动精度 寿命 噪声 刚度 承载能力等 7 2 接触角滚动体和套圈接触点的公法线n 与轴承径向平面之间所夹的锐角 称为公称接触角 简称接触角用 表示 接触角是滚动轴承的一个主要参数 轴承的受力分析和承载能力等都与接触角有关 对于角接触轴承来说 公称接触角越大 轴承所能承受轴向载荷的能力就越大 接触角由轴承的结构类型所决定 8 轴承的公称接触角 深沟轴承 角接触球轴承 单列推力球轴承 圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承 推力调心滚子轴承 公称接触角 滚动体与外圈滚道接触处法线与轴承径向线间的夹角 9 3 极限转速滚动轴承在一定载荷和润滑条件下 所允许的最高转速称为极限转速 用n 表示 滚动轴承的转速过高 会使摩擦面之间产生高温 造成润滑失效 从而导致滚动体破坏 4 偏位角在工作中 由于加工 安装误差或轴和支承受力变形等原因 轴产生弯曲变形 引起轴承内 外圈的轴线不在同一直线上 发生相对倾斜 其倾斜角称为偏位角 用 表示 偏位角较大时会影响轴承的正常工作 10 三 滚动轴承的分类 按接触角 的大小和所能承受载荷的方向 轴承可分为 1 向心轴承 公称接触角 0 45 向心轴承又可细分为 A 径向接触轴承 0 只能承受径向载荷 如圆柱滚子轴承 或主要用于承受径向载荷 但也能承受少量的轴向载荷 如深沟球轴承 B 向心角接触轴承 0 45 能同时承受径向载荷和单向的轴向载荷 如角接触球轴承及圆锥滚子轴承 11 2 推力轴承 公称接触角 45 90 推力轴承又可细分为 A 轴向接触轴承 只用于承受轴向载荷 B 推力角接触轴承 主要承受大的轴向载荷 也能承受不大的径向载荷 12 按滚动体的形状 滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承 13 按滚动体的形状 滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承 14 按滚动体的形状 滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承 球轴承 承载能力低 极限转速高 滚子轴承 承载能力高 极限转速低 15 11 2滚动轴承的代号及类型选择 一 滚动轴承的代号 滚动轴承代号由基本代号 前置代号和后置代号组成 用字母和数字等表示 轴承代号的构成见表 16 基本代号 表示轴承的类型与尺寸等主要特征 后置代号 表示轴承的精度与材料的特征 前置代号 表示轴承的分部件 注 基本代号下面的一至五表示代号自右向左的位置序数 17 1 基本代号 1 轴承类型 基本代号右起五位 18 宽度系列 右起第四位 数字0 9 2 尺寸系列 基本代号右起三 四位 宽度系列在前 直径系列在后 801234567912 向心轴承宽度增加 推力轴承高度增加 但对圆锥滚子轴承和调心滚子轴承不能省略 0 宽度系列代号 一般正常宽度为 0 通常不标注 19 直径系列 右起第三位 数字0 4 01234 特轻轻中重 外径增加 20 3 轴承的内径 右起一二位数字 c d500mm时内径表示方法见国标 21 3 后置代号 轴承的结构 公差 游隙及材料的特殊要求等 1 内部结构代号 2 轴承的公差等级 普通级可省略 C AC B 角接触球轴承的接触角 3 轴承的径向游隙 22 6308 6 深沟球轴承 3 中系列 08 内径d 40mm 公差等级为0级 游隙组为0组 N105 P5 7214AC P4 7 角接触球轴承 2 轻系列 14 内径d 70mm 公差等级为4级 游隙组为0组 公称接触角 25 30211 3 圆锥滚子轴承 2 轻系列 11 内径d 55mm 0 正常宽度 0不可省略 公差等级为0级 游隙组为0组 6103 6 深沟球轴承 1 特轻系列 03 内径d 17mm 公差等级为0级 游隙组为0组 N 圆柱滚子轴承 1 特轻系列 05 内径d 25mm 公差等级为5级 游隙组为0组 23 由于滚动轴承多为已标准化的外购件 因而 在机械设计中设计滚动轴承部件时 只需 正确选择出能满足约束条件的滚动轴承 包括 合理选择轴承的类型 尺寸系列 内径以及诸如公差等级 特殊结构等 校核所选出的轴承是否能满足强度 转速 经济等方面的约束 二 滚动轴承的选择 一 类型选择选用滚动轴承时 首先是选择滚动轴承的类型 选择轴承的类型 应考虑轴承的工作条件 各类轴承的特点 价格等因素 和一般的零件设计一样 轴承类型选择的方案也不是唯一的 可以有多种选择方案 选择时 应首先提出多种可行方案 经深入分析比较后 再决定选用一种较优的轴承类型 一般 选择滚动轴承时应考虑的问题主要有 1 轴承所受载荷的大小 方向和性质 这是选择轴承类型的主要依据 24 1 载荷的大小与性质通常 由于球轴承主要元件间的接触是点接触 适合于中小载荷及载荷波动较小的场合工作 滚子轴承主要元件间的接触是线接触 宜用于承受较大的载荷 2 载荷方向若轴承承受纯轴向载荷 一般选用推力轴承 若所承受的纯轴向载荷较小 可选用推力球轴承 若所承受的纯轴向载荷较大 可选用推力滚子轴承 若轴承承受纯径向载荷 一般选用深沟球轴承 圆柱滚子轴承或滚针轴承 当轴承在承受径向载荷的同时 还承受不大的轴向载荷时 可选用深沟球轴承或接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承 当轴向载荷较大时 可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承 或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构 分别承担径向载荷和轴向载荷 2 轴承的转速通常 转速较高 载荷较小或要求旋转精度较高时 宜选用球轴承 转速较低 载荷较大或有冲击载荷时 宜选用滚子轴承 推力轴承的极限转速很低 工作转速较高时 若轴向载荷不很大 可采用角接触球轴承承受轴向载荷 25 3 轴承的调心性能 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时 或因轴受力弯曲或倾斜时 会造成轴承的内 外圈轴线发生偏斜 这时 应采用有一定调心性能的调心球轴承或调心滚子轴承 对于支点跨距大 轴的弯曲变形大或多支点轴 也可考虑选用调心轴承 圆柱滚子轴承 滚针轴承以及圆锥滚子轴承对角度偏差敏感 宜用于轴承与座孔能保证同心 轴的刚度较高的地方 值得注意的是 各类轴承内圈轴线相对外圈轴线的倾斜角度是有限制的 超过限制角度 会使轴承寿命降低 4 轴承的安装和拆卸 当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时 应优先选用内外圈可分离的轴承 如圆柱滚子轴承 滚针轴承 圆锥滚子轴承等 当轴承在长轴上安装时 为了便于装拆 可以选用其内圈孔为1 12的圆锥孔的轴承 26 5 经济性要求 一般 深沟球轴承价格最低 滚子轴承比球轴承价格高 轴承精度愈高 则价格愈高 选择轴承时 必须详细了解各类轴承的价格 在满足使用要求的前提下 尽可能的降低成本 二 尺寸系列 内径等的选择 尺寸系列包括直径系列和宽 高 度系列 选择轴承的尺寸系列时 主要考虑轴承承受载荷的大小 此外 也要考虑结构的要求就直径系列而言 载荷很小时 一般可以选择超轻或特轻系列 载荷很大时 可考虑选择重系列 一般情况下 可先选用轻系列或中系列 待校核后再根据具体情况进行调整 对于宽度系 一般情况下可选用正常系列 若结构上有特殊要求时 可根据具体情况选用其它系列 轴承内径的大小与轴颈直径有关 一般可根据轴颈直径初步确定 公差等级 若无特殊要求 一般选用0级 若有特殊要求 可根据具体情况选用不同的公差等级 由于设计问题的复杂性 轴承的选择不应指望一次成功 必须在选择 校核乃至结构设计的全过程中 反复分析 比较和修改 才能选择出符合设计要求的较好的轴承方案 27 13 3滚动轴承的类型选择 滚动轴承是标准零件 要求设计者应能在机械设计过程中 根据使用的要求较合理地选择滚动轴承的类型与规格 滚动轴承选择的一般过程 根据载荷性质选择轴承的类型和直径系列 28 1 受轴向载荷Fa 各滚动体平均分担 2 受径向载荷Fr 上半圈滚动体不受力下半圈滚动体受力 一 滚动轴承的受力分析 11 3滚动轴承的计算 29 对于工作时旋转的内圈上任一点 在承受载荷区内 每次与滚动体接触就受载荷一次 因此旋转内圈上a点的载荷及应力是周期性变化的 对于固定的外圈 各点所受载荷随位置不同而大小不同 对位于承受载荷区内的任一点b 当每一个滚动体滚过便受载荷一次 而所受载荷的最大值是不变的 承受稳定的脉动载荷 滚动体工作时 有自转又有公转 因而 其上任一点所受的载荷和应力也是变化的 其变化规律与内圈相似 只是变化频率增加 综上所述 滚动轴承各元件上所受的应力 都是按脉动循环变化的接触应力 30 2020 1 7 31 二 主要失效形式 1 疲劳点蚀 有适当的润滑和密封 安装和维护条件正常时 绝大多数轴承由于滚动体沿着套圈滚动 在相互接触的物体表层内产生变化的接触应力 经过一定次数循环后 此应力就导致表层下不深处形成的微观裂缝 微观裂缝被渗入其中的润滑油挤裂而引起点蚀 32 2 塑性变形 在过大的静载荷和冲击载荷作用下 滚动体或套圈滚道上出现不均匀的塑性变形凹坑 这种情况多发生在转速极低或摆动的轴承 33 3 磨损 滚动轴承在密封不可靠以及多尘的运转条件下工作时 易发生磨粒磨损 通常在滚动体与套圈之间 特别是滚动体与保持架之间有滑动摩擦 如果润滑不好 发热严重时 可能使滚动体回火 甚至产生胶合磨损 转速越高 磨损越严重 34 校核时需要满足的设计约束主要是避免轴承失效 以保证轴承能在规定的期限内正常工作 一般 轴承在不同工况下其主要失效形式不同 对于中速运转的轴承 其主要失效形式是疲劳点蚀 设计约束是保证轴承具有足够的疲劳寿命 应按疲劳寿命进行校核计算 对于高速轴承 由于发热大 常产生过度磨损和烧伤 设计约束除保证轴承具有足够的疲劳寿命之外 还应限制其转速不超过极限值 即除进行寿命计算外 还要校核其极限转速 对于不转动或转速极低的轴承 其主要的失效形式是产生过大的塑性变形 设计约束是要防止产生过大的塑性变形 需要进行静强度的校核计算 另外由于不正常的安装 拆卸及操作也会引起轴承元件破裂等损坏 这是应该避免的 35 三 滚动轴承的寿命计算 1 滚动轴承的基本额定寿命 寿命 轴承中任一元件首次出现疲劳点蚀前轴承所经历的总转数 或恒定转速下的总工作小时数 基本额定寿命 一批相同的轴承 在相同条件下运转 其中90 的轴承不出现疲劳点蚀时的总转数或在给定转速下工作的小时数 用L10或Lh表示 由于对同一批轴承 结构 尺寸 材料 热处理以及加工等完全相同 在完全相同的工作条件下进行寿命实验 滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的 所以只能用基本额定寿命作为选择轴承的标准 36 2 基本额定动载荷 一批同型号的轴承基本额定寿命为1 106转 时轴承所承受的载荷 用C表示 对向心轴承 指的是纯径向载荷 并称为径向基本额定动载荷 用Cr表示 对推力轴承 指的是纯轴向载荷 并称为轴向基本额定动载荷 用Ca表示 对角接触球轴承或圆锥滚子轴承 指的是使套圈间只产生纯径向位移的载荷的径向分量 各类轴承型号的基本额定动载荷可查手册得到 37 3 当量动载荷P fP 载荷系数 表13 6 X 径向载荷系数 表13 5 Y 轴向载荷系数 38 4 滚动轴承的寿命计算公式 载荷与寿命的关系 球轴承 3滚子轴承 10 3 寿命指数 或 P 轴承当量动载荷 39 当工作t 100 时 因金属组织硬度和润滑条件等的变化 轴承的基本额定动载荷C有所下降 引入温度系数ft 当P n已知 预期寿命为 Lh 表13 3 则要求选取的轴承应具有的额定动载荷为 校核轴承寿命Lh Lh 选轴承型号和尺寸 40 四 角接触球轴承与圆锥滚子轴承的轴向载荷Fa的计算 角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受纯径向载荷时 要产生派生的轴向力 角接触球轴承及圆锥滚子轴承的派生轴向力的大小按下表计算 方向 由外圈宽端面指向窄端面 支反力作用点偏向窄端面一侧 41 1 若Fae Fa2 Fa1 压紧端 Fa1 Fae Fa2 放松端 Fa2 Fa2 2 若Fae Fa2 Fa1 放松端 Fa1 Fa1 压紧端 Fa2 Fa1 Fae 外圈窄边相对安装 正装 结论 放松端轴承的轴向载荷 内部轴向力 压紧端轴承的轴向载荷 其余轴向力的代数和本身除外 轴承2 放松端 承受的轴向载荷 由于轴承1的右端已固定 轴不能向右移动 轴承1被压紧 由平衡条件得轴承1 压紧端 承受的轴向载荷 则轴承2被压紧 由平衡条件得 正装 42 反装时选左边的轴承为1 右边的轴承为2 1 若Fae Fa2 Fa1则有 压紧端 Fa1 Fae Fa2 放松端 Fa2 Fa2 2 若Fae Fa2 Fd1 则有 放松端 Fa1 Fa1 压紧端 Fa2 Fa1 Fae 结论与正装相同 放松端轴承的轴向载荷 内部轴向力 压紧端轴承的轴向载荷 其余轴向力的代数和本身除外 反装 43 综上可知 计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法可归结为 根据轴承的安装方式及轴承类型 确定轴承派生轴向力S1 S2的方向 大小 2 确定轴上的轴向外载荷Fa的方向 大小 即所有外部轴向载荷的代数和 3 判明轴上全部轴向载荷 包括外载荷和轴承的派生轴向载荷 的合力指向 根据轴承的安装形式 找出被 压紧 的轴承及被 放松 的轴承 实际轴向载荷FA的确定 4 被 压紧 轴承的轴向载荷等于除本身派生轴向载荷以外的其它所有轴向载荷的代数和 即另一个轴承的派生轴向载荷与外载荷FA的代数和 5 被 放松 轴承的轴向载荷等于轴承自身的派生轴向载荷 44 极限转速校核 滚动轴承转速过高 会使摩擦表面间产生很高的温度 影响润滑剂的性能 破坏油膜 从而导致滚动体回火或元件胶合失效 因此 对于高速滚动轴承 除应满足疲劳寿命约束外 还应满足转速的约束 滚动轴承的极限转速值已列入轴承样本中 但这个转速是指负荷不太大 P 0 1C C为基本额定动载荷 冷却条件正常 且轴承公差等级为0级时的最大允许转速 当轴承在重负荷 P 0 1C 下工作时 接触应力将增大 向心轴承受轴向力作用时 将使受载滚动体增加 增大轴承接触表面间的摩擦 使润滑态变坏 这时 要用负荷系数f1和负荷分布系数f2对手册中的极限转速值进行修正 这样 滚动轴承极限转速的约束条件为 f1f2 f1f2见表17 19 45 五 滚动轴承的静强度计算 对于在工作载荷下基本不旋转或缓慢旋转或缓慢摆动的轴承 其失效形式不是疲劳点蚀 而是因滚动接触面上的接触应力过大而产生的过大的塑性变形 在国家标准中 对每一种规格的滚动轴承规定了一个不应超过得载荷界限 基本额定静载荷 用C0表示 46 滚动轴承尺寸选择的过程 由力分析确定轴承所承受的Fr与Fa 47 11 4滚动轴承的组合设计 正确选用轴承类型和型号之后 为了保证轴与轴上旋转零件正常运行 还应解决轴承组合的结构问题 其中包括 轴承组合的轴向固定 轴承与相关零件的配合 间隙调整 装拆 润滑等一系列问题 一 滚动轴承的固定 48 二 轴系的轴向定位 1 两端单向固定 正常的滚动轴承支承应使轴能正常传递载荷而不发生轴向窜动及轴受热膨胀后卡死等现象 常用的滚动轴承支承结构型式有三种 轴的两个轴承分别限制一个方向的轴向移动 这种固定方式称为两端单向固定 考虑到轴受热伸长 对于深沟球轴承可在轴承盖与外圈端面之间 留出热补偿间隙c 0 2 0 3mm 间隙量的大小可用一组垫片来调整 这种支承结构简单 安装调整方便 它适用于工作温度变化不大的短轴 49 50 51 2 一端双向固定 一端游动 一端支承的轴承 内 外圈双向固定 另一端支承的轴承可以轴向游动 双向固定端的轴承可承受双向轴向载荷 游动端的轴承端面与轴承盖之间留有较大的间隙 以适应轴的伸缩量 这种支承结构适用于轴的温度变化大和跨距较大的场合 52 53 3 两端游动 两端游动支承结构的轴承 分别不对轴作精确的轴向定位 两轴承的内 外圈双向固定 以保证轴能作双向游动 两端采用圆柱滚子轴承支承 适用于人字齿轮主动轴 但与其啮合的另一轴系必须两端固定 54 2 轴系轴向位置的调整 某些传动零件在安装时要求处于准确的轴向工作位置 才能保证正确啮合 如图所示的圆锥齿轮传动简图 装配时要求两个齿轮的节锥顶点重合 因此 两轴的轴承组合必须保证轴系能作轴向位置的调整 图为小锥齿轮轴组合部件 为便于齿轮轴向位置的调整 采用了套杯结构 图a中轴承正装 有两组调整垫片