机械设计基础第六版第16章 滚动轴承.ppt

自用盘编号JJ321002 机械设计基础第十六章滚动轴承 16 1滚动轴承的基本类型 外圈 支撑零件或轴系 保持架 将滚动体分开 内圈 支撑轴 滚动体 滑动 滚动 硬度和接触疲劳强度 耐磨性和冲击韧性 用含铬合金钢制造 经热处理后硬度达 61 65HRC 工作表面需经磨削或抛光 保持架 低碳钢 高速轴承 有色金属或塑料 一 滚动轴承的组成 滚动副的材料要求 外圈 内圈 滚动体 保持架 优点 摩擦阻力小 启动灵敏 效率高 润滑简便 和易于互换等 缺点 抗冲击能力差 高速时出现噪音 接触角 滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角称为公称接触角 接触角 轴向承载能力 0 轴承类型 按载荷方向分 按滚动体形状分 向心轴承 推力轴承 圆柱滚子 圆锥滚子 球面滚子 滚针 球轴承 滚子轴承 二 滚动轴承的基本类型 用球形滚动体的轴承称为 球轴承 用各种滚子的轴承称为 滚子轴承 滚动轴承常用类型 表16 2常用滚动轴承的类型和特性 主要承受径向负荷 可承受少量的双向轴向负荷 外圈滚道为球面 具有自动调心性能 适用于多支点轴 弯曲刚度小的轴以及难于精确对中的支承 2 3 中 12221323 0 222 0 323 调心球轴承1或 1 同时能承受径向负荷和双向的轴向负荷 比角接触球轴承具有较大的承载能力 与双联角接触球轴承比较 在同样负荷作用下能使轴在轴向更紧密地固定 中 3233 3233 双列角接触球轴承 能承受较大的径向负荷和单向的轴向负荷 极限转速较低 内外圈可分离 轴承游隙可在安装时调整 通常成对使用 对称安装 适用于转速较高 轴的刚性较好的场合 2 中 302303313320322323329330331330 02031320222329303132 圆锥滚子轴承3 可承受很大的轴向负荷和一定的径向负荷 滚子为鼓形 外圈滚道为球面 能自动调心 转速可比推力球轴承高 常用于水轮机轴和起重机转盘等 2 3 292293294 929394 推力调心滚子轴承2 主要承受径向负荷 其承受能力比调心球轴承大一倍 也能承受少量的双向轴向负荷 外圈滚道为球面 具有调心性能 适用于多支点轴 弯曲刚度小的轴及难于精确对中的支承 0 5 2 中 213222222230231232240241 1322233031324041 调心滚子轴承2 不允许 不允许 低 522523524 222324 推力球轴承的套圈与滚动体可分离 单向推力球轴承只能承受单向轴向负荷 两个圈的内孔不一样大 内孔较小的与轴配合 内孔较大的与机座固定 双向推力球轴承可以承受双向轴向负荷 中间圈与轴配合 另两个圈为松圈高速时 由于离心力大 寿命较低 常用于轴向负荷大 转速不高的场合 低 511512513514 11121314 推力球轴承5 主要承受径向负荷 也能承受一定的双向轴向负荷 它比深沟球轴承具有较大的承载能力 中 4243 2 2 2 3 双列深沟球轴承4 能承受很大的单向轴向负荷 但不能承受径向负荷 它比推力球轴承承载能力要大 套圈也分紧圈与松圈 极限转速很低 适用于低速重载场合 不允许 低 811812 1112 推力圆柱滚子轴承8 能同时承受径向负荷与单向的轴向负荷 公称接触角a有15 25 40 三种 a越大 轴向承载能力也越大 成对使用 对称安装 极限转速较高 适用于转速较高 同时承受径向和轴向负荷的场合 2 3 较高 71970727374 19 1 0 0 2 0 3 0 4 角接触球轴承7 主要承受径向负荷 也可同时承受少量双向轴向负荷 工作时内外圈轴线允许偏斜 摩擦阻力小 极限转速高 结构简单 价格便宜 应用最广泛 但承受冲击载荷能力较差 适用于高速场合 在高速时可代替推力球轴承 8 16 高 61763761861916060626364 17371819 0 0 1 0 0 2 0 3 0 4 深沟球轴承6或 16 滚动体数量较多 一般没有保持架 径向尺寸紧凑且承载能力很大 价格低廉不能承受轴向负荷 摩擦系数较大 不允许有偏斜 常用于径向尺寸受限制而径向负荷又较大的装置中 只能承受径向负荷 承载能力比同尺寸的球轴承大 承受冲击载荷能力大 极限转速高对轴的偏斜敏感 允许偏斜较小 用于刚性较大的轴上 并要求支承座孔很好地对中 不允许 低 NA48NA49NA69 484969 滚针轴承NA 2 4 较高 N10N2N22N3N23N4 10 0 222 0 323 0 4 圆柱滚子轴承N 在同样外形尺寸下 滚子轴承的承载能力约为球轴承的1 5 3倍 所以 在载荷较大或有冲击载荷时宜采用滚子轴承 但当轴承内径d 20mm时 滚子轴承和球轴承的承载能力已相差不多 而球轴承的价格一般低于滚子轴承 故可优先选用球轴承 由于结构的不同 各类轴承的使用性能如下 1 承载能力 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与接触角有关 2 接触角 接触角 轴向承载能力 滚动轴承按其承受载荷的方向或公称接触角的不同 可分为 1 径向轴承 主要承受径向载荷 其公称接触角从0 到45 2 推力轴承 主要用于承受轴向载荷 其公称接触角从大于45 到90 各类球轴承的公称接触角 a 90 由于接触角的存在 角接触轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷 公称接触角小的 如角接触向心轴承 主要用于承受径向载荷 公称接触角大的 如角接触推力轴承 主要用于承受轴向载荷 径向接触向心球轴承的公称接触角为零 但由于滚动体与滚道间留有微量间隙 受轴向载荷时轴承内外圈间将产生轴向相对位移 实际上形成一个不大的接触角 所以它也能承受一定的轴向载荷 滚动轴承转速过高会使摩擦面间产生高温 润滑失效 从而导致滚动体回火或胶合破坏 轴承在一定载荷和润滑条件下 允许的最高转速称为极限转速 其具体数值见有关手册 3 极限转速nc 各类轴承极限转速的比较 深沟球轴承极限转速nc高 适用于高速场合 推力圆柱滚子轴承极限转速nc低 适用于低速重载场合 轴承由于安装误差或轴的变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜 其倾斜角称为角偏差 各类轴承的允许角偏差见表1 4 角偏差 自用盘编号JJ321002 宽 高 度系列代号 直径系列代号 类型代号 尺寸系列代号 2 基本代号 表示轴承的基本类型 结构和尺寸 成套轴承分部件代号 1 前置代号 成套轴承分部件代号 16 2滚动轴承的代号 根据GB272 2017的规定 用一组代号 数字和字母 来表示轴承的类型 尺寸 结构特点和精度等级等 推力球轴承50000 滚针轴承a NA0000b RNA0000 内径相同 而直径系列代号不同的四种轴承的比较 尺寸系列代号 左起第二 三位 表16 4向心轴承 推力轴承尺寸系列代号表示法 内径代号 基本代号左起第四 五位 轴承内径尺寸代号 3 后置代号 用字母 或加数字 表示 注 公差等级中0级最低 向右依次增高 2级最高 实例 说明滚动轴承62203和7312AC P6的含义 62203 7 0 312AC P6 16 3滚动轴承的选择计算 一 失效形式 1 滚动轴承的载荷分布 滚动轴承在通过轴心线的轴向载荷 中心轴向载荷 Fa作用下 可认为各滚动体所承受载荷是相等的 当轴承受纯径向载荷Fr作用时 右图 由于各接触点上存在弹性变形 使内圈沿Fr方向下移一距离 上半圈滚动体不承受载荷 而下半圈各滚动体承受不同的载荷 处于Fr作用线最下位置的滚动体受载最大 Qmax 而远离作用线的各滚动体 其受载就逐渐减小 对于 0 的向心轴承可以导出 式中 z为轴承的滚动体的总数 2 滚动轴承的失效形式 1 疲劳破坏 如图所示 在工作过程中 滚动体和内外圈不断地接触 滚动体与滚道受变应力作用 可近似地看作是脉动循环 在载荷的反复作用下 首先在表面下一定深度处产生疲劳裂纹 继而扩展到接触表面 形成疲劳点蚀 致使轴承不能正常工作 通常 疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式 2 塑性变形 此外 使用维护和保养不当或密封润滑不良也能引起轴承早期磨损 胶合 内外圈和保持架破损等失效形式 当轴承转速很低或间歇摆动时 一般不会产生疲劳损坏 而很大的静载荷或冲击载荷会使轴承滚道和滚动体接触处产生塑性变形 使滚道表面形成变形的凹坑 从而使轴承在运转中产生剧烈振动和噪声 无法正常工作 二 轴承寿命 轴承的套圈或滚动体的材料首次出现疲劳点蚀前 一个套圈相对于另一个套圈的转数 称为轴承的寿命 寿命还可以用在恒定转速下的运转小时数来表示 对于一组同一型号的轴承 由于材料 热处理和工艺等很多随机因素的影响 即使在相同条件下运转 寿命也不一样 有的甚至相差几十倍 因此 对一个具体轴承 很难预知其确切的寿命 可靠性常用可靠度R度量 一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分率 称为轴承寿命的可靠度 一组同一型号轴承在相同条件下运转 其可靠度为90 时 能达到或超过的寿命称为额定寿命 单位为百万转 106转 换言之 即90 的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过的寿命 称为额定寿命 对单个轴承来讲 能够达到或超过此寿命的概率为90 自用盘编号JJ321002 对于相同型号的轴承 在不同载荷F1 F2 F3 作用下 若轴承的额定寿命分别为L1 L2 L3 106转 则它们之间有如下的关系 额定动载荷及寿命计算 在寿命L 转 可靠度为90 时 轴承能承受的载荷为额定动载荷 用C表示 或 式中 为寿命系数 对球轴承 3 滚子轴承 自用盘编号JJ321002 自用盘编号JJ321002 16 3滚动轴承的选择计算 一 滚动体的受力分析 失效形式 受纯径向载荷Fr时 上半圈滚动体不受力 下半圈各滚动体受力大小方向均不同 可以导出 疲劳破坏 永久变形 早期磨损 胶合 内外圈和保持架破裂 维护保养不当而造成 所有水平分力相互抵销 铅垂分力与外载荷平衡 受纯轴向载荷时 各滚动体受力相同 对一组同一型号的轴承 由于材料 热处理和工艺等很多随机因素的影响 即使在相同条件下运转 寿命也不一样 有的甚至相差几十倍 因此 对一个具体的轴承 很难预知其确切的寿命 实验表明 寿命与可靠性有关 如图 二 轴承寿命 定义 轴承在一定转速下 其中任何零件出现疲劳扩展迹象之前的工作小时数称为 可靠度 一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分比 基本额定寿命 一组同一型号轴承 在同一运转条件下 其可靠度R为90 时 能达到或超过的寿命L Lh 在到达额定寿命时 有90 的轴承没坏 只损坏了10 基本额定动载荷 当一套轴承运转达到一百万转时 轴承所能承受的载荷C 向心轴承记为 Cr 可查表 推力轴承记为 Ca 轴承寿命 大量试验得如下关系 寿命指数 球轴承 滚子轴承 用小时表示 P 当量动载荷 当t 100 时 C 引进温度系数ft进行修正 一恒定径向 或轴向 载荷 在该载荷作用下 滚动轴承具有与实际载荷作用下的寿命 修正结果 工作中冲击振动 C 引进载荷系数fP进行修正 基本额定动载荷 向心轴承 推力轴承 自用盘编号JJ321002 短时间或间断使用 中断时不致引起严重后果4000 8000 间断使用 中断时会引起严重后果8000 12000 每天8h工作的机械12000 20000 每天24h连续工作的机械40000 60000 自用盘编号JJ321002 例2试求N207轴承允许的最大径向载荷 已知工作转速n 200r min 工作温度t 100 载荷平稳 寿命Lh 10000h 解 对向心轴承 由寿命计算式可得载荷为 由机械设计手册查得圆柱滚子轴承N207的径向额定动载荷C 28500N 因t 100 由表8查得fT 1 因载荷平稳 由表9查得fp 1 对滚子轴承取 10 3 将以上有关数据待入上式 得 故在规定的条件下 N207轴承可承受的载荷为6778N 三 当量动载荷的计算 含义 当量动载荷是一种考虑径向载荷与轴向载荷双重影响 经换算后的假想载荷 其效果与某一个基本额定动载荷相当 计算公式 P XFr YFa X 径向动载荷系数 Y 轴向动载荷系数 向心轴承 P Fr 推力轴承 P Fa 查表16 12P260 四 角接触向心轴承轴向载荷的计算 受力分析 Fi F i F i 总轴向力F F i 为使内部轴向力平衡 以免轴窜动 这种轴承应 成对使用 对称安装 内部轴向力 第i个滚动体 1 若FA F 2 F 1 压紧端 Fa1 FA F 2 放松端 Fa2 F 2 2 若FA F 2 F 1 放松端 Fa1 F 1 压紧端 Fa2 F 1 FA 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 反装时选左边的轴承为1 右边的轴承为2 1 若FA F 2 F 1则有 结论与正装相同 压紧端 Fa1 FA F 2 放松端 Fa2 F 2 2 若FA F 2 F 1 则有 放松端 Fa1 F 1 压紧端 Fa2 F 1 FA 自用盘编号JJ321002 为限制滚动轴承在过载和冲击载荷下产生的永久变形 应按静载荷作校核计算 按静载荷进行校核的公式如下 五 滚动轴承的静强度校核 式中 S0为静强度安全系数 C0为基本额定静载荷 P0为当量静载荷 X0为径向静载荷系数 Y0为轴向静载荷系数 根据轴承型号可从设计手册中查得C0 X0或Y0可按查表16 13 S0一般取0 8 1 2 例4 某工程机械轴采用轴承7208AC支撑 Fr1 1000N Fr2 2060N FA 880N 转速n 5000r min 中等冲击 预计寿命Lh 2000h 试问型号选择是否恰当 解 7208AC角接触球轴承 接触角 25 1 计算轴承1 2的轴向力Fa1 Fa2 方向向左 方向向右 由于 故轴承1为压紧端Fa1 2280N轴承2为放松端Fa2 1400N 2 计算轴承1 2的当量动载荷 查表 得e 0 68 查表 X1 0 41 Y1 0 87 查表 X2 1 Y2 0 P1 X1Fr1 Y1Fa1 0 41 1000 0 87 2280 2394N P2 X2Fr2 Y2Fa2 1 2060 0 1400 2060N 由于P1 P2 以轴承1的当量动载荷为计算依据 3 计算所需基本额定动载荷 查表 中等冲击取fp 1 5 正常温度ft 1 4 查表7208AC轴承的基本额定动载荷为 35200N 大于计算值 故所选轴承适用 一 滚动轴承的润滑 润滑剂 润滑目的 减小摩擦 减轻磨损 吸振 降温 降噪 16 4滚动轴承的润滑和密封 密封目的 防止灰尘 水分进入轴承 阻止润滑剂流失 润滑脂 润滑油 固体润滑剂用于特殊场合 用速度因素dn值作为选择润滑剂的条件 常用 高速 高温 当dn 2 3 105mm r min时 采用脂润滑 否则用油润滑 脂润滑优点 不容易流失 便于密封和维护 充填一次 可运转较长时间 油润滑优点 摩擦阻力小 能散热 可在高速 高温环境下使用 dn间接反映了轴颈的圆周速度 二 滚动承的密封 润滑油的选择 润滑油的粘度根据速度因素dn和工作温度t来确定 滚动承的密封方式的选择与润滑的种类 工作环境 温度 密封表面的圆周速度有关 分类 接触式 非接触式 组合式密封 毛毡圈密封 密封圈密封 间隙密封 迷宫式密封 毛毡迷宫式密封 例如 dn 100000 t 90 可用110号润滑油 适用场合 脂润滑 要求环境清洁 轴颈圆周轴速度v 4 5m s 工作温度不超过90 矩形断面的毛毡圈被安装在梯形槽内 它对轴产生一定的压力而起到密封作用 适用场合 脂或油润滑 轴颈圆周轴速度v 4 5m s 工作温度 40 100 防漏油 防灰尘 密封唇朝外 主要目的是防灰尘 杂质 接触式密封 适用场合 脂润滑 要求环境干燥清洁 靠轴与端盖之间的细小环形间隙密封 间隙愈小愈长 效果愈好 间隙取0 1 0 3mm 间隙封圈 0 1 0 3mm 非接触式密封 适用场合 脂润滑或油润滑 工作温度不高于密封用脂的地点 密封效果可靠 迷宫式封圈 0 1 0 2mm 1 5 2mm 适用场合 适用于脂润滑或油润滑 密封效果可靠 组合式密封 16 5滚动轴承的组合设计 一 轴承类型的选择 1 无轴向载荷时 宜用深沟球轴承 如直齿轮轴 16 5滚动轴承的组合设计 一 轴承类型的选择 1 无轴向载荷时 宜用深沟球轴承 如直齿轮轴 2 径向与轴向载荷联合作用时 宜用角接触球轴承或圆锥滚子轴承 如斜齿轮轴 16 5滚动轴承的组合设计 一 轴承类型的选择