机械设计_第9章 滚动轴承.pdfVIP

第9章 滚动轴承第9章 滚动轴承 基本要求 基本要求 1 滚动轴承的构造 材料 优缺点都是基本知识 应予了解 2 不同类型的滚动轴衬分别实用于不同负荷 转速以及特殊的工作要求 要了解各类 轴承的特点 注意 6 和 N 类 1 和 2 类 3 和 7 类 都是球和滚子对应 类 同尺寸的滚子轴承和球轴承相比 承载能力高 但极限转速较低 应掌握选用滚动轴承类型的原则 3 滚动轴承代号右起四位数字的含义和表示方法必须清楚 4 有什么样的失效形式 就应该有相应防止失效的计算或防止失效的措施 因此对试 销和计算准则应予重视 5 滚动轴承的寿命计算是本章重点内容之一 要分清基本额定寿命 基本额定负荷和 当量负荷的概念 及当量负荷的计算方法 在此基础上 掌握滚动轴承的寿命计算 9 1 概述9 1 概述 滚动轴承是标准件 本章主要说明常用滚动轴承类型的特点 根据工作条件选用适合的 轴承类型和尺寸 并进行组合设计 滚动轴承是广泛运用的机械支承 其功能是在保证轴承有足够寿命的条件下 用以支承 轴及轴上的零件 并与机座作相对旋转 摆动等运动 使转动副之间的摩擦尽量降低 以获 得较高传动效率 常用的滚动轴承已制定了国家标准 它是利用滚动摩擦原理设计而成 由 专业化工厂成批生产的标准件 在机械设计中只需根据工作条件选用合适的滚动轴承类型和 型号进行组合结构设计 9 1 1 滚动轴承的工作特点 与滑动轴承相比 滚动轴承具有下列优点 应用设计简单 产品已标准化 并由专业生产厂家进行大批量生产 具有优良的互换 性和通用性 起动摩擦力矩低 功率损耗小 滚动轴承效率 0 98 0 99 比混合润滑轴承高 负荷 转速和工作温度的适应范围宽 工况条件的少量变化对轴承性能影响不大 大多数类型的轴承能同时承受径向和轴向载荷 轴向尺寸较小 易于润滑 维护及保养 滚动轴承也有下列缺点 1 大多数滚动轴承径向尺寸较大 2 在高速 重载荷条件下工作时 寿命短 3 振动及噪音较大 Page 1 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 9 1 2组成元件常用材料 1 滚动轴承构造 滚动轴承一般是由内圈1 外圈2 滚动体3和保持架4组成 如图 17 1 内圈装在轴颈上 在推力轴承中称为轴圈 配合较紧 外圈装在机座或零件的轴承 孔内 通常配合较松 内外圈上有滚道 当内外圈相对旋转时 滚动体将沿滚道滚动 滚动 体是实现滚动摩擦的滚动元件 除 自转 外 还绕轴线公转 形状有球形 圆柱形 锥柱 形 滚针 鼓形等 如图17 2 保持架的作用是把滚动体均匀的隔开 为适应某些使用要求 有的轴承可以无内圈或无外圈 或带防尘 密封圈等结构 2 常用材料 滚动体与内外圈的材料要求有高的硬度和接触疲劳强度 良好的耐磨性 和冲击韧性 一般用含铬合金钢制造 常用材料有GCr15 GCr15SiMn GCr6 GCr9等 经热 处理后硬度可达HRC61 65 保持架一般用低碳钢板冲压而成 高速轴承多采用有色金属 如 黄铜 或塑料保持架 9 2滚动轴承的主要类型及代号 9 2 1类型及构造 Page 2 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 机械有各种不同的工况 为满足这些具体的使用要求 需要有不同类型的轴承来保证实 际需要 根据滚动体形状 滚动轴承大致可分为球轴承和滚子轴承 按其承受负荷的主要方 向 则可分为向心轴承和推力轴承 表9 1为球轴承和滚子轴承的一般特性比较 表9 1球轴承和滚子轴承的一般特性比较 根据国家标准GB T272 93 常用的滚动轴承类型见资料库 9 2 2滚动轴承类型的选择 滚动轴承类型多种多样 选用时可考虑以下方面因素 从而进行选择 1 载荷的大小 方向和性质1 载荷的大小 方向和性质 球轴承适于承受轻载荷 滚子轴承适于承受重载荷及冲击 载荷 当滚动轴承受纯轴向载荷时 一般选用推力轴承 当滚动轴承受纯径向载荷时 一般 选用深沟球轴承或短圆柱滚子轴承 当滚动轴承受纯径向载荷的同时 还有不大的轴向载荷 时 可选用深沟球轴承 角接触球轴承 圆锥滚子轴承及调心球或调心滚子轴承 当轴向载 荷较大时 可选用接触角较大的角接触球轴承及圆锥滚子轴承 或者选用向心轴承和推力轴 承组合在一起 这在极高轴向载荷或特别要求有较大轴向刚性时尤为适应宜 2 允许转速允许转速 因轴承的类型不同有很大的差异 一般情况下 摩擦小 发热量少的轴 承 适于高转速 设计时应力求滚动轴承在低于其极限转速的条件下工作 3 刚性刚性 轴承承受负荷时 轴承套圈和滚动体接触处就会产生弹性变形 变形量与载 荷成比例 其比值决定轴承刚性的大小 一般可通过轴承的预紧来提高轴承的刚性 此外 在轴承支承设计中 考虑轴承的组合和排列方式也可改善轴承的支承刚度 4 调心性能和安装误差调心性能和安装误差 轴承装入工作位置后 往往由于制造误差造成安装和定位不 良 此时常因轴产生捞度和热膨胀等原因 使轴承承受过大的载荷 引起早期的损坏 自动 调心轴承可自行克服由安装误差引起的缺陷 因而是适合此类用途的轴承 5 安装和拆卸安装和拆卸 圆锥滚子轴承 滚针轴承和圆锥滚子轴承等 属于内外圈可分离的轴 承类型 即所谓分离型轴承 安装拆卸方便 6 市场性市场性 即使是列入产品目录的轴承 市场上不一定有销售 反之 未列入产品目 录的轴承有的却大量生产 因而 应清楚使用的轴承是否易购得 Page 3 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 9 2 3滚动轴承的代号 滚动轴承代号是用字母加数字来表示轴承结构 尺寸 公差等级 技术性能等特征的产 品符号 国家标准GB T272 93规定轴承的代号由三部分组成 前置代号 基本代号 后置代号 基本代号是轴承代号的基础 前置代号和后置代号都是轴承代号的补充 只有在遇到对 轴承结构 形状 材料 公差等级 技术要求等有特殊要求时才使用 一般情况可部分或全 部省略 1 基本代号 基本代号表示轴承的基本类型 结构和尺寸 它由轴承类型代号 尺寸系列代号 内径 代号构成 类型代号 尺寸系列代号 内径代号 1 轴承类型代号 用数字或字母表示不同类型的轴承 详见资料库 2 尺寸系列代号 由两位数字组成 前一位数字代表宽度系列 向心轴承 或高度系 列 推力轴承 后一位数字代表直径系列 尺寸系列表示内径相同的轴承可具有不同的外 径 而同样的外径又有不同的宽度 或高度 由此用以满足各种不同要求的承载能力 3 内径代号 表示轴承公称内径的大小 用数字表示 例17 1 轴承 2 32 24 2 类型代号 调心滚子轴承 32 尺寸系列代号 24 内径代号 d 120mm 例17 2 轴承 6208 2Z P6 6 类型代号 深沟球轴承 2 尺寸系列代号 08 内径代号 d 40mm 2Z 轴承两端面带防尘罩 P6 公差等级符合标准规定6级 17 3滚动轴承的工作情况 9 3 1 向心轴承中的载荷分布 在中心轴向力作用下的滚动轴承 可以认为载荷由各滚动体平均分担 但在径向力作用 下 它最多只有半圈滚动体受载 且各滚动体的受载大小也不同 见图17 4 根据力的平 衡条件可求出受载最大的滚动体的载荷为 Page 4 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 式中Fr 轴承所受的径向力 Z 滚动体的个数 9 3 2角接触轴承中附加轴向力 角接触轴承受径向载荷Fr时 会产生附加轴向力Fs 图17 5 所示轴承下半圈第i个球轴 承径向力Fri Page 5 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 由于轴承外圈接触点法线与轴承中心平面有接触角 通过接触点法线对轴承内圈和轴 的法向反力Fi 将产生径向分力Fri和轴向分力Fsi 各球的轴向分力之和即为轴承的附加轴 向力Fs 按一半滚动体受力进行分析 得 Fs 1 25Frtan 9 2 计算各种角接触轴承附加轴向力的公式可查表17 5 表中Fr为轴承的径向载荷 e为判断 系数 查表17 7 Y为圆锥滚子轴承的轴向动载荷系数 查表17 7 表17 5 角接触轴承的附加轴向力 9 3 3失效形式 在一般机械设备传动系统中 由于滚动轴承的失效而造成整个传动系统的损坏所占的比 例很大 因此 在滚动轴承的设计中如对各种因素考虑不周 就将降低实际的使用寿命 表17 6 滚动轴承常见的失效形式 Page 6 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 影响滚动轴承的主要因素为 载荷情况 润滑情况 装配情况 环境条件及材质或制造精度 等 9 3 4 计算准则 决定轴承尺寸时 要针对主要失效形式进行必要的计算 一般工作条件的回转滚动轴 承 应进行接触疲劳寿命计算和静强度计算 对于摆动或转速较低的轴承 只需作静强度计 算 高速轴承由于发热而造成的粘着磨损 烧伤是主要的失效形式 除进行寿命计算外 还 需核验极限转速 17 4 滚动轴承的校核计算 9 4 1基本概念 1 轴承寿命 轴承中任一元件出现疲劳剥落扩展迹象前运转的总转数或一定转速下的 工作小时数 批量生产的元件 由于材料的不均匀性 导致轴承的寿命有很大的离散性 最长和最短 的寿命可达几十倍 必须采用统计的方法进行处理 2 基本额定寿命 是指90 可靠度 常用材料和加工质量 常规运转条件下的寿命 以 Page 7 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 符号L10 r 或L10h h 表示 3 基本额定动载荷 C 基本额定寿命为一百万转 106 时轴承所能承受的恒定载 荷 即在基本额定动载荷作用下 轴承可以工作106 转而不发生点蚀失效 其可靠度为90 基本额定动载荷大 轴承抗疲劳的承载能力相应较强 4 基本额定静载荷 径向C0r 轴向C0a 是指轴承最大载荷滚动体与滚道接触中心处 引起以下接触应力时所相当的假象径向载荷或中心轴向静载荷 在设计中常用到滚动轴承的三个基本参数 满足一定疲劳寿命要求的基本额定动载荷Cr 径向 或Ca 轴向 满足一定静强度要求的基本额定静强度C0r 径向 或C0a 轴向 和控制轴承磨损的极限转速N0 各种轴承性能指标值C C0 N0等可查有关手册 9 4 2 寿命校核计算公式 滚动轴承的寿命随载荷的增大而降低 寿命与载荷的关系曲线如图17 6 其曲线方程 为 P L10 常数 其中 P 当量动载荷 N L10 基本额定寿命 常以106r为单位 当寿命为一百万转时 L10 1 寿命指数 球轴承 3 滚子轴承 10 3 由手册查得的基本额定动载荷C是以L10 1 可靠度为90 为依据的 由此可得当轴承的 当量动载荷为P时以转速为单位的基本额定寿命L10为 Page 8 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 C 1 P L10 L10 C P 106r 9 6 h 应取L10 Lh Lh 为轴承的预期使用寿命 通常参照机器大修期限的预期使用寿 命 若已知轴承的当量动载荷P和预期使用寿命Lh 则可按下式求得相应的计算额定动载荷 C 它与所选用轴承型号的C值必须满足下式要求 N 9 4 3 当量动载荷 在实际工况中 滚动轴承常同时受径向和轴向联合载荷 为了计算轴承寿命时将基本额 定动载荷与实际载荷在相同条件下比较 需将实际工作载荷转化为当量动载荷 在当量动载 荷作用下 轴承的寿命与实际联合载荷下轴承的寿命相同 当量动载荷P的计算公式是 P XFr YFa 式中Fr 径向载荷 N Fa 轴向载荷 N X Y 径向动载荷系数和轴向动载荷系数 由表 17 7 表 17 7查取 表17 7 Page 9 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 9 4 4角接触轴承的载荷计算 Page 10 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 对 3 7 类轴承 由于本身结构的特点 当有径向力作用时会产生派生S 在计算时 应考虑 1 装配形式必须成对安装 正装 或称为 面对面 两支点距离较短 见图17 7a 反装 或成为 背靠背 两指点距离较长 适用于悬臂安装传动件的轴承 见图17 7b 2 轴承作用力在轴上的作用点 轴上支点是在滚动体与滚道接触点法线与轴线交点上 见图17 8 图中的O 距外端面 的距离为a 此值可查手册 7 类轴承O点如图17 8所示 Page 11 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 4 轴向力的计算 分析角接触轴承所受的轴向载荷要同时考虑由径向力引起的附加轴向力和作用于轴上的 其他工作轴向力 根据具体情况由力的平衡关系进行计算 图17 9中 FR和FA分别为作用于轴上的径向和轴向载荷 两轴承的径向反力为Fr1及 Fr2 相应产生的附加轴向力则为Fs1和Fs2 作用于轴上的各轴向力如图17 10 Page 12 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18 根据轴的平衡关系按下列两种情况分析轴承 所受的轴向力 如果FS1 FA Fs2 图17 11 轴有向右移动的趋势 使轴承 压紧 轴的右端将通 过轴承 受一平衡反力Fs2 由此可求出轴承 的轴向力为 Fa2 Fs2 Fs2 Fs1 FA 因轴承 只受附加轴向力 故 Fa1 FS1 如果FS1 FA Fs2 图17 12 轴有向左移动的趋势 使轴承 压紧 此时轴的左端 将通过轴承 受一平衡反力Fs1 由此可求出两轴承上的轴向力分别为 Fa1 Fs1 FS1 Fs2 FA Fa2 Fs2 计算角接触轴承轴向力的方法可归纳如下 1 判明轴上全部轴向力 包括外载荷和轴 承的附加轴向力 合力的指向 确定 压紧 端轴承 2 压紧 端轴承的轴向力等于除本身 的附加轴向力外其他所有轴向力的代数和 3 另一端轴承的轴向力等于它本身的附加轴向 力 9 4 5静载荷及极限转速计算公式 1 静载荷计算 静载荷是指轴承套圈相对转速为零时作用在轴承上的载荷 为了限制滚动轴承在静载荷 作用下产生过大的接触应力和永久变形 需进行静载荷计算 按额定静载荷选择轴承 其基 本公式为 C0 C0 S0P0 式中C0 基本额定静载荷 N C0 计算额定静载荷 N P0 当量静载荷 N S0 安全系 Page 13 of 22第9章 滚动轴承 2011 03 18