滚动轴承的选择与校核.ppt

第八章滚动轴承的选择与校核 8 1概述 8 2滚动轴承的主要类型及其代号 8 3滚动轴承的选择 8 4滚动轴承的工作情况及设计约束 8 5滚动轴承的校核计算 滚动轴承 依靠其主要元件间的滚动接触来支承转动或摆动零件 8 1概述 滚动轴承是标准件 主要掌握 构造 保持架 滚动体 外圈 内圈 装在轴上 装在轴承座孔中 在两套圈之间滚动并传递载荷 将滚动体均匀隔开 常见滚动体有 球 滚子 圆柱形 滚针 圆锥形 球面 非对称球面 螺旋等 滚动轴承的主要优点 滚动轴承的主要缺点 摩擦力矩和发热较小 维护比较方便 润滑剂消耗较少 轴承单位宽度的承载能力较大 大大减少有色金属的消耗 径向外廓尺寸比滑动轴承大 接触应力高 承受冲击载荷能力较差 高速重载时寿命低 小批生产特殊的滚动轴承时成本较高 减振能力比滑动轴承低 按接触角的大小和承受载荷的方向 滚动轴承分为两类 8 2滚动轴承的主要类型及其代号 一 滚动轴承的主要类型 性能和特点 按滚动体的形状 滚动轴承分为球轴承和滚子轴承 向心轴承和推力轴承 向心轴承 其公称接触角从0o到45o 又可分为 接触角 滚动体与套圈接触处的法线与轴承径向平面之间的夹角 承受轴向力的能力 径向接触轴承和向心角接触轴承 径向接触轴承 公称接触角 0o的向心轴承 主要承受径向载荷 如圆柱滚子轴承 其中 公称接触角 0o的球轴承 如深沟球轴承 除主要承受径向载荷外 也能承受较小的轴向载荷 推力轴承 向心角接触轴承 公称接触角从0o到45o的向心轴承 同时承受径向载荷和单向的轴向载荷 如角接触球轴承 其公称接触角从45o到90o 分为 轴向接触轴承 公称接触角 90o的推力轴承 只能承受轴向载荷 推力角接触轴承 公称接触角从45o到90o的推力轴承 主要承受轴向载荷 但也能承受一定的径向载荷 推力调心滚子轴承 按自动调心性能 滚动轴承分为自动调心轴承和非自动调心轴承 按结构形式不同 标准滚动轴承有很多类 最常用的有六类 调心滚子轴承 2 滚针轴承 NA 向心角接触轴承 径向接触轴承 推力圆柱滚子轴承 8 轴向接触轴承 滚动轴承主要类型及其代号 13 2滚动轴承的代号 滚动轴承代号构成 用代号表示轴承的结构 尺寸 类型 精度等内容 并打印在轴承上 二 滚动轴承的代号 1 基本代号 内径代号 由轴承内径代号和组合代号组成 基本代号用来表明轴承的内径 直径系列 宽 或高 度系列和类型 直径系列 结构 内径相同的轴承在外径或宽度方面的变化系列 宽 或高 系列 结构 内径和直径系列都相同的轴承 在宽 或高 度方面的变化系列 直径系列代号和宽 或高 度系列代号统称为尺寸系列代号 直径系列代号 特轻 0 1 轻 2 中 3 重 4 宽度系列为0系列 窄系列 时 或宽度系列为1系列 正常系列 时 代号为 0 或1 省略不标 对于调心滚子轴承 2类 圆锥滚子轴承 3类 和圆柱滚子轴承 N类 宽 或高 度系列代号0或1应标出 无论哪类轴承 只要用 的0或1都不标出 3 后置代号 2 前置代号 表示轴承的分部件 用字母表示 如 LN207表示N207轴承的外圈可分离 K81107表示推力圆柱滚子轴承81107的滚子 保持架组件 用字母和数字表示轴承的结构 公差及材料的特殊要求等等 内部结构代号是用表示同一类型轴承的不同内部结构 用字母紧跟基本代号表示 如 公称接触角为15 25和40度的角接触球轴承 分别用C AC和B表示内部结构不同 公差等级代号 分为2级 4级 5级 6级 6x级和0级 代号为 P0 P6x P6 P5 P4 P2 代号 C1 C2 0 C3 C4 C5 游隙代号 游隙 指一个套圈相对于另一个套圈 沿径向或沿轴向 从一个极限位置到另一个极限位置的移动量 游隙分为1组 2组 0组 3组 4组 5组 共六个组别 6308 深沟球轴承 3 中系列 内径d 40mm 公差为0级 游隙为0组 N105 P5 C3 圆柱滚子轴承 1 特轻系列 内径d 25mm 公差为5级 游隙为3组 7214AC P4 7 角接触球轴承 2 轻系列 内径d 70mm 公差为4级 游隙为0组 公称接触角 25 30213 圆锥滚子轴承 2 轻系列 内径d 65mm 公差为0级 游隙为0组 注 遇到看不懂的代号时 查阅GB T272 93 设计滚动轴承部件时 需要 8 3滚动轴承的选择 选择轴承类型时 需要考虑 1 正确选择出能满足约束条件的滚动轴承 包括 A合理选择轴承 B校核所选出的轴承是否能满足疲劳强度 转速 静强度及经济等方面的约束 2 进行滚动轴承部件的组合设计 一 类型选择 轴承的工作条件 各类轴承的特点 价格等因素 1 轴承所受载荷的大小 方向和性质 当FA很大而FR较小时 选2或N或6 5或8组合使用 当FR很大而FA较小时 可选6类 选择轴承类型时 主要考虑的问题有 1 载荷的大小和性质 球轴承适宜于中小载荷及载荷波动较小的场合 滚子轴承则可用于重载荷及载荷波动较大的场合 2 载荷的方向 转速高 载荷小或要求旋转精度高时 宜选球轴承 推力轴承不适宜高转速 若轴向载荷不大 可用7类代替 3 调心要求 轴的刚度低 轴承座孔的同轴度低 支点跨度大 多支点轴或因轴受力大造成很大的弯曲或倾斜时 会造成轴承的内 外圈轴线发生偏斜 此时选调心轴承 2 轴承的转速 转速低 载荷大或有冲击载荷时 选用滚子轴承 5 经济性 精度高的价格高 滚子轴承比球轴承价格高 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 优先选用内外圈可分离的轴承 N NA 3 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 二 尺寸系列 内径等的选择 尺寸系列包括直径系列和宽度系列 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 而载荷很大时 可以选择重系列 一般情况下选用轻系列或中系列 待校核后根据具体情况进行调整 就宽度系列而言 一般可以选择正常系列 若结构上有特殊要求时 可根据具体情况选用其他系列 轴承内径根据轴颈直径初步确定 公差等级一般选0级 若有特殊要求 根据具体情况再定 8 4滚动轴承的工作情况及设计约束 外载荷作用于轴承上是通过滚动体由一个套圈传递给另一个套圈的 一 滚动轴承的载荷分布 滚动轴承的载荷分布与各个滚动体在接触处的弹性变形有关 每个滚动体所承受载荷的大小 取决于接触处的弹性变形 点接触 线接触 根据赫兹公式 可得以下的载荷分布 式中 为所在位置处的滚动体载荷 Qmax为最大滚动体载荷 图8 3 为在位置处的滚动体位移 为最大位移 图8 3 根据滚动体受力与外载荷平衡的条件 可求得到Qmax与径向力Fr及轴向力Fa之间的关系 点接触 线接触 Z为滚动体数目 若所考察的轴承为半周承受载荷 图8 4中 0 5 可求得 二 轴承工作时元件上载荷及应力的变化 工作时内圈上的任意一点 在承受载荷区 每次与滚动体接触就受载荷一次 因此该点的载荷和应力是周期性变化的 外圈各点所受载荷随位置不同而大小不同 且外圈固定 在承受载荷区的任意一点 每次与滚动体接触就受载荷一次 且所受载荷最大值不变 承受稳定的脉动载荷 滚动体工作时 有自转和公转 其上任意一点 所受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 主要失效形式有 1 疲劳点蚀 是最常见的失效形式 滚动体和套圈滚道承受循环接触应力 点蚀使轴承产生振动和噪音而失效 三 滚动轴承失效形式和设计约束 2 塑性变形 对于转速很低或间歇摆动的轴承 会因过大的载荷或冲击载荷 使滚动体或内 外圈滚道产生塑性变形 形成不均匀的凹坑 3 磨粒磨损 粘着磨损 胶合 多尘条件下工作的轴承 易产生磨粒磨损 润滑不良的高速轴承 易产生粘着磨损 胶合 磨损 胶合 轴承在不同工况下其主要失效形式不同 中速运转 主要失效形式是疲劳点蚀 按疲劳寿命进行校核计算 高速运转 主要失效形式是过渡磨损和烧伤 除进行疲劳寿命进行校核计算外 还要校核其极限转速 低速运转或不转动 主要失效形式是过大的塑性变形 按静强度进行校核计算 此外 轴承组合结构设计要合理 保证充分的润滑和可靠的密封 对提高轴承的寿命和保证正常工作是非常重要的 8 5滚动轴承的校核计算 轴承的寿命 对于单个滚动轴承来说 在套圈 滚动体材料首次出现疲劳点蚀之前 一套圈相对另一套圈所能运转的转数 一 滚动轴承的疲劳寿命计算 1 基本额定寿命和基本额定动载荷 轴承寿命的离散性是相当大的 见右图 轴承的寿命 106r 基本额定寿命L10 一批相同的轴承 在相同条件下运转 其中90 轴承不发生疲劳点蚀以前能运转的总转数 或在一定转速下所能运转的总工作小时数 基本额定动载荷C 轴承的基本额定寿命为106转时 轴承所能承受的动载荷 径向接触轴承的C是径向载荷 用Cr表示 向心角接触轴承的C是所受载荷的径向分量 也用Cr表示 轴向接触轴承的C是中心轴向载荷 用Ca表示 L10的可靠度R 90 6208轴承的载荷 寿命曲线 2 滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式 该曲线公式表示为 为寿命指数 对于球轴承 3 对于滚子轴承 10 3 式中 P为当量动载荷 N 实际计算中 用小时数表示比较方便 令转速为n r min 则 寿命计算时 引入温度系数ft 则 常以设备的中修期或大修期作为轴承的设计寿命 疲劳寿命校核计算应满足的约束条件为 式中 Lh 为轴承预期计算寿命 见表8 6 滚动轴承的寿命计算2 3 滚动轴承的当量动载荷 当量动载荷 是由轴承实际所受载荷转换得到的假想载荷 它与基本额定动载荷C的确定条件及性质相同 用P表示 当量动载荷 式中 Fr Fa 分别为轴承承受的径向载荷和轴向载荷 X Y 分别为轴承的径向载荷系数与轴向载荷系数 对只能承受纯径向载荷的向心圆柱滚子轴承 滚针轴承 螺旋轴承 对只能承受纯轴向载荷的推力轴承 根据机器的实际工作情况 引入载荷系数fp 用于计入冲击 振动对载荷的影响 对于下列情况 需要向轴承制造厂查询寿命计算公式的适用情况 1 向心球轴承 深沟球轴承和角接触球轴承等 当P超过C0r 径向基本额定静载荷 可从产品样本或手册中查出 或0 5Cr中的任何一个值时 2 向心滚子轴承 当P超过0 5Cr时 3 推力球轴承 当P超过0 5C0a 轴向基本额定静载荷 时 当Fa Fr e时 e为轴向载荷影响系数或称判别系数 表示轴向载荷对轴承寿命影响较大 计算当量动载荷时必须考虑Fa的作用 此时P XFr YFa 当Fa Fr e时 表示轴向载荷对轴承寿命影响较小 计算当量动载荷时只须考虑Fr的作用 Fa可忽略 此时 P Fr 4 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 要产生派生轴向力S 轴承安装不同时 产生的派生轴向力也不同 原因 承载区内每个滚动体的反力都是沿滚动体与套圈接触点的法线方向传递的 工作情况2 角接触球轴承及圆锥滚子轴承的派生轴向力的大小取决于该轴承所受的径向载荷和轴承结构 按表8 9计算 轴承所受总载荷的作用线与轴承轴心线的交点 即为轴承载荷中心 支反力的作用点 派生力的方向总是由轴承宽度中点指向轴承载荷中心 S的方向 沿轴线由轴承外圈的宽边 窄边 13 4滚动轴承的寿命计算 一成对安装的向心接触轴承 FR及FA分别为作用在轴上的径向载荷及轴向载荷 两轴承受的径向载荷分别为Fr1及Fr2 相应的派生轴向力为S1及S2 滚动轴承的寿命计算4 对上图进行分析 如果S1 FA S2 则轴有右移的趋势 此时轴承 被 压紧 轴承 被 放松 根据力的平衡关系 作用在轴承 的外圈上的力应是S2 S2 且有 即 作用在轴承 上的总的轴向力为 作用在轴承 上的轴向力为 如果S1 FA S2 则轴有左移的趋势 此时轴承 被 压紧 轴承 被 放松 根据力的平衡关系 作用在轴承 的外圈上必有一个平衡力S1 作用 作用在轴承 上的轴向力分别为 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 1 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的方向及大小 2 确定作用于轴上的轴向外载荷的合力FA的方向及大小 3 判明轴上全部轴向载荷的合力指向 再根据轴承的安装方式找出被 压紧 和 放松 的轴承 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他所有轴向载荷的代数和 5 被 放松 轴承的轴向载荷等于轴承自身的派生轴向载荷 7 滚动轴承修正的额定寿命 基本额定寿命L10的可靠度为90 但是 重要机器中的轴承 往往对可靠度有更高的要求 某个可靠度下的寿命 式中 寿命修正系数 见表8 8 可靠度不为90 时的寿命修正系数 GB6391 86 二 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 转速约束条件 极限转速nlim 在一定载荷和润滑条件下 轴承所允许的最高转速 轴承样本和手册中 列出了特定条件下的极限转速nlim P 0 1C 润滑与冷却条件正常 轴承公差等级为0级 实际工作条件下的极限转速 nmax f1f2nlim 式中 f1 载荷系数 用于考虑载荷大小对极限转速的影响 f2 载荷分布系数 用于考虑轴承中载荷分布情况对极限转速的影响 当轴承在重载荷下 P 0 1C 工作时 接触应力将增大 而向心轴承承受轴向力作用时 将使受载滚动体数目增加 增大轴承接触表面间的摩擦 使润滑变坏 f1 f2值可从图8 13中查得 对于转速很低或缓慢摆动的轴承 为防止塑性变形失效 需计算轴承的静强度 据此选择轴承尺寸 三 静强度校核 约束强度条件为 或 式中 S0为轴承静强度安全系数 见表8 11 C0r为径向额定静载荷 使受载最大的滚动体与滚道接触中心处的接触应力达到如下定值时的载荷 调心球轴承 4600MPa 其他向心球轴承 4200MPa 所有向心滚子轴承 4000MPa 单列角接触球轴承 其径向额定静载荷是指使轴承套圈间仅产生相对纯径向位移的载荷的径向分量 C0a为轴向额定静载荷 使受载最大的滚动体与滚道接触中心处的接触应力达到如下定值时的载荷 推力球轴承 4200MPa 所有推力滚子轴承 4000MPa 径向接触轴承的C0是径向载荷 向心角接触轴承的C0是所受载荷的径向分量 轴向接触轴承的C0是中心轴向载荷 C0r C0a 可从有关设计手册中查到 P0r为径向当量静载荷 在最大载荷滚动体与滚动接触中心处 引起与实际载荷条件下相同接触应力的径向静载荷 P0a为轴向当量静载荷 在最大载荷滚动体与滚动接触中心处 引起与实际载荷条件下相同接触应力的中心轴向静载荷 1 深沟球轴承 角接触球轴承 调心球轴承 P0r X0Fr Y0Fa P0r和P0a分别按下面的公式进行计算 P0r Fr 2 向心球轴承和的向心滚子轴承 P0r X0Fr Y0Fa P0r Fr P0r Fr 3 的推力轴承 P0a Fa 4 的推力轴承 P0a 2 3Frtga Fa Fr 轴承径向载荷 即轴承实际载荷的径向分量 式中 X0 Y0 为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数 Fa 轴承轴向载荷 即轴承实际载荷的轴向分量 选择轴承的类型和直径系列 滚动轴承是标准零件 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如下 滚动轴承尺寸选择的过程 确定轴承所承受的FR与FA 计算当量动载荷FP fP XFR YFA 明确轴承的工作转速n与预期寿命L10 计算轴承应满足的基本额定动载荷 由轴承样本 手册 查取合适的轴承 1 下列轴承中 能很好地承受径向载荷与轴向载荷的联合作用 而则具有良好的调心作用 A短圆柱滚子轴承B推力球轴承C圆锥滚子轴承D调心滚子轴承 2 在良好的润滑和密封条件下 滚动轴承的主要失效形式是 A塑性变形B胶合C磨损D疲劳点蚀 3 下列四种型号的滚动轴承中 只能承受径向载荷的是 A6208BN208C30208D51208 4 代号为7212AC的滚动轴承 对它的承载情况描述最准确的是 A只能承受径向载荷B单个轴承能承受双向载荷C只能承受轴