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第十三章滚动轴承 13 2滚动轴承的主要类型和代号 13 3滚动轴承类型的选择 13 4滚动轴承的工作情况 13 5滚动轴承尺寸的选择 13 6轴承装置的设计 13 7滚动轴承典型例题分析 13 1概述 本章学习的基本要求 熟练掌握的内容1 各类滚动轴承的特点 代号 代号的主要内容 正确选择滚动轴承的原则和方法 2 滚动轴承的失效形式 基本额定寿命 基本额定动载荷C和基本额定静载荷C0的概念 当量动载荷及轴承寿命的计算 3 滚动轴承的组合结构设计 包括轴承的安装结构形式 轴承的定位及固定 内外圈的配合 装拆要求 轴承的预紧及间隙的调整 本章的重点 滚动轴承的尺寸选择计算和组合结构设计 难点是角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向力和当量动载荷的计算 滚动轴承的组合结构设计要与轴的结构设计等联系起来考虑 13 1概述 滚动轴承是现代机器中应用广泛的一种部件 它是依靠主要元件间的滚动接触来支承旋转的轴 缺点 抗冲击能力差 高速时出现噪音 优点 摩擦阻力小 功率损耗少 启动灵敏和易于互换等 组成 外圈 内圈 滚动体 保持架 一 结构 常用的滚动体 球 圆柱滚子 圆锥滚子 球面滚子 滚针 13 1概述 其中 滚动体必不可少 其余可有可无 用轴承铬钢制造 热处理后硬度达 61 65HRC 保持架 低碳钢板冲压制成 二 材料 内 外圈和滚动体 13 1概述 设计人员的主要任务是 熟悉标准 正确选用 本章主要讨论如何根据具体的工作条件选择轴承的类型及尺寸并计算其寿命 以及如何解决轴承的安装 调整 润滑和密封等问题 滚动轴承作为一种标准件 由专业工厂大量生产 13 1概述 按载荷方向分 向心轴承 推力轴承 一 类型 向心推力轴承 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 主要承受径向载荷Fr 只能承受轴向载荷Fa 可同时承受径向和轴向载荷 向心推力轴承的接触角 滚动体与外圈滚道接触点处的法线与轴承半径方向之间的夹角 接触角 轴向承载能力 它是滚动轴承的一个重要参数 轴承的受力分析和承载能力等都与接触角有关 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 轴承实际所承受的径向载荷Fr与轴向载荷Fa的合力与半径方向的夹角 载荷角 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 一 滚动轴承的主要类型 性能与特点 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 轴承的调心性能 影响轴承正常运转 角偏差 调心轴承 在轴与轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作 轴承由于安装误差或轴的变形等都会引起内外圈轴线发生相对倾斜 其倾斜角 角偏差 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 二 滚动轴承的代号 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 2 直径系列代号 基本代号右起第三位数字 表示 结构 内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化系列 7 8 9 0 1 2 3 4 5 1 内径代号 基本代号右起第一 二位数字 3 宽度系列代号 基本代号右起第四位数字 表示 结构 内 外径都相同的轴承 在宽度方面的变化系列 正常系列 0系列 代号0可不标出 除圆锥滚子轴承 调心滚子轴承外 三 滚动轴承代号示例 6303 7312AC P6 0级公差0组游隙 0组游隙 30213 公差等级为0级 游隙组为0组 13 2滚动轴承的主要类型及其代号 13 3滚动轴承的类型选择 不同类型的轴承应用场合是不一样的 要合理地选择轴承的类型 首先对各种类型轴承的性能特点有充分的了解 然后依据以下几个因素 13 4滚动轴承的工作情况 一 轴承元件上的载荷分布 各滚动体从开始受力到受力终止所对应的区域 承载区 向心轴承 二 轴承元件上的载荷及应力的变化 滚动体所处位置不同 所受载荷不同 是周期性不稳定变化 滚动轴承各元件承受的都是脉动变化的接触应力 是稳定的脉动循环变化 Fd Fdi 三 向心推力轴承的派生轴向力 派生轴向力 径向载荷Fr Fdi FNitan Fd 将迫使轴颈 连同内圈和滚动体 有向右移动的趋势 从而与外圈分离 Fr 为避免在Fd的作用下 滚动体与套圈相分离 向心推力轴承必须成对使用 派生轴向力 Fd Fdi 派生轴向力Fd应在轴向力Fa作用下达到平衡 当只有最下方一个滚动体受载时 Fa Fd Frtan 当受载滚动体数目增多时 派生轴向力Fd将增大 这时平衡派生轴向力Fd所需施加的轴向力Fa也随之增大为 Fa Fd Frtan 当Fa 1 25Frtan 时 当Fa 1 7Frtan 时 当受载滚动体数目增多时 派生轴向力Fd将增大 这时平衡派生轴向力Fd所需施加的轴向力Fa也随之增大 Fa Fd Frtan 根据研究 约半圈滚动体同时受载 全部滚动体同时受载 13 4滚动轴承的工作情况 2 轴向力Fa对载荷分布的影响 为了平衡Fd就必须在Fd的反向增加轴向力Fa 当Fa 受载滚动体数目 套圈滚道上径向载荷的承载区 轴承承受径向载荷的能力 为了保证轴承能可靠地工作 应使它至少达到下半圈滚动体全部受载 以上分析说明 角 及 锥 轴承须在Fr和Fa的联合作用下工作 一般都是成对使用 13 4滚动轴承的工作情况 13 5滚动轴承尺寸的选择 一 滚动轴承的失效形式及基本额定寿命 1 失效形式 正常 点蚀破坏 2 轴承的寿命 单个轴承在出现点蚀破坏前 一个套圈相对另一个套圈的转数 3 基本额定寿命L10 对每一个轴承来讲 在额定寿命期内能正常工作的概率为90 提前发生破坏的概率仅为10 一批相同的轴承在相同的运转条件下工作 其中10 的轴承发生点蚀破坏 而90 的轴承不发生点蚀破坏前的转数 以106为单位 或工作小时数 13 5滚动轴承尺寸的选择 预期计算寿命L h 设计机器时所要求的轴承寿命 通常可参照机器的大修期限取定 13 5滚动轴承尺寸的选择 定义 使轴承的基本额定寿命恰好为106转时 轴承所能承受的载荷值 推力轴承 指纯轴向载荷 记为 Ca 二 滚动轴承的基本额定动载荷C C 表征了不同型号轴承的承载特性 可从设计手册或轴承样本中查取 13 5滚动轴承尺寸的选择 三 滚动轴承寿命的计算公式 1 寿命计算要解决的两个问题 1 当载荷P C时 L10 106转 当P C时 L10 2 已知载荷P 要求预期计算寿命L h 应选C 的轴承 2 寿命计算公式 13 4 13 5滚动轴承尺寸的选择 轴承的载荷 寿命曲线 13 5 若已知轴承转速n 则 Lh L h 计算正确 解决第一类问题 P 当量动载荷 式中 三 滚动轴承寿命的计算公式 13 5滚动轴承尺寸的选择 若轴承的预期计算寿命L h已知 则 查手册 可选择所需要的轴承的型号 C C手册 计算正确 解决第二类问题 三 滚动轴承寿命的计算公式 13 5滚动轴承尺寸的选择 注 高温轴承 t 125 C 引进温度系数ft 修正后的计算公式 13 5a 13 6a 13 5滚动轴承尺寸的选择 四 滚动轴承的当量动载荷P 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 1 当量动载荷的概念 实际工作中 轴承常常同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa 在计算轴承寿命时 必须将实际载荷换算成与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷 13 5滚动轴承尺寸的选择 2 当量动载荷P的计算公式 P fP XFr YFa 13 8a fP 载荷系数 见表13 6 13 5滚动轴承尺寸的选择 3 举例 解 由表13 5 e在0 24 0 27之间 由插入法求得 Y 1 72 X 0 56 Y 1 8 1 6 13 5滚动轴承尺寸的选择 特别提醒 Fr与Fa是轴承自身所受的径向和轴向载荷 不是轴上传动零件 如齿轮 蜗轮等 所受的径向和轴向载荷 在齿轮受力分析中的径向和轴向载荷在本章中写为Fre和Fae 公式P fP XFr YFa 中 13 5滚动轴承尺寸的选择 五 角接触球轴承和圆锥滚子轴承的径向载荷Fr与轴向载荷Fa的计算 1 轴承的安装方式 使轴的支点中心距离加大 使轴的支点中心 压力中心 靠近 13 5滚动轴承尺寸的选择 一般取在轴承与轴颈配合宽度的中点 13 5滚动轴承尺寸的选择 2 径向载荷Fr的计算 注意 Fr可能是支点处水平支反力与垂直支反力的合力 Fre Fr1 Fr2 13 5滚动轴承尺寸的选择 3 轴向载荷Fa的计算 Fa Fae Fa的计算既要考虑所有作用在轴上的轴向外载荷Fae 又要考虑由Fr所产生的派生轴向力Fd 13 5滚动轴承尺寸的选择 派生轴向力Fd的大小 见表13 7 派生轴向力Fd的方向 则总是与压力中心的偏离方向相一致 13 5滚动轴承尺寸的选择 1 当Fae Fd2 Fd1时 Fd1 Fae Fd2 被放松轴承2 Fa2 Fd2 被压紧轴承1 Fa1 Fae Fd2 由于轴承1的右端已固定 轴不能向左移动 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 计算时 首先应画出轴及轴承的结构简图 当轴处于平衡时 应满足 不满足时 会出现两种情况 轴有左移趋势 轴承1被 压紧 轴承2被 放松 2 当Fae Fd2 Fd1时 被放松轴承1 Fa1 Fd1 轴有右移趋势 被压紧轴承2 Fa2 Fd1 Fae 轴承2被 压紧 轴承1被 放松 总结 角 锥轴承所受轴向力的计算方法 1 根据轴承的受力和结构 判断出全部轴向力 包括外载荷和派生轴向力 合力的指向 2 被 放松 轴承的轴向力Fa 本身的派生轴向力Fd 被 压紧 轴承的轴向力Fa 除去本身派生的轴向力后 其余各轴向力的代数和 分析哪一端轴承被 压紧 哪一端轴承被 放松 13 5滚动轴承尺寸的选择 六 滚动轴承的静载荷 在工作载荷下基本不旋转或缓慢摆动及转速极低的轴承 其失效形式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 滚动轴承不能超过的外载荷界限 基本额定静载荷C0 应按轴承的静强度来选择轴承的尺寸 规定 使受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值的载荷 作为轴承静强度的界限 基本额定静载荷 13 5滚动轴承尺寸的选择 P0 当量静载荷 P0 X0Fr Y0Fa 按轴承静承载能力选择轴承的公式为 C0 S0P0 式中 S0 静强度安全系数 查表13 8 X0 Y0 当量静载荷的径向 轴向系数 其值可查手册 13 5滚动轴承尺寸的选择 七 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 八 计算滚动轴承寿命的过程 13 6轴承装置的设计 目的 为了正确解决轴承的安装 配置 紧固 调整 润滑 密封等问题 一 支承部分的刚性和同心度 轴及轴承座必须有足够的刚性 以避免变形使滚动体的滚动受阻滞 轴承座孔壁应有足够的厚度 轴承座的悬臂应尽可能地缩短 并增加肋板 采用套杯以防止座孔被压坏 一根轴上两个支承的座孔 必须尽可能地保持同心 以免轴承内外圈间产生过大的偏斜 采用整体结构的外壳 并把两个轴承孔一次镗出 在一根轴上的不同尺寸的轴承孔仍应一次镗出 这时可利用衬筒来安装尺寸较小的轴承 13 6轴承装置的设计 闭式齿轮传动 二 轴承的配置 指一个轴系应采用几个轴承支承 如何支承 如何配置等问题 合理的轴承配置应考虑 13 6轴承装置的设计 双支点各单向固定 一支点双向固定 另一端支点游动 两端均游动 双支点各单向固定 常用的轴承配置方法 用于工作温度不高的短轴 L 400mm 小锥齿轮轴支承结构之一 特点 1 面对面安装 4 调节外圈可对轴承进行预紧 2 轴支承刚性差 3 调整轴承游隙容易 5 受热膨胀后易卡死 6 轴装配较容易 7 轴上应力集中小 小锥齿轮轴支承结构之二 13 6轴承装置的设计 小锥齿轮轴支承结构之二 常用的轴承配置方法 双支点各单向固定 一个支点双向固定 另一端支点游动 两端均游动 固定支承 游动支承 选用圆柱滚子轴承时 外圈应双向固定 13 6轴承装置的设计 13 6轴承装置的设计 13 6轴承装置的设计 13 6轴承装置的设计 13 6轴承装置的设计 双支点各单向固定 一个支点双向固定 另一端游动 两端均游动 人字齿轮由于本身的轴向限位作用 其中一根轴设计成两端固定的形式 另外一根轴必须游动 否则会卡死 两端游动 常用的轴承配置方法 三 滚动轴承的轴向紧固 将轴承内圈或外圈相对于轴或轴承座实施紧固 13 6轴承装置的设计 内圈的紧固方法 弹性挡圈固定 圆螺母与止动垫圈固定 轴端挡圈固定 紧定衬套 圆螺母 止动垫圈与锥孔内圈固定 端盖固定 孔用挡圈 轴承外圈止动槽 螺纹环紧固 外圈的紧固方法 13 6轴承装置的设计 四 轴承游隙及轴上零件位置的调整 1 轴承游隙的调整 螺钉调整 加减垫片的厚度 螺钉调整 方法 2 轴上零件位置的调整 目的 使轴上的零件具有准确的工作位置 例如 圆锥齿轮传动 要求两个节锥顶点相重合 对于蜗杆传动 要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线 才能保证正确啮合 方法 套杯 调整垫片 轴承组合位置调整的方法 套杯 调整垫片 五 滚动轴承的配合 滚动轴承作为一种通用的标准件 规定采用以下配合类型 指内圈与轴颈 外圈与轴承座孔的配合 13 6轴承装置的设计 对某些可调游隙的轴承 在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力 使内 外圈产生相对移动以消除轴承中的轴向游隙 并在滚动体和内 外圈接触处产生预压变形 六 滚动轴承的预紧 目的 提高轴承的旋转精度 增加轴承装置的刚性 减少机器工作时轴的振动 13 6轴承装置的设计 六 滚动轴承的预紧 方法 加金属垫片 磨窄套圈 13 6轴承装置的设计 七 滚动轴承的润滑 轴承中润滑剂不仅可以降低摩擦阻力 还可以起散热 减少接触应力 吸收振动 防止锈蚀等作用 脂润滑优点 油膜强度高 不易流失 便于密封 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 13 6轴承装置的设计 当滚动轴承的速度较低 dn 2 105mm r min 时 常采用脂润滑 在高温 高速的条件下 通常采用油润滑 飞溅润滑 是一般闭式齿轮传动装置中的轴承常用的润滑方法 即当箱内齿轮的圆周速度较大 v 2 3m s 时 利用齿轮转动时飞溅带起的油来润滑轴承 13 6轴承装置的设计 装拆轴承时 要特别注意 八 滚动轴承的安装与拆卸 1 不允许通过滚动体来传力 以免使滚道或滚动体造成损伤 2 由于轴承的配合较紧 装拆时应使用专门的工具 错误的施力 正确的施力 错误 正确 轴承内圈的拆卸 滚动轴承的安装 装内圈于轴上 13 6轴承装置的设计 内外圈上同时受力 轴承外圈的拆卸 13 6轴承装置的设计 13 6轴承装置的设计 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 毛毡迷宫式密封 九 滚动轴承的密封装置 13 6轴承装置的设计 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 对轴产生一定的压力而起到密封作用 接触式密封 13 6轴承装置的设计 适用场合 脂或油润滑 轴颈圆周速度v 4 5m s 工作温度 40 100 密封圈密封 密封圈用皮革 塑料或耐油橡胶制成 有的具有金属骨架 有的没有 制成标准件 接触式密封 密封唇朝里 目的是防漏油 密封唇朝外 目的是防灰尘 适用场合 脂润滑或油润滑 工作温度不高于密封用脂的滴点 密封效果可靠 因考虑到轴受热后会变长 间隙取 1 5 2mm 迷宫式密封 0 1 0 2mm 1 5 2mm 将旋转件与静止件之间的间隙做成迷宫形式 并在间隙中充填润滑脂以加强密封效果 径向曲路 径向曲路 适用场合 脂润滑 要求环境干燥清洁 靠轴与端盖之间