滚动轴承(1)13 章.ppt

机电工程系王会 机械设计 教学基本要求及考点熟悉滚动轴承的主要类型 特点和代号 能正确选择滚动轴承的类型 掌握滚动轴承的失效形式 滚动轴承的基本额定寿命 基本额定动载荷C和基本额定静载荷CO等概念并能熟练计算 能进行滚动轴承当量动载荷 尤其是角接触球轴承和圆锥滚子轴承的派生轴向力和轴向载荷 及轴承承载能力的计算 能根据载荷 结构形式 定位 调整 装拆 预紧 润滑和密封等要求 进行滚动轴承组合设计和分析已有的轴承组合结构 与轴系结构设计综合在一起 1 概述 标准件 专门轴承厂生产 只需选型和组合设计 一 构造 核心元件 滑动 滚动 使滚动体等距离分布 滚动体间的摩擦 磨损 滚子轴承 圆柱 圆锥 球面滚子 滚针 线接触 保持架 外圈 滚动体 二 材料 内外圈 滚动体 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 软材料 低碳钢板冲压后铆接或焊接 实体式用铜合金 铝合金切削加工制成 三 特点 与滑动轴承比较 优点 1 起动力矩小 可在负载下起动 起动容易 2 运动精度高 3 轴向宽度较小 缺点 1 承受冲击载荷能力差 2 振动 噪音较大 3 径向尺寸较大 4 寿命较低 4 可同时承受径向 轴向载荷 轴承组合较简单 5 便于密封 易于维护 6 不需有色金属 标准件 成本低 一 不同类型轴承的承载情况按轴承用于承受的外载荷方向 分为向心轴承 推力轴承和向心推力轴承三大类 2 滚动轴承的主要类型及其代号 向心推力轴承的滚动体与外圈滚道接触点 线 处的法线N N与半径方向的夹角 叫做轴承的接触角 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 则叫做载荷角 承受轴向载荷能力 0 外圈滚道表面是以轴承中点为中心 故能自动调心 允许内圈 轴 对外圈 外壳 轴线有小量偏斜 2 3 有少量轴向限位能力 但一般不宜承受纯轴向载荷 外圈滚道表面是以轴承中点为中心 允许内圈 轴 相对于外圈 外壳 轴线有小量偏斜 1 5 2 5 故能自动调心 有少量轴向限位能力 但一般不宜承受纯轴向载荷 与调心球轴承相比 调心滚子轴承有较大的径向承载能力 可以同时承受径向载荷及轴向载荷 外圈可分离 安装时可调整轴承的游隙 一般成对使用 对于接触角为10 18 的圆锥滚子轴承 30000型 以承受径向载荷为主 对于大接触角 27 30 的圆锥滚子轴承 30000B型 以承受轴向载荷为主 单向推力球轴承 51000型 双向推力球轴承 52000型 只能承受轴向载荷 为了防止钢球与滚道之间的滑动 工作时必须加一定的轴向载荷 高速时离心力大 钢球与保持架摩擦 发热严重 寿命降低 故极限转速很低 单列推力球轴承只能承受单方向的推力 而双列推力球轴承可以承受双向推力 主要承受径向载荷 也可以同时承受不大的轴向载荷 当量摩擦系数最小 在高转速时 可用来承受纯轴向载荷 工作中允许内 外圈轴线偏斜量8 16 与其它类型的轴承相比 应用最普遍 价格也最低 可以同时承受径向载荷及轴向载荷 也可以单独承受轴向载荷 能在较高转速下正常工作 由于一个轴承只能承受单向的轴向力 因此 一般成对使用 承受轴向载荷的能力由接触角 决定 接触角大的 承受轴向载荷的能力也高 常用角接触轴承的接触角有 单列角接触球轴承 不可分离型可分离型 70000C 15 70000AC 25 70000B 40 双列角接触球轴承双半内圈角接触球 内圈 或外圈 可以分离 故不能承受轴向载荷 滚子由内圈 或外圈 的挡边轴向定位 工作时允许内 外圈有少量的轴向错动 圆柱滚子轴承有较大的径向承载能力 但内外圈轴线的允许偏斜量很小 2 4 因此 此类轴承不宜承受偏载 双列圆柱滚子轴承四列圆柱滚子轴承 在同样内径的条件下 与其它类型轴承相比 滚针轴承外径最小 内圈 或外圈 可以分离 故不能承受轴向载荷 工作时允许内 外圈有少量的轴向错动 有较大的径向承载能力 类型代号 内径代号 尺寸系列代号 数字或字母表示不同类型的轴承 表示结构 内径相同的轴承在外径和宽度 高度 方面的变化系列 表示轴承公称直径的大小20 480mm代号 5 内径mm 有特殊要求时使用 表示轴承结构 形状 材料 公差等级等 二 代号 表示类型 结构 尺寸 公差等级 技术性能等特征的产品代号 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 直径系列代号有7 8 9 0 1 2 3 4 5 对应于相同内径轴承的外径尺寸依次递增 宽度系列代号有8 0 1 2 3 4 5和6 对应同一直径系列的轴承 其宽度依次递增 除20000和30000轴承外 多数轴承代号若为0可省略不标 内径代号 基本代号左起第四 五位 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 三 滚动轴承代号示例 62203 7 0 312AC P6 公差等级为0级 游隙组为0组 游隙组为0组 N105 P5 游隙组为0组 30213 公差等级为0级 游隙组为0组 13 3滚动轴承的类型选择 一 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 1轴承的载荷 二 滚动轴承选择应考虑的问题 载荷方向 向心轴承用于受径向力 1轴承的载荷 二 滚动轴承选择应考虑的问题 载荷方向 向心轴承用于受径向力 推力轴承用于受轴向力 向心推力轴承用于承受径向力和周向力联合作用 载荷大小 一般 滚子轴承 1 5 3 球轴承 当d 20mm时 两者承载能力接近 宜采用球轴承 在同样的外形尺寸下 滚子轴承的承载能力大于球轴承 承受径向载荷为主 0 45 45 90 承受轴向载荷为主 0 90 滚动体为滚子 则只能承受径向载荷 若滚动体为球 可承受一定的轴向载荷 只能承受轴向载荷 2轴承的转速 转速过高 温度 润滑失效 滚动体回火或胶合破坏 极限转速 滚动轴承在一定载荷与润滑条件下 允许的最高转速 具体可查阅设计手册或轴承样本 选用原则 1 球轴承比滚子轴承的极限转速高 应优先选用球轴承 2 在高速时 以选用超轻 特轻及轻系列的轴承 内径相同时 外径越小 滚动体就越轻小 产生的离心惯性力也小 3轴承的调心性能 影响轴承正常运转 角偏差 可采用调心轴承 滚针轴承对轴线倾斜最敏感 应紧可能避免在轴线有倾斜的情况下使用 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 3 保持架的材料对轴承转速影响极大 实体保持架比冲压保持架允许有更高一些的转速 4 推力轴承的极限转速很低 当工作转速高时 若轴向载荷不是十分大 可以采用角接触球轴承来承受纯轴向力 5 若工作转速超过了轴承样本 可以用提高公差等级 适当增大游隙 选用循环冷却等方法 轴刚度差 挠曲变形大 座孔不平行 不同轴 多支点轴 调心轴承 座孔不平形 不同轴 挠曲变形 举例 4 轴承装拆 调整方便 内 外圈可分离型 如3类 5 经济性 球轴承比滚子轴承便宜 精度 价 点击上图观看动画演示 一滚动轴承的受载情况分析 轴承转动时 承受径向载荷Fr 外圈固定 当内圈随轴转动时 滚动体滚动 内 外圈与滚动体的接触点不断发生变化 其表面接触应力随着位置的不同作脉动循环变化 滚动体在上面位置时不受载荷 滚到下面位置受载荷最大 两侧所受载荷逐渐减小 所以轴承元件受到循环的接触应力 4滚动轴承的工作情况 动圈或滚动体上某一点 H是周期性地不稳定变化规律 不动圈上某一点 H的变化规律 为脉动循环 二 应力变化规律 派生轴向力 F Ni Fdi FNi Fd Fdi FNitg 当角接触球轴承或圆锥滚子轴承承受径向载荷Fr时 由于存在接触角 第i个滚动体所受力为F Ni 可分解为两个轴向和径向两个分力 所有滚动体轴向力之和 其中 Fdi FNitg 三 轴向载荷的计算 Fd将迫使轴颈连同内圈和滚动体向右移动 可按下表来计算Fd 由于产生了派生轴向力 此时轴承所承受的实际轴向力不再等于外部轴向力 即 Fa Fae Fd的方向 由外圈的宽边端指向窄边端 当多个滚动体受载时有 2 当施加有外部轴向力Fae时 当只有一个滚动体受载时 Fa Fd Fa Fd FNitg FNtg Frtg Frtg 轴承不会沿轴向窜动 实际轴向力应取决于Fd与Fae中较大的一个 即 Fa max Fd Fae 1 假设没有外部轴向力Fae 13 5滚动轴承尺寸的选择 滚动轴承的载荷 动载荷 静载荷 失效形式不同 一 滚动轴承的失效形式 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 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 胶合 润滑不良的高速轴承 易产生胶合 磨损 胶合 计算准则 1 转速较高的轴承 主要失效形式为 点蚀 需进行寿命计算 2 转速很低或摆动的轴承 主要失效形式为塑性变形 需计算静强度 3 高转速轴承 主要失效形式为胶合 需校核极限转速 1 轴承寿命 轴承在一定转速下 其中任何零件出现疲劳扩展迹象之前 两套圈的相对总转数或运转的工作小时数 2 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L10 Lh 在到达额定寿命时 有90 的轴承没坏 只损坏了10 二 滚动轴承的寿命计算 短时间或间断使用 中断时不致引起严重后果3000 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 定义 当轴承的基本额定寿命为106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 5 基本额定动载荷 不同的轴承该值不一样 它表征了轴承的承载特性 是在大量试验的基础上 通过理论分析得到 需要时可从设计手册或轴承样本中查得 6 寿命计算公式 通过试验得出如图所示6208轴承的载荷 寿命曲线 曲线上对应于Lh 106的载荷为 29 5KN 载荷 寿命曲线的公式 寿命指数 球轴承 滚子轴承 用小时表示 基本额定动载荷 P 当量动载荷 L h 预期寿命 当t 120 时 C 引进温度系数ft进行修正 Ct ftC 修正后的计算公式 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联合影响 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 理由 基本额定动载荷是单向载荷 径向或轴向 试验条件下得出的 实际情况可能受到双重载荷作用 很显然 单向载荷与双向载荷作用下 轴承的寿命是不一样的 工作中冲击振动 P 引进载荷系数fP进行修正 实际计算时 P fP XFr YFa 派生轴向力 F Ni Fdi FNi Fd Fdi FNitg 当角接触球轴承或圆锥滚子轴承承受径向载荷Fr时 由于存在接触角 第i个滚动体所受力为F Ni 可分解为两个轴向和径向两个分力 所有滚动体轴向力之和 其中 Fdi FNitg 轴向载荷的计算 Fd将迫使轴颈连同内圈和滚动体向右移动 可按下表来计算Fd 由于产生了派生轴向力 此时轴承所承受的实际轴向力不再等于外部轴向力 即 Fa Fae Fd的方向 由外圈的宽边端指向窄边端 当多个滚动体受载时有 2 当施加有外部轴向力Fae时 当只有一个滚动体受载时 Fa Fd Fa Fd FNitg FNtg Frtg Frtg 轴承不会沿轴向窜动 实际轴向力应取决于Fd与Fae中较大的一个 即 Fa max Fd Fae 1 假设没有外部轴向力Fae 由前知 Fr1 Fr2 2 轴向载荷计算 四 向心推力轴承的轴向力计算 重点掌握 右端轴承 压紧 左端轴承 放松 左端 压紧 右端 放松 1 Fae Fd1 Fd2合力指向 判定 压紧端 和 放松端 2 放松端 Fa等于本身Fd 3 压紧端 Fa等于除本身Fd外 其它轴向力的代数和 向心推力滚动轴承寿命计算小结 1 求支反力 力平衡 力矩平衡 Fr1 Fr2 3 根据轴承安装方式及合力的指向判定 压紧 放松 端 求出Fa1 Fa2 4 根据 是 X Y查表 否 X 1 Y 0 是 X Y查表 否 X 1 Y 0 取 5 校核式 设计选择式 球轴承 3滚子轴承 10 3 五 滚动轴承的静承载能力 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的载荷界限 基本额定静载荷 用C0表示 轴承上作用的径向载荷Fr与轴向载荷Fa应折合成一个当量静载荷P0 即 P0 X0Fr Y0Fa 按轴承静承载能力选择轴承的公式为 式中 S0为静强度安全系数 可由设计手册查取 C0 S0P0 六 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 例题 某轴系部件采用一对7208AC滚动轴承支承 如图所示 己知作用于轴承上的径向载荷Fr1 1000N Fr2 2000N 作用于轴上的轴向载荷FA 880N 轴承内部轴向力Fd与径向载荷Fr的关系为Fd 0 68Fr 试求轴承轴向载荷Fa1和Fa2 2 如图所示 轴由一对7306AC角接触球轴承支承 已知Fr1 3000N Fr2 1000N n 1200r min 作用在轴上的外加轴向载荷Fae 500N方向如图所示 若载荷系数fP 1 轴在常温下工作 预期寿命Lh 7200h 试问该轴承是否合适 该轴承Cr 25200N 0 68时 X 0 41 Y 0 87 反之 X 1 Y 0 解 例题2 轴系由一对圆锥滚子轴承支承 基本额定动载荷Cr 57700N 轴的转速n 1380r min 已求得轴承的径向支反力为 Fr1 4000N Fr2 6000N 轴向外载荷FA 860N 载荷系数fd 1 2 求轴承寿命为多少小时 轴承e 0 3 时X 0 4 Y 2 自主练习 2 7206C滚动轴承组合结构形式如图示 已知 FA 600NFr1 1970NFr2 1030Nfd 1 1n 1000r min试分析轴承 所受的轴向力Fa及当量动载荷P 并说明哪个轴承是危险轴承 解 采用一对7206C轴承反装 Cr 23000 N Cor 15000 N 7000型轴承Fd eFr 轴承例题1 1 试算法取判断系数e e 0 43 根据 2 求附加轴向力FS1 0 43 Fr1 0 43 1970 847 N FS2 0 43 Fr2 0 43 1030 443 N 3 求轴承的轴向力FA FS1 600 847 1447 FS2 443 轴承例题 轴承压紧 轴承放松Fa1 FS1 847 N Fa2 FA FS1 1447 N 4 求当量动载荷 轴承 与前面假设e 0 058相近 e插入求值 轴承例题 X1 0 44 P fd 0 44 Fr1 1 306 Fa1 1 1 0 44 1970 1 306 847 2170 N 轴承 取X2 0 44 轴承例题 P2 fd x2Fr2 Y2Fa2 1 1 0 44 1030 1 218 1447 2437 N P2 P1 轴承 危险 轴承例题 13 6轴承装置的设计 设计内容 轴承的轴向定位和紧固 轴承的配置设计 轴承位置的调节 轴承的润滑与密封 轴承的配合 轴承的装拆 一 滚动轴承的轴向定位和紧固 滚动轴承的轴向紧固是指将轴承的内圈或外圈相对于轴或轴承座实施紧固 轴承的预紧 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 注 另一端采用轴肩固定 轴肩高度应低于轴承内圈的厚度 外圈的紧固方法 端盖固定 孔用挡圈 轴承外圈止动槽 螺纹环紧固 二 滚动轴承的配置 轴承配置 指对于一个轴系应采用几个轴承支承 如何支承 如何配置等问题 常用配制方案 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 两端固定支承 双支点各单向固定 安装时 轴承外圈与端盖间隙 0 25 0 4mm 允许轴少量热膨胀 用垫片或调整螺钉调节 用于 t 不高 每个轴承承受一个方向的轴向力 组合后 限制轴双向移动 承受双向轴向力FA 轴承类型 2 一端双向固定 一端游动 单支点双向固定 用于 t 较高 固定支承 游动支承 适用于温度变化较大的长轴 二 滚动轴承的配置 轴承配置 指对于一个轴系应采用几个轴承支承 如何支承 如何配置等问题 常用配制方案 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 主要用于人字形齿轮 两端游动 螺钉调整 三 轴系部件的调整 加减垫片的厚度 1 轴承间隙的调整 螺钉调整 方法 2 轴承组合位置的调整 目的 使轴上的零件具有准确的工作位置 如齿轮 带轮等 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 润滑的目的 降低滚动轴承内部的摩擦 减少磨损和发热量 四 滚动轴承的润滑和密封 轴承的摩擦发热使轴承升温 油润滑可以到起冷却作用 从而降低轴承的工作温度 延长使用寿命 良好的润滑状态 可在滚动体与滚道间形成一层使两者隔开的油膜 减小接触压力 轴承零件表面覆盖一层润滑剂 可以防止表面氧化生锈 润滑剂还能吸收振动 并降低噪音 1 滚动轴承的润滑 密封目的 防止灰尘 水分进入轴承 阻止润滑剂流失 润滑剂 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 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 d 滚动轴承的内径 单位 mm n 轴承转速 单位 r min 对于不同类型的轴承 润滑剂和润滑方式的选择可参照下表进行 表13 10轴承的常用润滑方式 2 滚动轴承的密封 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 滚动轴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滴点 密封效果可靠 图b为轴向曲路 因考虑到轴受热后会变长 间隙取 1 5 2mm 迷宫式封圈 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油或润滑脂以加强密封效果 分为径向和轴向两种结构 适用场合 适用于脂润滑或油润滑 密封效果可靠 也可以把多种密封形式组合在一起 这是组合密封的一种型式 毛毡加迷宫 可充分发挥各自的优点 提高密封效果 组合密封的方式很多 不一一列举 组合式密封 五 轴承组合的配合 内圈孔 轴 基孔制 外圈 轴承座孔 基轴制 配合是指内圈与轴颈 外圈与外壳孔的配合 除了对轴承的内外径规定了直径公差外 还规定了平均内径和平均外径 dm Dm 的公差 标准规定 06542各级公差等级的轴承的内径dm