机械设计基础课件第17章滚动轴承.ppt

第四篇轴系零部件 滑动轴承 滚动轴承 轴 联轴器 离合器 第十七章滚动轴承 17 1概述 17 2滚动轴承的主要类型和代号 17 3滚动轴承的类型选择 17 4滚动轴承的工作情况 17 5滚动轴承尺寸的选择 17 6轴承装置的设计 功用 支承轴及轴上零件 保持轴的旋转精度 减少转轴与支承之间的摩擦和磨损 轴承的功用及组成 分类 根据支承处相对运动表面的摩擦性质 轴承分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承 分别简称为滑动轴承和滚动轴承 标准件 专门轴承厂批量生产 17 1概述 滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一 它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的 设计人员的任务主要是熟悉标准 正确选用 滚动轴承的应用 滚动轴承在减速器中的应用 滚动轴承在海上钻井平台上的应用 滚动轴承的类型和代号 认识轴承 滚动轴承的选用 包括类型选择 尺寸选择 承载能力验算 滚动轴承的装置设计 安装 调整 润滑 密封 学习本章的目的主要解决三个问题 一 构造 gundti 使滚动体等距离分布 滚动体间的摩擦 磨损 组成内圈1 外圈2 滚动体3和保持架4四个基本元件组成 关系轴承的内圈装在轴颈上 外圈装在轴承座孔或其它零件的轴承孔内 轴承内 外圈上都开有凹槽滚道 它起着降低接触应力及限制滚动体轴向移动的作用 核心元件 滑动 滚动 滚动体 滚动体是滚动轴承的核心元件 当内 外圈相对转动时 滚动体即在内 外圈滚道间滚动 它使相对运动表面间的滑动摩擦变为滚动摩擦 滚动体的形状 大小及数量直接影响轴承的承载能力 保持架的作用是把滚动体均匀地相互隔开 防止滚动体脱落 改善轴承内部载荷分配及引导滚动体运动 保持架有冲压的和实体的 如右图 两种 冲压保持架一般用低碳钢板冲压后铆接或焊接而成 它与滚动体间有较大间隙 实体保持架常用铜合金 铝合金或工程塑料经切削加工而成 它具有良好的定心作用 适用于高速轴承 滚动轴承的性能和可靠性在很大程度上取决于内 外圈及滚动体的材料 它要求具有高的接触疲劳强度 良好的耐磨及耐腐蚀性 一般用含铬合金钢制造 经热处理后硬度可达61 65HRC 工作表面须经磨削和抛光 滚动轴承的类型 按照滚动轴承所能承受的主要负荷方向 又可分为 向心轴承 主要承受径向载荷推力轴承 承受轴向载荷向心推力轴承 能同时承受径向载荷和轴向载荷 根据滚动体的形状 滚动轴承分为 球轴承 承载能力低 极限转速高滚子轴承 承载能力高 极限转速低 二 滚动轴承的结构特点 二 材料 内 外圈和滚动体 强度高耐磨性好的铬锰高碳钢 轴承钢 GCr15 GCr15SiMn 61HRC 65HRC 保持架 较软材料 低碳钢冲压后铆接或焊接常用 铜合金 铝合金 酚醛层压布板 工程塑料 三 与滑动轴承比较 优点 摩擦阻尼小 启动灵活 可同时承受径向和轴向载荷 简化了支承结构 径向间隙小 还可用预紧方法消除间隙 因此回转精度高 互换性好 易于维护 不需有色金属 标准件 成本低 缺点 抗冲击能力较差 高速时噪声大 寿命较低 径向尺寸大 有的场合无法使用 1 按可承受的外载荷分类 向心轴承 主要用来承受径向载荷 推力轴承 只能承受轴向载荷 向心推力轴承 能同时承受径向载荷和轴向载荷 一 滚动轴承的主要类型 性能与特点 17 2 滚动轴承的主要类型及代号 2 载荷角 总载荷N与径向平面的夹角 1 接触角 滚动体与外圈轨道接触点的法线与轴承径向平面的夹角 滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面之间的夹角 称为公称接触角 向心轴承 0 45 主要承受径向载荷 径向接触轴承 0 的向心轴承 向心角接触轴承 0 45 的向心轴承 推力轴承 45 90 主要承受轴向载荷 2 按滚动体的种类分类 1 球轴承 2 滚子轴承 调心滚子轴承 3 按轴承的结构形式不同分类 类型和代号2 在实际应用中 滚动轴承的结构形式有很多 作为标准的滚动轴承 在国家标准中分为13类 其中 最为常用的轴承大约有下列 类 深沟球轴承 圆柱滚子轴承 推力球轴承 角接触球轴承 圆锥滚子轴承 调心球轴承 更多的滚动轴承 参见表17 1 类型和代号3 二 滚动轴承的代号方法 滚动轴承代号构成 代号用于表征滚动轴承的结构 尺寸 类型 精度等 由GB T272 1993规定 前置代号 表示轴承的分部件 基本代号 表示轴承的类型与尺寸等主要特征 后置代号 表示轴承的精度与材料的特征 基本代号是轴承代号的基础和核心 前置及后置代号都是对基本代号的补充 只有在对标准轴承的结构形状 尺寸 材料 公差等级 技术要求等有改变时才使用 正常情况的可部分或全部省略 基本代号 通常由5位数 字母 组成 分别表明轴承的内径 外径 宽度和类型 1 基本代号 字母 数字 1 内径代号 基本代号右起的第一 二两位数字表示轴承公称内径的大小 表示方法如下 注 内径小于10mm或大于495mm的内径代号另有规定 2 尺寸系列代号 基本代号右起第3 直径系列 4位 宽度系列 数字 为了满足不同承载能力的需要 把相同结构和内径的轴承 做成不同的外径和宽度 这种结构和内径相同而外径和宽度不同的变化系列称为尺寸系列 举例 图示为内径相同 而直径系列不同的四种轴承的对比 它们用于适应各种不同工况的要求 除2类 3类轴承外 其他类型轴承的宽度系列代号为0时 0省略 a 直径系列 右起第三位 结构内径相同 外径宽度变化向心及向心推力轴承 0 1 特轻 2 轻 3 中 4 重系列 b 宽度系列 右起第四位 结构内径外径相同 宽度变化正常宽度0不标 对圆锥滚子轴承 3类 和调心滚子轴承 2类 不能省略 0 向心轴承尺寸系列图表 宽度系列代号 宽度依次递增 直径系列代号 外径尺寸依次递增 3 类型代号 基本代号右起的第五位数字或字母代表轴承的类型 常用 30209 圆锥滚子 63710 深沟球 71915 角接触球 表示轴承的内部结构 密封 材料 公差 游隙 配置及其它特性要求 用数字和字母表示 后置代号共分8组 排列顺序见下表 2 后置代号 内部结构代号表示同一类型轴承不同的内部结构 用字母表示 紧跟在基本代号的后面 内部结构代号如下表所示 公差等级代号表示轴承的公差等级 用字母和数字表示 公差分2 4 5 6 6x 0级 共六个级别 游隙代号 表示轴承径向游隙值的大小 用字母和数字表示 常用的轴承径向游隙系列分为1组 2组 0组 3组 4组和5组 游隙由小到大 0组为常用游隙组别 不标 其余游隙组为辅助游隙组 在代号中分别用 C1 C2 C3 C4和 C5表示 公差等级代号与游隙代号同时表示时 可进行简化 取公差等级代号加上游隙组号组合表示 如 P63 游隙 内 外滚道与滚动体之间的间隙称为游隙 即为当一个座圈固定时 另一座圈沿径向或轴向的最大移动量 游隙可影响轴承的运动精度 寿命 噪声 承载能力等 3 前置代号 字母 表示轴承的分部件 1 L 可分离轴承的内外圈 例 LNU207 内圈无档边圆柱滚子轴承的内圈 2 K 滚动体与保持架组件 滚动轴承代号示例 6305 3中系列深沟球 正常宽度系列 正常结构 0级公差 0组游隙 7210C C3 P4 2轻系列角接触球 正常宽度 正常结构 4级公差 3组游隙接触角15 30310 P6 2中系列圆锥滚子轴承 正常宽度 正常结构 6级公差 0组游隙 例 试说明下列轴承代号的意义 练习 写出下列滚动轴承代号的意义 6203 N218 7309B P6 30412 P5 51415 30213 3 圆锥滚子轴承 2 轻系列 13 内径d 65mm 0 正常宽度 0不可省略 公差等级为0级 游隙组为0组 6103 6 深沟球轴承 1 特轻系列 03 内径d 17mm 公差等级为0级 游隙组为0组 7214AC P4 7 角接触球轴承 2 轻系列 14 内径d 70mm 公差等级为4级 游隙组为0组 公称接触角 25 例 试说明下列轴承代号的意义 FN1 FN0 FN1 FN2 FN2 以向心轴承为例 17 3滚动轴承的工作情况分析 当受到纯径向力Fr作用时 接触点产生接触弹性变形 内圈下沉 0 最多只有半圈滚动体受载 滚动体受载不均 出现承载与非承载区 平衡条件 一 轴承工作时轴承元件上的载荷分布 上半圈滚动体不受力 内部载荷分布 当受到纯轴向力Fa作用时 滚动体均匀受载各滚动体平均分担 3 角接触轴承同时受Fr和Fa 1 角接触轴承的内部轴向力FS FS 1 25Frtg FS方向 有使内 外圈分离的趋势 要成对使用 对称安装 2 轴向载荷对载荷分布的影响 当只有最下面一个滚动体受载时 载荷角 Fa与Fr的合力F与径向平面的夹角 受载滚动体增多时 在同样Fr作用下 内部轴向力FS 多个滚动体受载派生的轴向力的合力 只有一个滚动体受载时派生的轴向力 轴向力 单个滚动体受载产生的内部轴向力 多个滚动体受载的条件 结论 1 角接触轴承及圆锥滚子轴承必须在Fr和Fa的联合作用下工作 或成对使用对称安装 2 为使更多的滚动体受载应使 3 Fr不变时 Fa由最小值 一个滚动体受载 逐渐增大 即载荷角增大 则受载滚动体数 当时 下半圈滚动体受载 4 实际工作时 至少达到下半圈滚动体受载 安装3和7类轴承不能有较大的轴向窜动量 滚动体转动套圈 在承载区 载荷从零逐渐增大到最大 再逐渐减少到零 二 轴承工作时轴承元件上的载荷及应力的变化 固定套圈 滚动体滚过便受力 大小不变 稳定的脉动循环载荷 结论 根据受力分析可见 滚动轴承的各个元件所受载荷为循环变载荷 其表面接触应力为循环变应力 F0 H F0 H 三 滚动轴承的失效形式 1 疲劳点蚀 在安装 润滑和维护良好的条件下 轴承元件在 交变接触应力作用下导致元件点蚀 主要失效形式和轴承寿命计算的依据 2 塑变 过大静载或冲击载荷致局部塑变 低速轴承失效形式 3 胶合 磨损 套圈或保持架断裂 维护不当 润滑不良 密封不严 多尘条件 接触疲劳寿命计算 针对点蚀 静强度校核 重点 难点 四 计算准则 类型选择1 选择轴承的类型和直径系列 滚动轴承选择的一般过程 17 4滚动轴承类型的选择 承载能力 球轴承 滚子轴承 耐冲击 球轴承 滚子轴承 载荷大 有冲击时选滚子轴承 载荷小时选球轴承 2 载荷性质 同时Fa Fr 角接触球轴承或圆锥滚子轴承 Fr大 Fa小 深沟球轴承 Fa大 Fr小 推力角接触轴承 选择方法 经验法并考虑下列因素 工作载荷 转速 支承刚性 安装精度 1 载荷的大小 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 1 2 3 轴承的调心性 长轴 刚度低 或多支点 要求轴承具有调心性 调心轴承 极限转速nlim 一定载荷和润滑条件下允许的最高转速 4 轴承转速 5 轴承装拆 调整方便 内 外圈可分离型 如3 N 6 经济性 球轴承比滚子轴承便宜 精度 价 nlim 球轴承 滚子轴承 球轴承 轻载 高速 精度要求高的场合滚子轴承 重载或有冲击场合 2 尺寸选择 选择型号 内径 外径 宽度系列 选定类型 初定型号 验算寿命 7 空间限制 径向尺寸受限 滚针轴承 滚针轴承 带内锥孔与紧定套轴承 圆锥滚子轴承 轴承的寿命 106r 一 轴承的基本额定寿命 1 轴承寿命 轴承的寿命是指单个轴承中一个套圈或滚动体首次出现疲劳扩展之前 一套圈相对于另一套圈的转数 一批相同轴承 各轴承寿命离散性大 寿命相差数十倍 如何确定轴承的寿命呢 17 5滚动轴承尺寸的选择 2 轴承的基本额定寿命 一批相同轴承在同样工作条件下运转 其中10 轴承发生点蚀破坏 而90 的轴承不发生点蚀破坏前运转的总转数 L10 或工作的小时数 Lh 10 完好 1 基本额定寿命为轴承设计寿命 2 基本额定寿命与载荷有关 完好 3 轴承的预期寿命Lh 设计机器时所要求的轴承寿命 可参照机器的大修期限取定 表17 3 二 滚动轴承的基本额定动载荷 基本额定动载荷C L10 106r时 轴承所能承受的载荷 即 在C作用下 轴承工作106r而不点蚀失效 R 90 Cr 径向基本额定动载荷 对角接触轴承 3 7 Cr 载荷的径向分量 Ca 轴向基本额定动载荷 5类Ca 纯轴向载荷 说明 三 滚动轴承寿命的计算 时 轴承寿命计算要解决的两类问题 1 已知轴承型号和所受载荷P 计算轴承的基本额定寿命 2 已知载荷P和要求轴承应达到的预期计算寿命时 需选用具有多大的基本额定动载荷的轴承 即 选择什么型号尺寸的轴承 P L10曲线 轴承的寿命曲线 载荷P与基本额定寿命之间的关系 工程中常用小时数表示寿命 n 轴承转速r min 常数 P C 作了上述修正后 寿命计算式可写为 当工作温度较高时 C值会下降 用温度系数ft修正 预期寿命 所需基本额定动载荷 当量动载荷N 基本额定动载荷N 查手册 预期寿命 注意国标号 所需额定动载荷 基本额定寿命 h 基本额定寿命 106r 2 已知n 查手册 选型号 使 1 已知轴承型号 所受载荷P和预期使用寿命Lh 回顾两类问题 计算寿命 选轴承 两类问题基本解决 基本额定动载荷C 但实际工作时 轴承可能同时受Fa Fr 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 与C同性质且与实际载荷等效的假想载荷 当量动载荷 P 是在单向载荷 径向Fr或轴向Fa 试验条件下得出的 X 径向动载系数 Fr对寿命影响效应的大小 Y 轴向动载系数 Fa对寿命影响效应的大小 式中 1 计算公式 X Y值查表17 8 计及附加载荷如冲击力等的影响 P的公式为 四 滚动轴承的当量动载荷P 载荷系数 表17 9 向心轴承 N NA类 P Fr 推力轴承 5类 P Fa 3 7类轴承的P 3 7类轴承内部轴向力Fs 五 角接触轴承和圆锥滚子轴承的载荷计算1 内部轴向力 Fs内部轴向力大小方向 Fs使内外圈有分离趋势 为使轴受力合理 Fs1与Fs2方向应相反 3 7类轴承成对使用 对称安装 两种安装方式 反装 背靠背安装 正装 面对面安装 两外圈宽边相对 Fs相背 两外圈窄边相对 Fs相对 Fs 2 简化画法 Fs 2 3类和7类轴承的载荷计算 1 载荷分析 轴上有外载荷 Fre和Fae 3 轴承的轴向载荷Fa的计算 各个轴承的轴向载荷Fa 注 将轴承内圈与轴视为一体 Fs1 Fs2 Fae 轴上外载荷Fae 各轴承的内部轴向力Fs 应根据轴系受力情况和平衡条件作具体分析 轴承1外圈固定 故1被 压紧 轴承2 放松 合力 左 轴有左移趋势 阻止轴左移 1 轴承正装时 压紧轴承 若 压紧 放松 放松轴承 Fs1 Fs2 Fae 左移趋势 合力 右 轴有右移趋势 阻止轴右移 轴承2外圈固定 故2被 压紧 轴承1 放松 若 放松 压紧 压紧轴承 放松轴承 Fs1 Fs2 Fae 右移趋势 2 轴承反装时 Fae Fre 同学们自己分析 举例 从而判定被 压紧 轴承和被 放松 轴承 3类和7类轴承所受轴向力Fa的计算方法归纳 失效形式 基本额定寿命 基本额定动载荷 关键词 寿命计算公式L10 内部轴向力Fs 径向力Fr 轴向力Fa计算 3 7类等 径向 轴向动载系数 当量动载荷P 向心推力轴承 3类 7类 寿命计算小结 1 求支反力 力平衡 力矩平衡 Fr1 Fr2 2 求内部轴向力Fs1 Fs2 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 设计选型式 5 寿命校核式 滚动轴承的静载荷 按静载能力选择轴承 S0 静强度安全系数 见表17 8 对于工作于静止状态 缓慢摆动和低速转动的轴承 主要是防止滚动体与滚道接触处产生过大的塑性变形 轴承不是单一的个体 它是用来支承轴的 而轴又要带动轴上零件工作 所以轴承的设计一定包含合理设计轴承装置 17 6轴承装置的设计 设计要求 固定可靠 运转灵活 保证精度 调整方便 轴承装置设计内容 轴承的定位和紧固 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 支承的刚度和同心度 1 保证同心度要求安装轴承的两个轴承座孔一次加工而成 2 保证支承刚度要求1 增加轴承座孔的壁厚 2 减小轴承支点相对于箱体孔壁的悬臂 3 采用加强筋加强支承部位的刚性 4 采用整体式轴承座孔 加强筋 一 支撑部分的刚性和同心度 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 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 滚动轴承的轴向紧固 三 轴承的配置 合理的轴承配置 1 一个轴系应采用几个轴承支承 2 如何支承 3 轴承如何配置 常用轴承组的配置 一个支点双向固定 另一端游动 两端均游动 双支点各单向固定 双支点各单向固定 方案1 采用向心推力轴承 反装 常采用两个反装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承 两个轴承各限制一个方向的轴向移动 外圈都在单方向轴向固定 其轴向间隙可在轴承内部调整 箱体内侧 箱体外侧 调整垫片 一组 调整垫片 一组 2 采用向心推力轴承 正装 双支点各单向固定 c 0 2 0 4 箱体内侧 箱体外侧 方案2 采用深沟球轴承 双支点各单向固定 套杯 箱体内侧 箱体外侧 一个支点双向固定 另一端游动 一端支承的轴承 内 外圈双向固定 另一端支承的轴承可以轴向游动 双向固定端的轴承可承受双向轴向载荷 游动端的轴承端面与轴承盖之间留有较大的间隙 以适应轴的伸缩量 这种支承结构适用于轴的温度变化大和跨距较大的场合 固定端 游动端 套杯 箱体内侧 箱体外侧 固定端 游动端 一个支点双向固定 另一端游动 固定支点 Fa不大 深沟球轴承 6 Fa较大 一对3 7类轴承背靠背或面对面组合 Fa和Fr均大 推力轴承与向心轴承组合 详细 一个支点双向固定 另一端游动 对于人字齿轮轴 由于人字齿轮本身的相互限位作用 它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置 而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的 以防止齿轮卡死或人字齿的两侧受力不均匀 两端均游动 1 轴承游隙的调整 保证获得一定的热膨胀间隙 四 轴承游隙及轴上零件位置的调整 轴承游隙调整垫片 螺纹零件 2 轴承 轴系 调整 保证传动件有准确的工作位置 锥齿轮传动 要求两齿轮锥顶重合 蜗杆传动 要求蜗轮中间平面通过蜗杆轴线 调整的方法 套杯 调整垫片 确定圆锥齿轮的轴承安装在调整套杯中 套杯再安装在机座上 通过垫片1调整套筒与机座的相对位置 实现对锥齿轮轴轴向位置的调整 通过垫片2调整轴承间隙 轴向位置调整垫片 轴承游隙调整垫片 动画 1 a 基准制内圈与轴 基孔制 轴用n6 m6 k6 js6等公差带 外圈与轴承孔 基轴制 孔用J6 J7 H7 G7公差带 b 外径 内径公差带分布特点 c 装配图的标注 90H7 40k6 五 滚动轴承的配合 2 配合的选取原则 选较紧的配合 过盈配合 如轴公差用k6 m6 选较松的配合 座孔公差用H7 J7或G7 1 预紧的目的提高轴承的旋转精度 增加轴承装置的刚性 减小机器工作时轴的振动 2 预紧的方法安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力 使滚动体和内 外圈接触处产生预变形 以消除轴承中的游隙 六 滚动轴承的预紧 3 预紧装置 夹紧外圈 图a 弹簧预紧 图b 加长度不等的间隔套 图c 磨窄座圈并夹紧 图d 装配套管 拆卸器 安装方法 手锤套管打入法 压入法 温差法等 拆卸方法 手锤套管敲击法 轴承拆卸器拆卸法等 2 装拆 温差法与压入法装拆 1 温差法 加热轴承或冷却轴 2 压入法装拆 专用工具 正确施压 要求 1 压力应直接加于配合较紧的套圈上2 不允许通过滚动体传递装拆力3 要均匀施加装拆力 装拆滚动轴承时 要特别注意以下两点 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 设计时应注意的是 轴承的定位轴肩和定位凸肩高度过大 会导致轴承拆卸困难 其合理的高度尺寸da Da可查轴承手册 轴肩过高 凸肩孔过小 油雾润滑 八 润滑 目的 1 摩擦阻力 磨损 2 吸振 冷却 防锈 密封等 目的 1 防止润滑剂从轴承中流失 2 防止灰尘 水分浸入 分类 1 接触式 线速度较低时用 九 密封 静止件与运动件不能直接接触 轴与端盖间应有间隙 2 非接触式 不受速度限制 转速不高时用接触式密封 转速较高时用非接触式密封 分析计算题1 有一个型号为208的深沟球轴承 轴的转速为n rpm 当量动载荷C N 为时寿命为1600小时 已知滚动轴承寿命计算公式L C P 106转 试求 1 将L 106转 转化为以小时Lh 小时 表示的寿命计算式 2 当该轴承的转速n保持不变的条件下 当量动载荷P增加一倍 2P 时其寿命为多少小时 3 当转速不变时 欲将寿命增大一倍 32000h 当量动载荷P变化为何值 例题2一轴由一对7211AC的轴承支承 Fr1 3300N Fr2 1000N FA 900N 如图 试求两轴承的当量动载荷P S 0 68Fre 0 68X 0 41 Y 0 87 解 S 0 68FrS1 0 68Fr1 0 68 3300N 2244NS2 0 68Fr2 0 68 1000N 680NS2 Fx 680 900 1580NeP1 3300NP2 0 41 1000 0 87 1344 1579N 滚动轴承例题分析 设根据工作条决定在轴的两端反装两个角接触球轴承 已知轴上齿轮受切向力Ft 2200N 径向力Fr 900N 轴向力Fa 400N 齿轮分度圆直径d 314mm 齿轮转速n 520rpm 运转中有中等冲击载荷 轴承预期计算寿命L h 15000h 设初选两个轴承型号均为7207C 试验算轴承是否可达到预期计算寿命的要求 解