完整的轴承选型计算方法.ppt

第七章轴承设计 按摩擦性质分 滑动轴承和滚动轴承 按承载方向分 向心轴承和推力轴承 轴承的作用是支承轴 轴在工作时可以是旋转的 也可以是静止的 1 能承担一定的载荷 具有一定的强度和刚度 2 具有小的摩擦力矩 使回转件转动灵活 3 具有一定的支承精度 保证被支承零件的回转精度 一 轴承应满足如下基本要求 二 轴承分类 7 1 滑动轴承概述 一 滑动轴承的主要特点 工作平稳 无噪声 回转精度高 液体润滑时摩擦损失小 径向尺寸小 二 滑动轴承的摩擦状态 轴瓦与轴颈之间 1 干摩擦状态 应避免此种摩擦状态 摩擦表面无润滑剂 功率损失严重 磨损加剧 温升高 轴瓦易破坏 承载能力高 2 边界摩擦状态 摩擦表面间有润滑油存在 金属表面上形成了一层极薄的边界油膜 但尖峰部分仍直接接触 多数滑动轴承都是这种摩擦状态 3 液体摩擦状态 两摩擦表面完全被润滑油分隔开 形成了一定厚度的压力油膜 这种摩擦状态是润滑油分子之间的摩擦 摩擦系数极小 重要轴承采用这种摩擦状态 非液体摩擦滑动轴承 液体摩擦滑动轴承 常用润滑剂 润滑油 液体 用途最广泛 三 润滑剂及其选择 润滑脂 半固体 一般用于中低速 固体润滑剂 主要用作油 脂的添加剂 也可单独使用 1 润滑油的性能及选择 粘度 表征了流动的液体中内摩擦阻力的大小 是最重要的性能指标 也是选择润滑油的主要依据 油性 也称润滑性 表征油中的极性分子对金属表面的吸附性能 油性好则摩擦系数小 润滑油的选择原则 凝点 反映润滑油的低温工作性能 针入度 表征润滑脂的稀稠度 类似于油的粘度 闪点 反映润滑油的高温工作性能 压力大或在冲击 变载条件下工作 应选粘度高的油 速度高时 应选粘度低的油 以减少摩擦损失 工作温度高时 应选粘度高的油 因粘度会随温度升高而下降 2 润滑脂的性能及选择 滴点 表征润滑脂耐高温的性能 润滑脂的选择原则 工作环境有水汽 选钙基润滑脂 工作温度高 选钠基润滑脂 有水汽而且工作温度高 则应选锂基润滑脂 四 滑动轴承的分类 载荷方向 径向轴承 推力轴承 装拆需要 整体轴承 特殊类型 自动调心式轴承 剖分轴承 摩擦状态 液体摩擦 长期运转 精度要求高 非液体摩擦 主要承受径向力 主要承受轴向力 动压轴承 静压轴承 1 径向滑动轴承 1 整体式滑动轴承 特点 结构简单 成本低廉 应用 低速 轻载或间歇性工作的机器中 因磨损而造成的间隙无法调整 只能从沿轴向装入或拆出 2 剖分式滑动轴承 特点 结构复杂 可以调整磨损而造成的间隙 安装方便 应用场合 低速 轻载或间歇性工作的机器中 部分式轴承 整体轴套 对开式轴承 剖分轴套 3 自动调心滑动轴承 4 间隙可调式滑动轴承 2 推力滑动轴承 推力滑动轴承由轴承座和止推轴颈组成 常用的轴颈结构形式有 轴瓦的材料 减摩性 材料副具有较低的摩擦系数 耐磨性 材料的抗磨性能 通常以磨损率表示 抗咬粘性 胶合 材料的耐热性与抗粘附性 摩擦顺应性 材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力 嵌入性 材料容纳硬质颗粒嵌入 从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能 此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力 良好的导热性 工艺性和经济性 磨合性 轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后 形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力 或性质 常用轴瓦材料有 金属材料 粉末冶金材料 非金属材料 轴承合金 巴氏合金 白合金 是由锡 铅 锑 铜等组成的合金 铜合金分为青铜和黄铜两类 铸铁有普通灰铸铁 球墨铸铁等 由铜 铁 石墨等粉末经压制 烧结而成的多孔隙轴瓦材料 有塑料 硬木 橡胶等 其中塑料用的最多 一 失效形式 1 磨损 导致轴承配合间隙加大 影响轴的旋转精度 甚至使轴承不能正常工作 1 限制轴承的压强p 高速重载且润滑不良时 摩擦加剧 发热多 使轴承上较软的金属粘焊在轴颈表面而出现胶合 二 设计准则 7 4非液体摩擦滑动轴承的设计 2 胶合 目的 防止轴瓦过度磨损 向心滑动轴承 平均压强 2 限制轴承的pv值 目的 控制轴承的发热量 防止胶合破坏 pv值表征了轴承发热量的大小 pv 发热量 温升 润滑效果 胶合 k 考虑油槽使支承面积减小 推力滑动轴承 向心轴承 z 推力环的数目 3 限制滑动速度v 目的 防止滑动速度过高而引起磨损 平均直径dm d1 d0 2 推力轴承取2 4MPa m s 平均速度 许用线速度 三 设计步骤 确定轴承结构形式 确定轴承宽度B和直径d 验算p pv v 选择轴承的配合 选择润滑剂与润滑装置 选择轴瓦材料 推力轴承 7 5液体摩擦滑动轴承的工作原理 一 动压油膜的形成机理 两摩擦表面平行 不会产生压力油膜 两摩擦表面成楔形间隙 产生了压力油膜 间隙内的润滑油形成了拥挤 二 形成动压油膜的必要条件 两摩擦表面必须形成楔形间隙 润滑油必须从大口进小口出 必须具有足够的滑动速度 必须充满足够粘度的润滑油 三 向心动压滑动轴承的工作过程 静止 启动 不稳定运行 稳定运行 多油楔滑动轴承 其他滑动轴承 静压滑动轴承 气体轴承 8 1 滚动轴承的特点及类型 滚动轴承的主要特点 滚动轴承是标准件 由专业轴承厂集中生产 故学习本章的目的主要解决二个问题 1 如何选择滚动轴承的类型 2 滚动轴承的寿命计算 摩擦阻尼小 相对于非液体摩擦滑动轴承 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 缺点 抗冲击能力较差 高速时噪声大 寿命较低 径向尺寸大 滚动轴承的主要类型 1 按承载方向和公称接触角分为 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 轴向接触轴承 90 的推力轴承 推力角接触轴承 45 90 的推力轴承 2 按滚动体的种类可分为 球轴承和滚子轴承 滚动轴承代号 用数字或字母表示1 调心球轴承2 调心滚子轴承3 圆锥滚子轴承5 推力球轴承6 深沟球轴承7 角接触球轴承8 推力圆柱滚子轴承N 圆柱滚子轴承NA 滚针轴承 内径尺寸代号100012011502170320 500d 522 28 32及500以上 内径 后置代号 用于表示轴承的结构 公差及材料的特殊要求 用字母或数字表示 如 接触角为150 250和400的角接触球轴承 分别用C AC和B表示内部结构的不同 又如 轴承的公差等级分别为2级 4级 5级 6级 6x 和0级 共5个级别 依次由高级到低级 其代号分别为 P2 P4 P5 P6 P6x 和 P0 3 滚动轴承类型的选择 1 根据载荷的大小及性质 载荷大或冲击大 选滚子轴承 线接触 径向 轴向载荷 角接触球轴承 7 或圆锥滚子轴承 3 轴向载荷不大时 可用深沟球轴承 载荷小或冲击小 选球轴承 点接触 2 根据载荷的方向 纯径向载荷 选深沟球轴承 6 圆柱滚子轴承 N 纯轴向载荷 选推力轴承 5或8 3 根据转速的高低 转速高 选球轴承 转速低 选滚子轴承 4 根据回转精度 精度要求高 选球轴承 5 根据调心性能 轴刚性差 轴承座孔同轴度差或多点支承 选调心轴承 1 类或 2 类 11 5滚动轴承的寿命计算 一 滚动轴承的载荷分析 各滚动体上的受力情况如何 当轴承仅受到纯轴向力Fa作用时 载荷由各滚动体平均分担 即 Qi Qj 当轴承仅受到纯径向力Fr作用时 接触点产生弹性变形 内圈下沉 Q2 Qmax Q1 Q2 Q1 最多只有半圈滚动体受载 承载区各滚动体的变形量不同 受载大小也不同 对于点接触轴承 对于线接触轴承 滚动体与套圈滚道接触点的接触应力是变应力 因此 可看成脉动循环变应力 全部滚动体个数 滚动体表面 套圈滚道都可能发生点蚀 二 滚动轴承的失效形式 1 疲劳点蚀 最主要的失效形式 防止点蚀破坏 是计算滚动轴承的主要目的 接触应力过大 元件表面出现较大塑性变形 2 塑性变形 低速轴承的主要失效形式 原因是载荷过大或冲击载荷作用 3 磨损 胶合 保持架断裂等 使用维护不当而引起的 属于非正常失效 三 设计准则 一般转速的轴承 转速极低或仅作缓慢摆动的轴承 进行寿命计算 防止点蚀破坏 按静强度计算 防止塑性变形 四 滚动轴承的寿命计算公式 一 基本概念 轴承寿命 轴承中任一元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数或总工作小时数 基本额定寿命 一批相同的轴承 在相同的条件下运转 其中90 的轴承不发生疲劳点蚀前所经历的总转数或总工作小时数 90 10 用L10表示 完好 按基本额定寿命选用轴承 可靠性为90 注意 额定寿命随运转条件而变化 比如 外载增大 额定寿命降低 因此 基本额定寿命并不能直接反映轴承的承载能力 基本额定动载荷 规定轴承在基本额定寿命L10为106转时 所能承受的最大载荷 用C表示 即 在C的作用下 运转106转时 有10 的轴承出现点蚀 90 的轴承完好 额定动载荷越大 轴承的承载能力越大 对于具体轴承 C为定值 按手册查取 二 寿命计算 目的 根据工作条件和设计要求 选择合适的轴承尺寸 载荷与额定寿命的关系曲线 式中 P为当量动载荷 L10为P作用下的额定寿命 为寿命指数 球轴承 3 滚子轴承 10 3 Cr 向心轴承的基本额定动载荷 称为径向基本额定动载荷 Ca 推力轴承的基本额定动载荷 称为轴向基本额定动载荷 所以 实际计算时 常用小时数表示轴承的额定寿命 轴承的转速 或 已知轴承的C以及P 计算额定寿命 根据预期寿命Lh 以及P 计算所需的C 当工作温度高于120 时 C值会下降 用温度系数ft修正 预期寿命 当载荷为额定动载荷C时 所需额定动载荷 或 寿命计算时 应满足 三 当量动载荷P的计算 计算寿命 预期寿命 或 所选轴承的额定动载荷 所需的额定动载荷 对于向心轴承 C为径向载荷 对于推力轴承 C为轴向载荷 但轴承可能同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa 为了与C在相同的条件下进行比较 引入当量动载荷的概念 当量动载荷 一假想载荷 与C同类型 它对轴承的作用与实际载荷的作用等效 用P表示 计算式 X 径向系数 Y 轴向系数 查表8 7 X Y的作用是将Fr Fa折合成当量动载荷 实际工作条件下 需引入载荷系数fp修正P X Y取决于 Fa Fr和参数e 若 Fa Fr e X 0 Y 0 若 Fa Fr e X 1 Y 0 参数e根据Fa C0确定 它反映了轴承承受轴向载荷的能力 基本额定静载荷 对于只能承受径向力的向心轴承 如圆柱滚子轴承 对于只能承受轴向力的推力轴承 如推力球轴承 或 四 向心角接触轴承轴向载荷Fa的计算 1 角接触轴承的派生轴向力S 轴承径向载荷Fr的计算见轴系受力分析 即 而 向心角接触轴承 角接触球轴承 圆锥滚子轴承 受纯径向载荷作用后 会产生派生轴向分力S O O 支反力作用点 即法线与轴线的交点 表8 9给出了S的近似计算方法 角接触球轴承 派生轴向力 注意S的方向 2 角接触轴承的排列方法 为使S得到平衡 角接触轴承必须成对使用 一般有两种安装形式 正装 面对面安装 两轴承外圈的窄边相对 即内部轴向力指向相对 反装 背靠背安装 两轴承外圈的宽边相对 即派生轴向力指向相背 正装时跨距短 轴刚度大 反装时跨距长 轴刚度小 问题 两个角接触轴承朝一个方向布置行吗 为简化计算 认为支反力作用于轴承宽度的中点 3 角接触轴承的轴向载荷Fa 当外载既有径向载荷又有轴向载荷时 角接触轴承的轴向载荷Fa 要同时考虑轴向外载FA和派生轴向力S S2和S2 都是右轴承所受的力 故 轴承正装时 若S1 FA S2 圆锥滚子轴承的简图如下 将内圈与轴视为一体 轴向合力向右 轴有向右移动的趋势 但外圈被固定 使得 使轴向力平衡 故 右轴承被压紧 会产生反力S2 而左轴承被放松 即 Fa1 S1 放松端 Fa2 S1 FA 压紧端 若S1 FA S2 轴向合力向左 轴有向左移动的趋势 S1和S1 都是左轴承所受的力 故 使轴向力平衡 故 左轴承被压紧 会产生反力S1 而右轴承被放松 即 压紧端 放松端 轴承反装时 若S2 FA S1 轴向合力向右 轴有向右