《机械设计基础》第五版滚动轴承

第16章滚动轴承 滚动轴承是支承转轴的标准部件我国各地的轴承厂按国家标准生产各种类型的轴承 第16章滚动轴承 教学基本要求1 了解滚动轴承的结构 材料 特点和应用 2 掌握滚动轴承的类型 代号和选择 3 掌握滚动轴承的失效形式 设计准则及校核计算方法 4 能正确进行滚动轴承的组合设计 重点与难点1 滚动轴承的失效形式 设计准则及滚动轴承的选择 2 角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷的计算以及滚动轴承基本额定寿命的计算 3 滚动轴承的组合设计 概述 箱体齿轮轴轴承轴承孔 作用 支持轴及轴上零件 保持轴的旋转精度减少转轴与支持面间的摩擦磨损 按摩擦性质 滑动轴承 滚动轴承 滚动轴承设计的内容一般为 根据工作条件合理选用滚动轴承的类型和尺寸 验算轴承的承载能力 综合考虑滚动轴承的定位 装拆 调整 润滑和密封等问题 进行轴承的组合结构设计 滚动轴承的构造 1 组成 内圈 外圈 滚动体 保持架 外圈 与轴承座或零件的孔接触 保持架 内圈 滚动体 滚动 2 滚动体形状 a 球 b 圆柱滚子 c 圆锥滚子 d 滚针 e 球面滚子 e 非对称球面滚子 3 材料 轴承内 外圈和滚动体 轴承钢如GCr15 GCr15SiMn等制造 热处理后硬度一般不低于60HRC 工作表面要求磨削和抛光 由于一般轴承的这些元件都经过150 的回火处理 所以通常当轴承的工作温度不高于120 时 零件的硬度不会下降 低碳钢 铜合金 铝合金 塑料 树脂等 1 摩擦力矩小且稳定 易启动 2 轴向宽度小 结构紧凑 3 能同时承受轴向力和径向力 4 易润滑 5 批量生产成本低 6 对轴的材料和热处理要求低 7 承受冲击载荷能力差 8 寿命短 9 振动 噪声大 10 不宜作成剖分式 5 工程应用 4 滚动轴承特点 16 1滚动轴承的基本类型 1 按滚动体形状分 1 球轴承 2 滚子轴承 1 调心球轴承 2 推力球轴承 3 深沟球轴承 4 角接触球轴承 1 调心滚子轴承 2 推力圆柱滚子轴承 3 圆锥滚子轴承 4 圆柱滚子轴承 3 滚针轴承 2 按受载方向和公称接触角分 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 注意 公称接触角越大 滚动轴承承受轴向载荷的能力越大 按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角 的不同分 3 滚动轴承的性能 1 承载能力 滚子轴承 1 5 3 球轴承 2 极限转速 当d 20mm时 两者承载能力接近 宜采用球轴承 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 3 角偏差 影响轴承正常运转 角偏差 可采用调心轴承 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 16 2滚动轴承的代号 滚动轴承的类型很多 而各类轴承又有不同的结构 尺寸 公差等级 技术要求等 为便于组织生产和选用 规定了滚动轴承的代号 内径系列代号 宽度系列代号 类型代号 例K7211 P5 例 61308 P5 0 1 特轻系列2 轻系列3 中系列4 重系列 表示轴承分部件 表示轴承公差 结构等 2 公差等级 P2 P4 P5 P6x P6 P0高低 P0 普通级 代号中不标注 1 内部结构代号 表16 6 C1 C2 C0 C3 C4 C5 3 游隙代号 16 3滚动轴承的选择计算 1 向心轴承的载荷分布 一 受力分析 受纯径向载荷Fr时 上半圈滚动体不受力 下半圈各滚动体受力大小方向均不同 受纯轴向载荷时 各滚动体受力相同 如图受力情况 根据力的平衡条件可求出受载最大的滚动体所受的载荷为 2 轴承元件上载荷及应力的变化 在承载区 载荷零逐渐增大到最大 再逐渐减少到零 不稳定脉动循环变应力 固定圈 滚动体滚过便受力 大小不变 稳定的脉动循环变应力 二 滚动轴承的失效形式 滚动轴承工作过程中 滚动体和内 外圈滚道分别受到脉动循环交变应力的作用 在载荷的反复作用下 首先在表面下一定深度处产生疲劳裂纹 继而扩展到接触表面 形成疲劳点蚀 使轴承不能正常工作 通常 疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式 1 疲劳点蚀 疲劳点蚀的形成 2 塑性变形 当轴承转速很低或间歇摆动时 一般不会产生疲劳破坏 但在很大的静载荷或冲击载荷作用下 会使轴承滚道和滚动体接触处产生永久变形 滚道表面形成塑性变形凹坑 而使轴承在运转中产生剧烈振动和噪声 运转精度的下降 以至轴承不能正常工作 3 磨损 润滑不良 密封不严 多尘条件 4 胶合 通常在滚动体和套圈之间 特别是滚动体和保持架之间有滑动摩擦 如果润滑不充分 发热严重时 可能使滚动体回火 甚至产生胶合现象 转速越高 发热越大 发生胶合的可能性就越高 注 其它还有锈蚀 电腐蚀和由于操作 维护不当而引起的元件破裂等失效形式 三 滚动轴承的寿命计算 1 基本额定寿命和基本额定动载荷 滚动轴承的寿命 轴承中任一元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数 或在一定转速下的总工作小时数 轴承寿命相当离散 应与一定的可靠度相联系 滚动轴承的基本额定寿命 一批型号相同的轴承在相同条件下运转 有10 的轴承产生疲劳点蚀前的总转数或在一定转速下的总工作小时数 即可靠度为90 失效概率为10 时轴承的寿命 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 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 实验条件 对于向心轴承 是一个方向 大小恒定的径向载荷 称径向基本额定动载荷 用Cr表示 标准中规定 轴承的基本额定寿命为106转时 轴承所能承受的载荷值 称为轴承的基本额定动载荷 用C表示 对于推力轴承 是一个恒定的中心轴向载荷 称轴向基本额定动载荷 用Ca表示 2 滚动轴承基本额定寿命计算 实验表明 对于相同型号的轴承 在不同的载荷P1 P2 P3 作用下 若轴承的额定寿命为L1 L2 L3 则 滚动轴承寿命计算公式的推导 当L10 1 106转 时 其对应的载荷为基本额定动载荷C N 时 基本额定寿命 轴承转速 r min 当量动载荷 N 基本额定动载荷 查 机械零件设计手册 e为寿命指数 球轴承e 3 滚子轴承e 10 3 预期寿命 查表 基本额定动载荷计算值 注 当工作温度高于125 时 C值会下降 用温度系数ft修正 表7 7 则可得寿命的修正公式 如P和n已知 该轴承的预期寿命已定 则可得滚动轴承设计公式 四 滚动轴承的当量动载荷P 对于推力轴承 P为轴向载荷Fa 对于向心轴承 P为径向载荷Fr 当轴承既受径向力Fr又受轴向力Fa时 须将Fr Fa与转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件一致 纯径向力或轴向力 的等效力 即当量动载荷 用P表示 计算式 e 轴向载荷影响系数 判别系数 表7 9 引入载荷性质系数 表7 10 X Y 径向系数 轴向系数 与Fa Fr及参数e有关 表7 9 校核轴承过程 根据已知轴承从手册中查取有关数据 比如C 计算轴承所受的载荷 Fa Fr 计算轴承的当量动载荷 P 确定X Y 比较轴承实际寿命与预期寿命 选择轴承过程 根据C值从手册中查取合适大小的轴承 计算轴承所受的载荷 Fa Fr 计算轴承的当量动载荷 P 确定X Y 选择轴承类型 估计所需轴承的预期寿命Lh 五 角接触轴承轴向载荷的计算 16 4滚动轴承的润滑和密封 1 润滑的目的降低摩擦阻力 减轻磨损 同时 润滑还有降低滚动体与座圈滚道的接触应力 散热 吸震 减低噪声和防锈等作用 2 润滑油润滑 油浴润滑 飞溅润滑 滴油润滑 油雾润滑 循环冷却油润滑 油雾润滑 3 润滑脂润滑需注意 润滑脂在轴承中的填入量一般应不超过轴承空间的1 3 1 2 7 5 7滚动轴承的密封 密封的目的 滚动轴承密封的作用是防止外界灰尘 水分等进入轴承 并阻止轴承内润滑剂流失 密封的方式 接触式密封非接触式密封组合式密封 16 5滚动轴承的组合设计 一 滚动轴承轴系支点固定 1 双支点单向固定 这是最常见的固定方式两端的轴承各限制一个方向的轴向移动适合于工作温度变化不大的短轴 跨距L 400mm 考虑到轴的受热伸长 应留出热补偿间隙0 2 0 3mm 16 5滚动轴承的组合设计 为保证轴承能够正常工作 除合理选择轴承类型 尺寸外 还应正确进行轴承的组合结构设计 也就是要解决轴系的轴向位置固定 轴承与相关零件的配合 间隙的调整 装拆等方面的问题 2 一端固定 一端游动 单支点双向固定 动画 内外圈不可分离 游动端双向固定内圈 内外圈可分离 游动端双向固定内外圈 固定端轴承限制轴的双向移动 而游动端轴承的外圈可以在座孔内沿轴向移动 以补偿轴的受热伸长 适用场合 常用于轴较长或温差较大时的情况 3 两端游动 两端游动的轴系结构两端均采用完全不具有轴承定位能力的轴承 整个轴系的轴向位置处于完全浮动状态 两端游动轴系的轴向位置在工作中是依靠传动零件确定的 一般这种轴系结构应用在双斜齿轮轴系或人字齿轮轴系中 4 滚动轴承的轴向定位和固定 a 轴端挡b 圆螺母c 轴用弹性挡圈d 紧定套 轴承内圈的固定结构 a 凸肩与孔用弹性挡圈b 止动卡环c 凸肩与轴承端盖d 螺纹环 轴承外圈的固定结构 二 轴承游隙和轴上零件位置的调整 轴承游隙的大小对轴承的寿命 效率 旋转精度 温升及噪声等都有很大的影响 通过改变轴承盖与箱体之间的垫片厚度来实现的 装配中首先在不装垫片的情况下测量端盖与箱体之间的间隙 将这个间隙与轴系所需的工作游隙相加 就是所需的垫片总厚度 装配时的调整 1 轴承间隙的调整 图示轴向间隙是靠轴上的圆螺母来调整的 操作不甚方便 且螺纹为应力集中源 削弱了轴的强度 图示为嵌入式轴承端盖结构 在端盖与轴承之间有一垫圈 在装配中可以通过调整 或选配 这一垫圈的厚度实现正确的轴向间隙 工作中的调整 利用螺钉通过可调压盖进行调整 通过螺母实现防松 轴系的轴承间隙通过改变套杯与端盖之间的垫片1厚度来调整 节锥点位置通过改变套杯与箱体之间的垫片2厚度来调整 2 滚动轴承的预紧 目的 提高轴承的刚度和旋转精度 减小机器工作时轴的振动 定义 所谓预紧 就是在安装时给予一定的轴向预紧力 以消除轴承中的游隙 并在滚动体和内 外圈接触处产生弹性预变形 常用预紧方法 1 用垫片和长短隔套预紧 2 夹紧一对磨窄了的外圈 或内圈 的角接触轴承 3 夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈 三 滚动轴承的配合 1 基准制内圈与轴 基孔制外圈与轴承孔 基轴制 2 滚动轴承配合选择的一般原则 尺寸大 载荷大 振动大 转速高或工作温度高时 选紧一些的配合 经常拆卸或游动套圈 选松一些的配合 四 轴系结构设计的工艺性问题 1 加工的工艺性 2 装配与拆卸的工艺性 安装 内外圈压装 轴承安装注意事项 轴承的拆卸 轴承外圈的拆卸 用钩爪器拆卸轴承 外圈应留拆卸高度或设计拆卸螺孔 定位轴肩高度应低于内圈高度 滚动轴承小结 1 类型 特点和选择 2 代号 3 掌握失效形式 轴承寿命 基本额定寿命 基本额定动载荷 当量动载荷的基本概念 5 角接触球轴承轴向力计算 6