滚动轴承设计

第二十章滚动轴承及其组合设计 20 1滚动轴承的主要类型 代号及其选择 20 2滚动轴承的载荷 应力 失效形式及计算准则 20 4滚动轴承装置设计 20 3滚动轴承的寿命计算 20 1滚动轴承的主要类型 代号及其选择 标准件 专门轴承厂生产 只需选型和组合设计 依靠主要元件间的滚动接触来支承轴和轴上零件 一 滚动轴承的构造 内圈 装在轴颈上 随轴转动 外圈 装在轴承座孔内 一般不转动 滚动体 滚动轴承的核心元件 保持架 将滚动体均匀隔开 避免摩擦 常用的滚动体形状 一 滚动轴承的构造和特点 滚动体基本上可归纳为球和滚子两类 滚子轴承 圆柱 圆锥 球面滚子 鼓形滚子 滚针 线接触 内外圈 滚动体 强度高 耐磨的铬锰高碳钢 保持架 软材料 低碳钢板冲压后铆接或焊接 滚动轴承材料 滚动轴承的优点 摩擦系数小 启动力矩小 效率高 轴向尺寸 宽度 较小 某些滚动轴承能同时承受径向和轴向载荷 因此可使机器结构简化 紧凑 径向间隙小 还可预紧方法消除间隙 因此运转精度高 润滑简单 耗油量少 维护保养简便 标准件 易于互换等优点 所以获得广泛应用 缺点 抗冲击能力较差 高速时噪声大 工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承 径向尺寸比滑动轴承大 二 滚动轴承的特点 二 滚动轴承的尺寸及性能参数 轴承内径d 轴承内圈孔径 它与轴颈直径相同 是轴承公称直径 轴承宽度B 轴承两端面之间的轴向距离 一 滚动轴承的主要尺寸 轴承外径D 轴承外圈外径 它与轴承座孔直径相同 二 滚动轴承的主要性能参数 轴承的公称接触角 滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面 垂直于轴承轴心线的平面 之间的夹角 反映轴承承受轴向载荷的能力 越大 轴承承受轴向载荷的能力越强 轴承的极限转速nlim 轴承的工作转速n 轴承内外圈轴线相对偏斜角 反映轴承自动调心的能力 调心球轴承 按轴承所能受的载荷方向或公称接触角的不同可分为 轴承类型 公称接触角 向心轴承 主要承受径向负荷FR 推力轴承 主要承受轴向负荷FA 径向接触 向心角接触 推力角接触 轴向接触 00 00 450 450 900 900 图例 一 滚动轴承的分类 三 滚动轴承的主要类型和特点 二 滚动轴承的主要类型和特点 类型代号 10000 1 调心球轴承 承载类型 主承径向负荷FR 也能承受少量的双向轴向负荷FA 特点 具有调心性能 20 30 承载类型 主承径向负荷FR也能承受少量的双向轴向负荷FA 2 调心滚子轴承 特点 具有调心性能 0 50 20 类型代号 20000 3 推力调心滚子轴承 类型代号 29000 承载类型 可承很大的轴向负荷FA和一定径向负荷FR 特点 具有调心性能 20 30 承载类型 能承受较大的径向负荷FR和单向的轴向负荷FA 结构特点 内外圈可分离 公称接触角有120 260 越大 承轴向载荷的能力就越大 4 圆锥滚子轴承 使用要求 成对使用 类型代号 30000 正装 面对面安装 圆锥滚子轴承安装形式一 正装简图 反装 背对背安装 圆锥滚子轴承安装形式二 反装简图 5 推力球轴承 51000 单向推力球轴承 只能受单向FA 52000 双向推力球轴承 能受双向FA 结构特点 由紧圈 内孔较小 装在轴上 松圈 内孔较大 装在机座上 和滚动体组成 套圈与滚动体可分离 承载类型 只能受轴向负荷FA 极限转速nlim低 6 深沟球轴承 承载类型 主要承受径向负荷FR 也可同时承受少量双向轴向负荷FA 类型代号 60000 极限转速nlim高 摩擦阻力小 结构简单 价格便宜 应用最广泛 承载类型 能同时承受径向负荷FR与单向轴向负荷FA 7 角接触球轴承 类型代号 70000 结构特点 公称接触角有150 250 400 越大 承轴向载荷的能力就越大 使用要求 成对使用 正装 面对面安装 角接触轴承安装形式一 正装简图 反装 背对背安装 角接触轴承安装形式二 反装简图 N0000 NN0000 承载类型 只能承受径向负荷FR 不能承受轴向负荷 结构特点 内外圈可分离 外圈无挡边圆柱滚子轴承 双列圆柱滚子轴承 8 圆柱滚子轴承 9 滚针轴承 类型代号 NA0000 结构特点 内外圈可分离 可以没有保持架 承载类型 只能承受径向负荷FR 不能承受轴向负荷 四 滚动轴承的代号 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 一 轴承代号 由基本代号 前置代号和后置代号构成 二 基本代号 圆锥滚子轴承 3推力球轴承 5深沟球轴承 6角接触球轴承 7圆柱滚子轴承 N 窄 0 正常 1 宽 2 特低 7 低 9 正常 1 单向 正常 2 双向 轻 2 中 3 重 4 特宽 3特宽 4特宽 5特宽 6 特轻 0特轻 1 调心球轴承 1调心滚子轴承 2推力调心滚子轴承 29 滚针轴承 NA 尺寸系列代号表示方法 向心轴承 中直径系列 正常宽度系列 双向推力轴承 轻直径系列 正常高度系列 02 03 13 24 表示同一公称内径d的轴承 其外径D和宽度B的变化情况 轴承尺寸系列的含义 窄轻系列 窄中系列 正常宽度中系列 宽重系列 圆锥滚子轴承 3推力球轴承 5深沟球轴承 6角接触球轴承 7圆柱滚子轴承 N 窄 0 正常 1 宽 2 特低 7 低 9 正常 1 单向 正常 2 双向 轻 2 中 3 重 4 特宽 3特宽 4特宽 5特宽 6 d 20mm的轴承 d 10mm代号 00 d 12mm代号 01 d 15mm代号 02 d 17mm代号 03 d 20mm 495mm的轴承 d为 22 28 32及d 500mm以上轴承代号 内径毫米表示 特轻 0特轻 1 调心球轴承 1调心滚子轴承 2推力调心滚子轴承 29 滚针轴承 NA 三 后置代号 例 试说明下列轴承代号的含义 6 0 206 P0 33215E P0 7 0 312C P0 51410 P6 承轻 中及较小波动载荷的场合 选球轴承 承重及较大波动的载荷的场合 选滚子轴承 深沟轴承 6类 圆柱滚子轴承 N类 及滚针轴承 NA类 纯轴向负荷 可选用推力轴承 5类 径向负荷为主 可用深沟球轴承 6类 角接触球轴承 7类 圆锥滚子轴承 3类 可用推力调心滚子轴承 29类 也可用圆柱滚子N类 或深沟球轴承6类 与推力轴承 5类 联合使用 五 滚动轴承类型的选择 转速较高 负荷较小或要求旋转精度较高时 宜选用球轴承 转速较低 负荷较大或有冲击载荷时 宜选用滚子轴承 当两轴承座孔同心度难以保证 或轴受载后挠曲变形较大时 应选用调心球轴承或调心滚子轴承 三 调心性能的要求 四 安装和拆卸方便 一般 球轴承价格最低 滚子轴承比球轴承价格高 轴承精度愈高 则价格愈高 选择轴承时 在满足工作要求的前提下 应使成本最低 当轴承座不是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时 应优先选用内外圈可分离的轴承 如圆锥滚子轴承 3类 五 考虑经济性 举例 深沟球轴承 角接触球轴承 20 2滚动轴承的载荷 应力 失效形式及计算准则 一 受力分析 当深沟球轴承承受径向力FR时 由于各接触点存在着弹性变形 使内圈沿FR方向下移一距离 只有下半圈滚动体受载 上半圈滚动体不受载 沿FR作用线上滚动体受载最大 F 而邻近的滚动体受载逐渐减小 F F1 F2 一 滚动轴承的受力及应力分析 当受轴向载荷FA时 各滚动体平均分担 二 轴承工作时元件上应力的变化 滚动体 当滚动体进入承载区后 所受负荷就由零逐渐增大到最大 然后 再逐渐减小到直至零 因此 对滚动体某一点而言 它的应力是周期性不稳定变化的 转动的内圈 其上各点的受载情况类似于滚动体 因此 旋转圈上任一点的应力是周期性不稳定变化的 固定的外圈 各点所受应力随位置不同而大小不同 对位于承载区内的任一点 当每个滚动体滚过一次便受载一次 而所受负荷和应力的最大值是不变的 承受稳定的脉动循环应力 滚动轴承工作时 一般是内圈转动 外圈固定 滚动体应力的变化 内圈应力的变化 外圈应力的变化 二 失效形式 1 疲劳点蚀滚动轴承工作时 由于它的内圈 外圈和滚动体上任意点的接触应力都是变化的 工作一定时间后 其接触表面就可能发生疲劳点蚀 点蚀发生后 噪声和振动加剧 发热严重 致使轴承失效 一般在安装 润滑和密封正常的情况下 疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式 2 塑性变形转速很低或间歇往复摆动的轴承 一般不会发生疲劳点蚀 但在很大的静载荷或冲击载荷作用下 会使套圈滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限 以致表面出现塑性变形 凹坑 运转精度降低 并会出现振动和噪声而不能正常工作 3 磨损在润滑不良和密封不严的情况下 轴承工作时易发生磨损 转速愈高 磨损愈严重 轴承磨损后会降低旋转精度 甚至失效 4 其它 电腐蚀 锈蚀 胶合 元件破裂等 对一般工作条件下的回转滚动轴承 经常发生点蚀 主要进行寿命计算 必要时进行静强度校核 对于不转动 摆动或转速低 n 10r min 的轴承 要求控制塑性变形 只需进行静强度计算 对于高速轴承 由于发热而造成的粘着磨损 烧伤常常是突出的矛盾 除进行寿命计算外 还需校验极限转速 三 计算准则 20 3滚动轴承的寿命计算 1 轴承寿命 轴承中任一元件出现疲劳点蚀前运转的总转数或一定转速下的工作小时数 同型号轴承 离散性大 寿命相差数十倍 一批轴承 服从一定的概率分布规律 采用基本额定寿命 一 基本额定寿命和基本额定动载荷 2 基本额定寿命 一批相同轴承在同样工作条件下运转 其中90 的轴承不发生疲劳点蚀前运转的总转数 L10 或一定工作转速下工作的总小时数 Lh 可靠度 一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分比 滚动轴承的寿命长短与要求的可靠度高低有关 要求的可靠度愈高 轴承的寿命愈短 L10的物理意义 2 对一个具体轴承而言 该轴承能达到或超过该寿命的概率为90 3 当可靠度不为90 时 对L10进行修正 3 基本额定动载荷C L10 106r时 轴承所能承受的最大恒定载荷 即 在C作用下 轴承工作106r而不点蚀失效的R 90 Cr 基本径向额定动载荷 对角接触轴承 3 7 Cr 载荷的径向分量 Ca 基本轴向额定动载荷 5类Ca 纯轴向载荷 1 C是衡量轴承承载能力的主要指标 由试验得出 查手册 2 C 轴承抗疲劳承载能力 同类不同型号轴承 C不同 3 设计时需满足 一定工况下的轴承所需的Cr Cr 说明 材质 工作温度 零件硬度变化 对C修正 二 滚动轴承寿命计算的基本公式 载荷与寿命的关系 大量试验得出轴承的载荷 寿命曲线 P L10曲线 也称轴承的疲劳曲线 球轴承 3 滚子轴承 10 3 式中 P 当量动载荷 N L10 基本额定寿命 r 已知 时 工程中常用小时数表示寿命 n 轴承转速 r min 注意 Lh与n有关 L10与n无关 当时 当P和n已知 预期轴承计算寿命Lh 已取定 则所需的额定动载荷Cr 当工作温度超过120 时 对C修正 ft 温度系数 三 滚动轴承的当量动载荷 实际工作时 轴承可能同时受FA FR 将FR FA转化为与C性质相同的载荷 当量动载荷P 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 将FR FA折合为Cr或Ca 为了与C在相同条件下比较 式中 对只受纯径向载荷FR的圆柱滚子轴承及滚针轴承 P FR对只受纯轴向载荷FA的推力轴承 P FA 由表20 10知 X Y受e 轴向载荷影响系数的影响 1 当时 FA较小 忽略不计 取X 1 Y 0 2 当时 需计入FA影响 X 1 Y 0 查手册 C0r 径向额定静载荷 深沟球轴承 角接触球轴承的e随FA C0r的增加而增大 FA C0r反映了轴向载荷与径向载荷的相对大小 考虑机器冲击 振动 P的公式为 fp 冲击载荷系数 四 角接触球轴承与圆锥滚子轴承轴向力FA的计算 一 角接触球轴承与圆锥滚子轴承的结构特点 角接触球轴承与圆锥滚子轴承由于在滚动体滚道接触处存在着接触角 二 角接触球轴承与圆锥滚子轴承的承载特点 当轴承只承径向载荷FR时 由于滚动体的载荷方向与轴承径向平面成一接触角 故会派生出内部轴向力FS 计算轴承轴向力FA时 必须将其内部轴向力FS考虑进去 Fs的方向 总是沿着内圈和滚动体向外圈脱离的方向 根据研究 按一半滚动体受载进行分析 得 角接触球轴承 FS 1 25FRtan 圆锥滚子轴承 FS FR 2Y 三 角接触球轴承与圆锥滚子轴承内部轴向力FS的大小和方向 为使内部轴向力平衡 以免轴窜动 这种轴承应 成对使用 对称安装 1 轴上有外载荷 Fr和Fa 四 角接触球轴承与圆锥滚子轴承轴向力FA的计算方法 FR作用点为 载荷作用中心 位置用a表示 a 载荷作用中心至轴承外侧端面距离 查手册 2 轴向载荷计算 正安装时 右端轴承 压紧 左端轴承 放松 1 若 合力 右 轴有右移趋势 压紧端 左端轴承 压紧 右端轴承 放松 2 若 合力 左 轴有左移趋势 放松端 正安装 合力指向端为 压紧端 正安装时 反安装时 反安装 合力指向端为 放松端 1 根据轴承安装方式和Fa Fs1 Fs2合力指向 判定 压紧端 和 放松端 2 放松端 FA松等于本身Fs松 3 压紧端 FA紧等于除本身Fs紧外 其它轴向力的代数和 角接触滚动轴承寿命计算小结 1 求支反力FR1 FR2 力平衡 力矩平衡 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 压紧端 放松端 求出FA1 FA2 4 根据 是 X1 Y1查表 否 X1 1 Y1 0 是 X2 Y2查表 否 X2 1 Y2 0 对3类 Y取时的值 5 校核式 设计选择式 球轴承 3滚子轴承 10 3 无Fs Fa由压紧端承受 即 FA紧 Fa FA松 0 深沟球轴承 五 同一支点成对安装同型号角接触轴承的计算特点 对于将两个相同的单列角接触球轴承或圆锥滚子轴承以面对面或背对背形式安装于一个支点上 如上图中的右端支点 的轴承计算 可以近似地将其视为一个双列轴承 认为该支点的支反力FR通过两轴承中点 派生轴向力相互抵消 计算当量动载荷时的径向系数和轴向系数均采用双列轴承的数值 由表20 10或手册查出 该支点轴承总的基本额定动载荷C 和额定静载荷C0 按下式计算 Cr C0r 单个轴承的基本径向额定动载荷和径向额定静载荷 20 4滚动轴承装置设计 设计内容 正确合理考虑轴承安装 固定 调整 密封 润滑 轴系刚度 精度问题 设计要求 固定可靠 运转灵活 保证精度 调整方便 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 一 滚动轴承的轴向固定 在轴向载荷 附加轴向力作用下 滚动轴承轴系有 左移 右移 趋势 防止轴向窜动 三种固定型式 1 两端固定式 6类 3类和7类 安装时 轴承外圈与端盖间隙 0 2 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 一端固定 一端游动 用于 t 较高 3 两端游动 与其相啮合的齿轮轴系 两端单向固定 保证两轴都得到轴向定位 用于需左 右双向游动的轴 如人字齿轮的小齿轮轴 内圈与轴 5 开口圆锥紧定套 圆螺母和止动垫圈 1 轴肩 2 轴用弹性挡圈 3 轴端档圈 紧固螺钉 4 圆螺母 止动垫圈 轴承内 外圈的轴向固定 外圈与座孔 1 孔用弹性挡圈 2 轴承外圈止动槽内嵌入止动环固定 3 轴承端盖 4 轴承座孔凸肩 5 螺纹环 6 轴承套杯 二 滚动轴承的安装方式及调整 1 安装方式 正 反安装将影响轴系刚度 加减垫片的厚度 螺钉调整 方法 螺钉调整 2 轴承游隙的调整 3 轴承部件组合的调整 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 调整方法 套杯 调整垫片 三 滚动轴承的预紧 1 利用金属垫片 在内圈或外圈之间金属垫片 反装 背对背 安装时 在两外圈间置一薄垫片 正装 面对面 安装时 将垫片置于两内圈之间 可以 轴承刚度 旋转精度 轴承寿命 2 采用磨窄内 或外 圈来预紧 反装 背对背 安装时 磨窄内圈 正装 面对面 安装时 磨窄外圈 四 滚动轴承的配合及装拆 游隙 受载滚动体 承载 游隙合适 其大 小受配合影响 配合类型 内圈孔 轴 基孔制 外圈 轴承座孔 基轴制 轴公差 k6 m6 孔公差 H7 J7 游动支点 G7 1 滚动轴承的配合 原则 1 尺寸大 载荷大 振动大 转速高 工作温度高 选紧一点的配合 2 经常拆卸 游动套圈 采用较松的配合 3 与轴承相配合的轴与孔 较高的加工精度 形位公差要求 2 滚动轴承的装拆 温差法 大尺寸轴承 热油 80 90 加热轴承或干冰冷却轴颈 压入法 大批量 中小型轴承用软锤敲入或用一段管子压住内圈敲入 轴肩高度低于内圈高度的3 4 拆 专用拆卸器 五 滚动轴承装置的润滑和密封 1 滚动轴承的润滑 目的 1 摩擦阻力 磨损 2 吸振 冷却 防锈 密封等 方式 高速 油润滑低速 脂润滑高温 真空 固体润滑 脂润滑 装填量 轴承空间的1 3 1 2 否则 摩擦发热 2 滚动轴承的密封 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 接触式密封 线速度较低时用 静止件与运动件不能直接接触 轴与端盖间应有间隙 密封圈密封 油润滑v 4 12m s 非接触式密封 不受速度限制 有油沟式密封 迷宫式密封 油环式与油沟式组合密封 六 提高轴系刚度的措施 刚度 旋转精度 噪音 振动 1 选用合理轴承类型 滚子轴承刚度 球轴承 选用双列轴承 滚子轴承 四点接触轴承 2 选择合理的轴承安装方式 两轴承间 正安装时 刚度 3 轴承预紧 4 机架上安装轴承处加筋或增加厚度 5 一根轴上 两个轴承尽量取同一型号 若型号不同 则在小外径轴承外加一套圈 保证相同孔径 以便一次镗出 保证同心度 例1 某传动装置 轴上装有一对6309轴承 两轴承上的径向负荷分别为 FR1 5600N FR2 2500N Fa 1800N 轴的转速为n 1450r min 预期寿命为Lh 2500h 工作温度不超过100 但有中等冲击 试校核轴承的工作能力 若工作能力不满足要求 如何改进 解 1 确定轴承轴向力FA1 FA2 由组合结构可知 轴承I 左端 为固定支承 轴承II为游动支承 其外部轴向力Fa由轴承I承受 轴承II不承受轴向力 两轴承的轴向力分别是FA1 Fa 1800N FA2 0 2 计算轴承当量动载荷P1 P2由手册查得6309轴承的Cr 40 8KN COr 29 8KN 有中等冲击 查表20 11得fp 1 5 因轴承I同时承受径向载荷和轴向载荷 故 查表20 10由插值法 而轴承II 因其只承受纯径向载荷 则 3 校核轴承工作能力 4 改进措施改选轴承型号为6409轴承 经计算 计算过程略 满足轴承寿命要求 例2 在图示轴上安装有一对70000AC角接触球轴承 已知FR1 3500N FR2 1800N 外加轴向力Fa 1000N 载荷有轻微冲击 试分别按图示两种装配方案 计算两轴承的当量动载荷 取fp 1 2 已知e 0 7 当FA FR e时 X 0 41 Y 0 85 解1 计算 a 方案中两轴承的当量动载荷 FS1 0 7FR1 0 7 3500 2450N FS2 0 7FR2 0 7 1800 1260N 1 求两轴承在径向载荷作用