滚动轴承选择与寿命校核计算.doc

9-1概述滚动轴承依靠其主要元件间的滚动接触来支承转动或摆动零件，其相对运动表面间的摩擦是滚动摩擦。 图9-1滚动轴承的基本结构滚动轴承的基本结构如图9-1所示，它由下列零件组成：(1)带有滚道的内圈1和外圈2；(2)滚动体(球或滚子)3；(3)隔开并导引滚动体的保持架4。有些轴承可以少用一个套圈(内圈或外圈)，或者内、外两个套圈都不用，滚动体直接沿滚道滚动。内圈装在轴颈上，外圈装在轴承座中。通常内圈随轴回转，外圈固定，但也有外圈回转而内圈不动，或是内、外圈同时回转的场合。常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子等几种，如图9-2所示。轴承内、外圈上的滚道，有限制滚动体侧向位移的作用。图9-2常用的滚动体与滑动轴承相比，滚动轴承的主要优点为：1、摩擦力矩和发热较小。在通常的速度范围内，摩擦力矩很少随速度而改变。起动转矩比滑动轴承要低得多(比后者小8090%)；2、维护比较方便，润滑剂消耗较小；3、轴承单位宽度的承载能力较大；4、大大地减少有色金属的消耗。滚动轴承的缺点是：径向外廓尺寸比滑动轴承大；接触应力高，承受冲击载荷能力较差，高速重负荷下寿命较低；小批生产特殊的滚动轴承时成本较高；减振能力比滑动轴承低。 9-2滚动轴承的主要类型及其代号一、滚动轴承的主要类型、性能与特点按滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。按接触角的大小和所能承受载荷的方向，轴承可分为：1、向心轴承：公称接触角：045，向心轴承又可细分为：A、径向接触轴承：0，只能承受径向载荷(如圆柱滚子轴承)，或主要用于承受径向载荷，但也能承受少量的轴向载荷(如深沟球轴承)；B、向心角接触轴承：045，能同时承受径向载荷和单向的轴向载荷(如角接触球轴承及圆锥滚子轴承)。2、推力轴承：公称接触角：4590，推力轴承又可细分为：A、轴向接触轴承：90，只用于承受轴向载荷；B、推力角接触轴承：45e时的Y 值。图9-9所示为一成对安装的向心角接触轴承(可以是角接触球轴承或圆锥滚子轴承)，及分别为作用于轴上的径向外载荷及轴向外载荷。两轴承所受的径向载荷为及，相应的派生轴向力为及。图9-9向心角接触轴承的轴向载荷取轴和轴承内圈为分离体，当轴处于平衡状态时，应满足：+=如果+，如图9-10所示，则轴有右移的趋势，此时右边轴承被压紧，左边轴承被放松。但实际上轴并没有移动。因此，根据力的平衡关系，作用在轴承的外圈上的力应是，且有：+=故 +图9-10轴向力示意图(S1+FAS2时)作用在轴承上的总的轴向力为： +(9-8a)作用在轴承上的轴向力为(即轴承1只受其自身的派生轴向力)：=(9-8b)如果+(见图9-11)。此时轴有左移的趋势，轴承被压紧，轴承被放松，为了保持轴的平衡，在轴承的外圈上必有一个平衡力 作用，作与上述同样的分析，得作用在轴承及轴承上的轴向力分别为：图9-11轴向力示意图(S1+FA0.1C)下工作时，接触应力将增大；向心轴承受轴向力作用时，将使受载滚动体增加，增大轴承接触表面间的摩擦，使润滑态变坏。这时，要用负荷系数 f1 和负荷分布系数 f2 对手册中的极限转速值进行修正。这样，滚动轴承极限转速的约束条件为： f1f2式中：f1、f2的值可从图9-12中查得。(a)载荷系数(b)载荷分配系数图9-12载荷系数和载荷分配系数(三)静强度校核由于不转动或转速极低的轴承，其主要的失效形式是产生过大的塑性变形，因此，静强度的校核的目的是要防止轴承元件产生过大的塑性变形。其约束强度条件为或式中：S0为轴承静强度安全系数，其值见表9-10；为径向额定静载荷。它是在最大载荷滚动体与滚道接触中心处，引起与下列计算接触应力相当的径向静载荷：对调心球轴承为4600MPa；对所有其它的向心球轴承为4200MPa；对所有向心滚子轴承为4000MPa。对单列角接触球轴承，其径向额定静载荷是指使轴承套圈间仅产生相对纯径向位移的载荷的径向分量。为轴向额定静载荷。它是在最大载荷滚动体与滚道接触中心处，引起与下列计算接触应力相当的中心轴向静载荷：对推力球轴承为4200MPa；对所有推力滚子轴承为4000MPa。为径向当量静载荷。它是指最大载荷滚动体与滚道接触中心处，引起与实际载荷条件下相同接触应力的径向静载荷。为轴向当量静载荷。它是指最大载荷滚动体与滚道接触中心处，引起与实际载荷条件下相同接触应力的轴向静载荷。、 可从有关设计手册中查到。、可分别按下面的公式进行计算。(1)对深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承：(取上两式计算值较大者)(2)向心球轴承和0的向心滚子轴承：0；(取上两式计算值较大者)a0(且仅承受径向载荷的向心滚子轴承)；(3)a90的推力轴承：(4)90的推力轴承：2.3tga对于双向轴承，此公式适用于径向载荷与轴向载荷之比为任意值的情况。对于单向轴承，当/0.44ctga时，该公式是可靠的。当/大至0.67ctga时，该公式仍可给出满意的值。式中：和分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，其值见表9-11。为轴承径向载荷即轴承实际载荷的径向分量(N)；为轴承轴向载荷即轴承实际载荷的轴向分量(N)；a 为接触角。表9-10静载荷安全系数轴承使用性况使用要求、负荷性质及使用场合旋转轴承对旋转精度和平稳性要求较高，或受强大冲击负荷一般情况对旋转精度和平稳性要求较低，没有冲击或振动1.22.50.81.20.50.8在工作载荷下基本不旋转或摆动轴承水坝门装置吊桥附加动载荷较小的大型起重机吊钩附加动载荷很大的小型装卸起重机吊钩1.01.51.01.6各种使用场合下的推力调心滚子轴承2表9-11系数和的值轴承类型单列向心球轴承双列向心球轴承0的向心滚子轴承深沟球轴承0.60.50.60.50.510.22ctga0.44ctga角接触球轴承a()152025303540450.50.50.50.50.50.50.50.460.420.380.330.290.260.2211111110.920.840.760.660.580.520.44圆锥滚子轴承0.50.22ctga10.44ctga调心球轴承(0)0.50.22ctga10.44ctga注：对于两套相同的单列深沟球轴承以背对背或“面对面”安装(成对安装)在同一轴上作为一个支承整体运转情况下，计算其径向当量静载荷时用双列轴承的和值，以和为作用在该支承上的总载荷。对于中间接触的值，用线性内插法求得。例题例9-1 如下图所示，轴上正装一对圆锥滚子轴承，型号为30305，已知两轴承的径向载荷分别为R1=2500N，R2=5000N，外加轴向力FA=2000N，该轴承在常温下工作，预期工作寿命为 =2000小时，载荷系数fp=1.5，转速n=1000 r/min。试校核该对轴承是否满足寿命要求。轴承部件受载示意图解：在本例中，轴承的径向载荷Fr用R 表示，轴向载荷Fa用A 表示。查轴承手册得30305型轴承基本额定动载荷Cr=44800N，e=0.30，Y = 2。1、计算两轴承的派生轴向力S由表9-9查得，圆锥滚子轴承的派生轴向力为S=R/(2Y)，则 ，方向向右，方向向左2、计算两轴承的轴向载荷A1、A2S2+FA=1250+2000 = 3250 N， S2+FA S1 轴承被压紧，轴承被放松，故A1=S2+FA=3250 NA2=S2=1250 N3、计算两轴承的当量动载荷P轴承的当量动载荷P1：查表9-7得X1 = 0.4，Y1 = 2轴承的当量动载荷P2：查表9-7得X2 = 1，Y2 = 04、验算两轴承的寿命由于轴承是在正常温度下工作，t 120，查表9-5得 ft =1；滚子轴承的e10/3，则轴承I的寿命 轴承的寿命由此可见，轴承不满足寿命要求，而轴承满足要求。9-6支承部件的结构设计一、滚动轴承支承部件的功能要求支承部件的主要功能是对轴系回转零件起支承作用，并承受径向和轴向作用力，保证轴系部件在工作中能正常地传递轴向力以防止轴系发生轴向窜动而改变工作位置。为满足功能要求，必须对滚动轴承支承部件进行轴向固定。(a)深沟球轴承(b)角接触球轴承组合图9-13滚动轴承的两端固定图9-13所示为两端固定方法，每个支点的外侧各有一个顶住轴承外圈的轴承盖，它通过螺钉与机座联接，每个轴承盖限制轴系一个方向的轴向位移，合起来就限制了轴的双向位移。轴向力的力流路线是通过轴肩、内圈、外圈及轴承盖来实现的。图(a)为采用深沟轴承的结构，只能承受少量的轴向力；图(b)为采用角接触轴承的结构，可承受较大轴向力。这种支承形式属功能集中型，每个轴承均承受径向力、轴向力的复合作用，简化了支承结构。对于作用力较大的支承，为保证轴承工作能力的充分发挥及有利于轴承的寿命计算，应根据结构设计准则采取任务合理分配的支承形式。如图9-14所示，左端支点由一个深沟球轴承和两个推力球轴承组成。工作时，两支点的深沟球轴承只需承受径向力，推力球轴承则承受左、右两个方向的轴向力。图中分别显示了轴向力向左和向右时的力流路线。这种支承结构功能明确、力流关系清楚，有利于提高轴承的使用寿命。缺点是结构较复杂、庞大。 图9-14任务合理分配的支承结构图9-15人字齿轮的支承结构图9-15所示为人字齿轮传动，啮合时齿轮的轴向力相互抵消。当大齿轮轴两端固定以后，小齿轮轴的轴向工作位置靠轮齿的形锁合来保证。另外，由于加工误差，齿轮两侧螺旋角不易做到完全一致，为使轮齿受力均匀，啮合传动时，应允许小齿轮轴系能作少量的轴向移动，故此时小齿轮轴系沿轴向不应固定。图中小齿轮轴两端均选用圆柱滚子轴承，这种轴承内、外圈可相互错动，不会限制轴的位移。但为防止轴承因振动而松脱，对这种轴承的内、外圈应分别进行轴向固定，如图中内圈靠轴用弹性挡圈固定，外圈则靠孔用弹性挡圈及轴承盖固定。由上述支承结构可知，对轴系固定就是对滚动轴承进行轴向固定，其方法都是通过内圈与轴的紧固、外圈与座孔的紧固来实现的。1、滚动轴承内圈的固定方法：轴承内圈的紧固应根据轴向力的大小选用轴用弹性挡圈、轴端挡圈、圆螺母等(图9-16中a、b、c)，图9-16d为紧定衬套与圆螺母结构，用于光轴上轴向力和转速都不大的调心轴承。一般来说，当轴系采用图9-13所示的两端固定支承型式时，轴承内圈不需采取上述的紧固措施。(a)轴用弹性档圈(b)轴端挡圈 (c)圆螺母 (d)紧定衬套图9-16轴承内圈常用的轴向紧固方法2、滚动轴承外圈的固定方法：轴承外圈的紧固常采用轴承盖、孔用弹性挡圈、座孔凸肩、止动环等结构措施(图9-17)。(a)孔用弹性档圈与凸肩(b)止动环 (c)轴承盖图9-17轴