滚动轴承设计ppt课件

第15章滚动轴承设计,1,第十五章滚动轴承设计,15.5静强度计算,15.4寿命计算,15.3受力分析、失效形式,15.2类型及选择,15.1概述,15.6组合结构设计,教师：王志伟,2,上次课简要回顾（蜗杆传动）,1、蜗杆传动啮合齿面间相对滑动速度大，传动效率低（1）要求蜗杆蜗轮的材料组合具有良好的减摩和耐磨性能及抗胶合性能。（2）蜗杆传动需要有较好的润滑及散热能力，设计时需要进行热平衡计算。2、蜗杆传动的设计计算,（1）蜗轮齿面接触疲劳强度计算,校核公式：,设计公式：,3,（2）蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算,校核公式：,设计公式：,（3）蜗杆的刚度计算,刚度条件：,开式蜗杆传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计。闭式蜗杆传动：按齿面接触疲劳强度进行设计，校核齿根弯曲疲劳强度。因闭式蜗杆传动散热较困难，故需进行热平衡计算。而当蜗杆轴细长且支承跨距大时，还应进行蜗杆轴的刚度计算。,上次课简要回顾（蜗杆传动）,4,滚动轴承的主要特点：,缺点：抗冲击能力差，工作寿命不及润滑良好的滑动轴承，工作时有噪音。,优点：摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便、易于互换,轴承是用来支承轴或轴上回转零件的部件；根据工作时摩擦性质的不同，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。,第一节概述,5,内、外圈（套圈）上制有弧形滚道，用以限制滚动体的轴向移动，并可降低滚动体与内、外圈上的接触应力。,第一节概述,一、滚动轴承的基本结构,6,第一节概述,7,第一节概述,8,第一节概述,9,第一节概述,保持架有冲压保持架和实体保持架两种类型。,10,二、滚动轴承的常用材料,滚动轴承的内、外圈及滚动体,采用强度高、耐磨性好的轴承铬锰碳钢制造，例如GCr15（G表示滚动轴承钢）、GCr15SiMn等，热处理后工作表面硬度可达6065HRC。,冲压保持架：一般用低碳钢板冲压制成，它与滚动体间有较大间隙，工作时噪声较大。,保持架,第一节概述,实体保持架：用铜合金、铝合金或酚醛树脂等制成，与滚动体间的间隙较小，允许轴承有较高转速。,11,第二节滚动轴承的主要类型及选择,1公称接触角,角的大小反映了轴承承受轴向载荷的能力。角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。,一滚动轴承的结构特性,12,2轴承的游隙,轴承的游隙分为径向游隙ur和轴向游隙ua。表示一个套圈固定，另一个套圈沿径向或轴向由一个极限位置到另一极限位置的移动量。,轴承所需游隙大小选择依据：轴承与轴承孔之间配合的松紧程度、温差大小、轴的挠曲变形大小以及轴的回转精度要求。,轴承标准中将径向游隙值分为基本游隙组和辅助游隙组，应优先选用基本游隙组值。轴向游隙值由径向游隙值按一定关系换算得到。,第二节滚动轴承的主要类型及选择,13,3角偏位和偏位角,轴承内、外圈轴心线间的相对倾斜称为角偏位，相对倾斜时两轴心线所夹的锐角称为偏位角。,轴承具备角偏位的能力，使轴承能够补偿因加工、安装误差和轴的变形造成的内、外圈轴线的倾斜。其中角偏位能力大的轴承，调心功能强，故称为调心轴承。,第二节滚动轴承的主要类型及选择,14,二、滚动轴承的主要类型,球轴承的滚动体为球，与内、外圈是点接触，运转时摩擦损耗小，但承载能力和抗冲击能力差。,第二节滚动轴承的主要类型及选择,按滚动体的不同分类,球轴承,滚子轴承,滚子轴承的滚动体为滚子，与内、外圈是线接触，承载能力和抗冲击能力大，但运转时摩擦损耗大。,15,第二节滚动轴承的主要类型及选择,按承受外载荷方向分类,向心轴承（45）,推力轴承（45）,径向接触轴承（=0）,角接触向心轴承（045）,角接触推力轴承（4590）,轴向接触轴承（=90）,主要区别：承受轴向外载荷的能力,16,三、滚动轴承的性能和特点,按轴承的结构形式不同分类：,在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准件的滚动轴承，在国家标准中分为13种，其中，最为常用的轴承大约有下列种:,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,第二节滚动轴承的主要类型及选择,17,1、径向接触轴承（=0）,第二节滚动轴承的主要类型及选择,（1）深沟球轴承,类型代号：6,承载方向：主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷,极限转速：高,角偏位能力：210,使用条件：刚性较大的轴,（2）外圈无挡边圆柱滚子轴承,类型代号：N,额定负荷比：1.53,极限转速：高,角偏位能力：24,使用条件：刚性较大的轴,承载方向：仅能承受径向载荷,18,2、角接触向心轴承（045）,第二节滚动轴承的主要类型及选择,（1）角接触球轴承,类型代号：77000C型=15、7000AC型=25、7000B型=40,承载方向：可同时承受径向载荷及单向轴向载荷,极限转速：高,角偏位能力：210,使用条件：刚性较大及跨距不大的轴,（2）圆锥滚子轴承,类型代号：3,额定负荷比：1.12.5,极限转速：中,角偏位能力：2，游隙可调,使用条件：刚性较大的轴,承载方向：承受较大径向及轴向载荷,19,3、调心轴承（外圈滚道为球面）,第二节滚动轴承的主要类型及选择,（1）调心球轴承,类型代号：1,承载方向：可同时承受径向载荷及少量双向轴向载荷,极限转速：中,角偏位能力：1.53,使用条件：刚性小及难以对中的轴,（2）调心滚子轴承,额定负荷比：1.84,极限转速：低,角偏位能力：1.53,使用条件：其他轴承不能胜任的重负荷,承载方向：可同时承受径向载荷及少量双向轴向载荷,额定负荷比：0.60.9,3、调心轴承（外圈滚道为球面）,（1）调心球轴承,类型代号：2,20,4、角接触推力轴承（4590）,第二节滚动轴承的主要类型及选择,类型代号：2,承载方向：可同时承受轴向载荷及少量径向载荷,极限转速：中,角偏位能力：23,使用条件：轴向负荷大及要求调心场合，如大型立式水轮机,额定负荷比：1.21.6,（1）推力调心滚子轴承,21,5、轴向接触轴承（=90）,第二节滚动轴承的主要类型及选择,（1）推力球轴承,类型代号：5,承载方向：仅能承受轴向载荷,极限转速：低,角偏位能力：不允许,使用条件：轴向负荷大且速度较低场合,额定负荷比：1,单向推力球轴承：51000型,双向推力球轴承：52000型,22,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。,四、滚动轴承的代号表示,第二节滚动轴承的主要类型及选择,23,内径代号：内径代号5=内径，如：08表示轴承内径d=508=40mm。,特殊情况：,类型代号：常用轴承代号为3、5、6、7、N、1六类,尺寸系列代号,但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。,直径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。,表示相同内径和外径的同类型轴承在宽度方面的变化系列。8（特窄），0（窄），1（正常），2（宽），3、4、5、6（特宽）,表示相同内径的同类型轴承在外径和宽度方面的变化系列。,第二节滚动轴承的主要类型及选择,宽度系列代号：一般宽度为“0”，通常不标注。,24,轴承代号示例,6308：,6深沟球轴承，3中系列，08内径d=40mm；,N105：,N圆柱滚子轴承，1特轻系列，05内径d=25mm；,7214AC：,7角接触球轴承，2轻系列，14内径d=70mm，公称接触角=25；,30213：,3圆锥滚子轴承，2轻系列，13内径d=65mm，0窄宽度(0不可省略)；,6103：,6深沟球轴承，1特轻系列，03内径d=17mm；,第二节滚动轴承的主要类型及选择,25,五、滚动轴承类型选择应考虑的问题,1承受载荷情况,2尺寸的限制,3转速的限制,4调心性要求,方向：向心轴承用于受径向力；推力轴承用于受轴向力；向心推力轴承用于承受径向力和周向力联合作用。,大小：滚子轴承或尺寸系列较大的轴承能承受较大载荷；球轴承或尺寸系列较小的轴承则反之。,当对轴承的径向尺寸有较的严格限制时，可选用滚针轴承。,球轴承和轻系列的轴承能适应较高的转速，滚子轴承和重系列的轴承则反之；推力轴承的极限转速很低。,调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求。,第二节滚动轴承的主要类型及选择,26,一、滚动轴承的受力分析,第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则,轴向载荷：,径向载荷：,处于FR作用线最下端的滚动体承载最大，而远离作用线的各滚动体，其承载逐渐减小。,结论：轴承在工作过程中，各元件均受变载作用。,各滚动体所受载荷是均等的。,位于上半圈的滚动体不受载荷（非承载区）位于下半圈的滚动体受力（承载区）。,27,2轴承工作时套圈与滚动体的应力分析,滚动体：进入承载区后，所受载荷及接触应力即由零逐渐增到最大值，然后再逐渐减小到零。就滚动体上某一点而言，由于滚动体的不断滚动，它的载荷和应力是按周期性不稳定脉动循环变化的。,转动套圈：受力情况与滚动体相似，就其滚道上某一点而言，处于非承载区时，载荷及应力为零。进入承载区后，每与滚动体接触一次，就受载一次，且在不同接触位置载荷值不同。,不转的套圈：滚道上每一个具体点，每当滚过一个滚动体时，便承受一次载荷，其大小是不变的。,总之，滚动轴承是在变应力状态下工作的。,第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则,28,二、失效形式和计算准则,滚动轴承的主要失效形式,疲劳点蚀,塑性变形,滚动轴承的计算准则,疲劳点蚀，进行轴承寿命的计算（n10r/min）,塑性变形，进行轴承静强度的计算（n10r/min）,磨损、胶合，进行疲劳寿命计算，再校验其极限转速,第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则,磨损,磨损,胶合,塑性变形,疲劳点蚀,29,第四节滚动轴承的寿命计算,一、滚动轴承的基本额定寿命,轴承的寿命：,滚动轴承中任一元件首次出现疲劳点蚀前，轴承运转的总转数或工作的小时数。,轴承的寿命很离散，因而在计算轴承寿命时，应与一定的可靠度相联系。对于一般设备中的滚动轴承，通常规定可靠度为90%。,轴承的寿命/（106r）,基本额定寿命：,一批同型号的轴承在相同的条件下运转，其中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的总转数或工作小时数称为轴承的基本额定寿命。以L10（单位为106转）或L10h（单位为h）表示。（两方面意义）,30,二、滚动轴承的基本额定动载荷,基本额定动载荷：,使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。,衡量轴承承载能力的主要指标。,对于向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，用Cr表示；对于推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载荷，用Ca表示；对于角接触球轴承和圆锥滚子轴承，指的是使轴承套圈间仅产生纯径向位移的载荷之径向分量。,基本额定动载荷C为标准值，可查设计手册。,第四节滚动轴承的寿命计算,31,三、滚动轴承的寿命计算公式,轴承的额定寿命与轴承所受载荷的大小有关。,轴承的载荷寿命曲线关系式：PL10=常数式中：P为当量动载荷，单位为N；L10为基本额定寿命，单位为106转；为寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=10/3。,当L10=1（即106转）时，轴承的当量动载荷为基本额定动载荷。,于是：PL10=C1，由此可得：,第四节滚动轴承的寿命计算,32,从标准或手册中查出的基本额定动载荷值，是工作温t120的一般轴承的额定动载荷值。当轴承工作温度t120时，应将查得的基本额定动载荷C减小，为此引入温度系数ft对其加以修正。此外考虑到机器的起动、停车、冲击和振动对当量动载荷P的影响，引入载荷系数fp对其加以修正。,第四节滚动轴承的寿命计算,33,四、滚动轴承的当量动载荷计算,当轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷时，为了计算轴承寿命时能与基本额定动载荷在相同的条件下比较，就必须将轴承承受的实际工作载荷转化为一假想载荷即当量动载荷,当量动载荷,当量动载荷也分径向当量动载荷（对向心轴承）和轴向当量动载荷（对推力轴承），分别用Pr和Pa表示。,1对只能承受径向载荷FR的径向接触轴承P=Pr=FR2对只能承受轴向载荷FA的轴向接触轴承P=Pa=FA3对既能承受径向载荷FR又能承受轴向载荷FA的角接触向心轴承P=Pr=XFR+YFA4对既能承受径向载荷FR又能承受轴向载荷FA的角接触推力轴承P=Pa=XFR+YFA,第四节滚动轴承的寿命计算,34,在当量动载荷的作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用下相同的寿命。,e值是计算当量动载荷时判别是否计入轴向载荷的界限值。当FA/FRe时，表示轴向载荷影响较大，计算当量动载荷时必须考虑FA的作用。当FA/FRe时，表示轴向载荷影响很小，计算当量动载荷时可忽略轴向载荷FA的影响。,（1）如果轴承的型号已知，那么就可根据这个型号查得C0r、e、X和Y值，进行计算，使LhLh。（2）轴承的型号未知，如果想通过计算来确定轴承型号，而C0r、e均未知，则须采用试算法。,滚动轴承设计类型：,第四节滚动轴承的寿命计算,35,五、角接触向心轴承轴向载荷FA的计算,角接触向心轴承在承受径向载荷FR时，将产生派生轴向力FS。因此在计算这类轴承的当量动载荷P时，式中的轴向载荷FA并不等于作用在轴上的轴向外力，而应根据整个轴上外加轴向载荷Fa和各轴承的派生轴向力FS之间的平衡条件分析确定。,1派生轴向力产生的原因、大小和方向,方向：由轴承外圈的宽边一端指向窄边一端，迫使轴承内圈从外圈脱开。（背指向面）,角接触球轴承FS1.25FRtg圆锥滚子轴承FSFR/（2Y）,第四节滚动轴承的寿命计算,36,2滚动轴承的安装方式及特点,角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向载荷后会产生派生轴向力，因此为保证正常工作，这两类轴承均须成对使用。,反装或背对背安装,使两支反力作用点O1、O2相互远离，支承跨距加大。,第四节滚动轴承的寿命计算,37,正装或面对面安装,两支反力作用点O1、O2相互靠近，支承跨距缩短。,支反力作用点O1、O2距其轴承端面的距离a可从标准中查得。,第四节滚动轴承的寿命计算,38,3角接触向心轴承轴向载荷FA的计算,（1）作轴系受力简图，给轴承编号,规定派生轴向力中与外加轴向载荷Fa方向一致的轴承标为2，另一轴承标为1,（2）由径向外载荷Fr计算FR1、FR2，再由FR1、FR2计算两轴承的派生轴向力FS1、FS2；,（3）计算轴承的轴向载荷FA1、FA2,若Fa+FS2FS1，这时轴承1被“压紧”，称为紧端；轴承2被“放松”，称为松端。由于轴承1被压紧，根据力的平衡条件，轴承1上必有平衡力FS1（由轴承座或端盖施加），即FS1+FS1=Fa+FS2。因此轴承1所受的轴向力FA1为FS1和FS1之和，轴承2所受的轴向力FA2为自身的派生轴向力FS2，故得：FA1=FS1+FS1=Fa+FS2FA2=FS2,第四节滚动轴承的寿命计算,39,若Fa+FS2FS1，这时滚动体、轴承内圈与轴的组合体被推向右端，轴承2被压紧成为紧端，轴承1被放松成为松端。同理，轴承2上必有平衡力FS2，即FS2+FS2+Fa=FS1，因此轴承1所受的轴向力FA1为自身的派生轴向力FS1，轴承2所受的轴向力FA2为FS2和FS2之和，故得：FA1=FS1FA2=FS2+FS2=FS1Fa,计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法,（1）找出被“压紧”的轴承和“放松”的轴承,（2）被“压紧”轴承的轴向力等于除本身派生轴向力以外的其它所有轴向载荷的代数和。,（3）被“放松”轴承的轴向力等于其本身的派生轴向力。,第四节滚动轴承的寿命计算,40,第五节滚动轴承的静强度计算,对于在工作载荷下基本不旋转或缓慢旋转或缓慢摆动的轴承，其失效形式不是疲劳点蚀，而是因滚动接触面上的接触应力过大而产生的过大的塑性变形。,在国家标准中，对每一种规格的滚动轴承规定了一个不应超过得载荷界限基本额定静载荷，用C0表示。,轴承上作用的径向载荷Fr与轴向载荷Fa应折合成一个当量静载荷P0,即：P0=X0Fr+Y0Fa,式中：X0、Y0分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，可由轴承手册查取。,按轴承静承载能力选择轴承的公式为：,式中：S0为静强度安全系数，可由设计手册查取。,41,第六节滚动轴承的组合结构设计,目的：解决轴承的布置、固定、调整、配合、预紧及装拆等问题,一、滚动轴承的支承结构形式,原则：使轴、轴承和轴上零件相对机座有确定的位置；防止轴系（轴与轴上零件）的轴向窜动；承受轴向载荷和补偿因工作温度变化引起的轴系的自由伸缩。,滚动轴承的组合结构设计是指若干套轴承在一给定轴两端的总体布局。,42,1两端固定支承（双固式）,适用于支承跨距不大（L350mm）和工作温度较低（t70）的轴。,第六节滚动轴承的组合结构设计,43,2一端固定一端游动支承（固游式）,适用于支承跨距较大（L350mm）或工作温度较高（t70）的轴。,第六节滚动轴承的组合结构设计,44,3两端游动支承（全游式）,人字齿轮小齿轮轴两端均为轴向游动，支承大齿轮轴必须采用两端固定支承。,第六节滚动轴承的组合结构设计,45,二、滚动轴承内外圈的轴向固定,1轴承内圈在轴上轴向固定的常用方法,（1）用轴用弹性挡圈固定,第六节滚动轴承的组合结构设计,（2）用轴端挡板固定,（3）用圆螺母和止动垫圈锁紧,（4）用开口圆锥紧定套、止动垫圈和圆螺母,46,2轴承外圈在轴承座孔内轴向固定的常用方法,（1）用孔用弹性挡圈固定,第六节滚动轴承的组合结构设计,（2）用止动环固定,（3）用轴承盖固定,（4）用螺纹环固定,47,三、轴承游隙和轴承组合位置的调整1轴承游隙的调整,2轴承组合轴向位置的调整,第六节滚动轴承的组合结构设计,靠轴承端盖与套杯间的垫片调整游隙,靠轴上圆螺母调整游隙,48,四、滚动轴承的预紧,目的：轴承的预紧就是在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一定的轴向力，以消除轴承的游隙，并在滚动体和内、外圈接触处产生弹性预变形，使轴承处于压紧状态。,作用：预紧可以提高轴承的组合刚度和旋转精度，减小机器工作时轴的振动。,（1）在轴承内、外圈之间放置垫片或者磨薄一对轴承的内圈或外圈,第六节滚动轴承的组合结构设计,49,（2）分别在两轴承的内圈和外圈间装入长度不等的两个套筒,（3）利用弹簧预紧,第六节滚动轴承的组合结构设计,50,五、滚动轴承的配合与装拆,1滚动轴承的配合,轴承内