《机械设计基础》17滚动轴承

17.1概述17.2滚动轴承的代号17.3滚动轴承的工作情况分析17.4滚动轴承类型的选择17.5滚动轴承尺寸的选择17.6滚动轴承的组合设计17.7滚动轴承的设计计算与实例分析,第10章滚动轴承,10.1概述,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。,根据轴承中摩擦的性质，可分为滑动轴承和滚动轴承。,轴承应满足如下基本要求：,轴承的分类,根据能承受载荷的方向，可分为向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。(或称为径向轴承、止推轴承、径向止推轴承）。,10.1概述,常见的滚动体有六种形状，一种是球形，五种是滚子。,17.1概述,滚动轴承的内外圈和滚动体应具有较高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用特殊轴承钢制造，常用材料有GCr15、GCr15SiMn、GCr6、GCr9等,滚动轴承的工作表面必须经磨削抛光，以提高其接触疲劳强度。,保持架多用低碳钢板通过冲压成形方法制造，也可采用有色金属或塑料等材料。,为适应某些特殊要求，有些滚动轴承还要附加其他特殊元件或采用特殊结构，如轴承无内圈或外圈、带有防尘密封结构或在外圈上加止动环等。,17.1概述,二、滚动轴承的类型及特点,1.按所能承受载荷的方向或公称接触角的不同，可分为向心轴承和推力轴承。,向心轴承,径向接触轴承：公称接触角=0，主要承受径向载荷，有些可承受较小的轴向载荷。,向心角接触轴承：公称接触角=045，同时承受径向载荷和轴向载荷。,推力轴承,推力角接触轴承：公称接触角=4590，主要承受轴向载荷，可承受较小的轴向载荷。,轴向接触轴承：公称接触角=90，只能承受轴向载荷。,17.1概述,17.1概述,2.按滚动体的种类可分为球轴承和滚子轴承,在外廓尺寸相同的条件下，滚子轴承比球轴承的承载能力和耐冲击能力都好，但球轴承摩擦小、高速性能好。,球轴承,滚子轴承,17.1概述,3.按滚动体的列数可分为单列、双列及多列轴承,4.按工作时能否调心可分为调心轴承和非调心轴承。,5.按安装轴承时其内、外圈可否分别安装，分为可分离轴承和不可分离轴承。,6.按公差等级可分为0、6、5、4、2级滚动轴承，其中2级精度最高，0级为普通级。另外还只有用于圆锥滚子轴承的6x公差等级。,7.按照运动方式可分为回转运动轴承和直线运动轴承。,17.1概述,17.1概述,17.1概述,17.1概述,17.1概述,17.2滚动轴承的代号,一、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/T272-93规定。,17.2滚动轴承的代号,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。代号主要组成部分,后置代号表示轴承的精度与材料的特征。共8组,17.2滚动轴承的代号,6308：,6深沟球轴承，3中系列，08内径d=40mm，公差等级为0级，游隙组为0组。,N105/P5：,N圆柱滚子轴承，1特轻系列，05内径d=25mm，公差等级为5级，游隙组为0组。,7214AC/P4：,7角接触球轴承，2轻系列，14内径d=70mm，公差等级为4级，游隙组为0组，公称接触角=25。,30213：,3圆锥滚子轴承，2轻系列，13内径d=65mm，0正常宽度(0不可省略)，公差等级为0级，游隙组为0组。,6103：,6深沟球轴承，1特轻系列，03内径d=17mm，公差等级为0级，游隙组为0组。,二、轴承代号示例,17.2滚动轴承的代号,17.3滚动轴承的工作情况分析,一、滚动轴承的受载分析,1、向心轴承的径向载荷分布滚动轴承工作时，并非所有滚动体都同时受载。滚动体同时受载的程度与轴承所受的轴向力的大小有关。实际应用中，一般以控制半圈滚动体受载为宜。,2、向心角接触轴承的载荷分布（1）内部轴向力Fs方向：指向外圈窄边大小：见下表17.7（2）载荷作用中心沿接触点的法向法向力与轴线的交点O。,17.3滚动轴承的工作情况分析,表17.7向心角接触轴承内部轴向力,轴承工作时，通常外圈固定，内圈随轴转动，滚动体滚动，内、外圈与滚动体的接触点不断发生变化，其表面接触应力随着位置的不同作脉动循环变化。滚动体在上面位置时不受载荷，滚到下面位置受载荷最大，两侧所受载荷逐渐减小。所以轴承元件受到脉动循环的接触应力作用。,17.3滚动轴承的工作情况分析,二、轴承元件上的载荷及应力,17.3滚动轴承的工作情况分析,三、滚动轴承的失效形式和计算准则,1.失效形式,滚动轴承的失效形式主要有三种：疲劳点蚀、塑性变形和磨损。,2.计算准则,17.3滚动轴承的工作情况分析,对于一般转速的轴承，即10r/minnnlim,如果轴承的制造、保管、安装、使用等条件均良好时，轴承的主要失效形式为疲劳点蚀，因此应以疲劳强度计算为依据进行轴承的寿命计算。,对于高速轴承，除疲劳点蚀外,其工作表面的过热也是重要的失效形式，因此除需进行寿命计算外还应校验其极限转速。,对于低速轴承，即n1r/min，可近似地认为轴承各元件是在静盈利作用下工作的，其失效形式为塑性变形，应进行以下不发生塑性变形为准则的静强度计算。,17.4滚动轴承类型的选择,一、影响轴承承载能力的参数,1.游隙,内、外滚道与滚动体之间的间隙称为游隙，即为当一个座圈固定时，另一座圈沿径向或轴向的最大移动量。,游隙可影响轴承的运动精度、寿命、噪声、承载能力等。,17.4滚动轴承类型的选择,2.极限转速,滚动轴承在一定的润滑条件下，允许的最高转速称为极限转速。转速过高会产生高温，润滑失效产生破坏。,3.偏位角,安装误差或轴的变形等都会引起指南称内外圈中心线法称相对倾斜，其倾斜角d称为偏位角。,4.接触角,由轴承结构类型所决定的接触角称为公称接触角。,1.载荷条件,方向：纯轴向载荷轴向接触轴承（推力轴承）纯径向载荷径向接触轴承（向心轴承）,径向+轴向载荷-角接触轴承,2.转速条件（nnlim）,高速、要求旋转精度高，优先采用球轴承,低速可选滚子轴承。,3.调心性能,长轴（刚度低）或多支点，要求轴承具有调心性调心轴承,大小：载荷大、有冲击滚子轴承；载荷小球轴承,二、滚动轴承类型的选择,17.4滚动轴承的类型的选择,内外圈可分离圆锥滚子，圆柱滚子长轴上安装内锥孔与紧定套轴承,6.经济性球轴承价格低，滚子轴承价格高。在满足使用条件的情况下优先选用价格低廉的轴承。,5.装拆方便,4.空间限制径向尺寸受限，滚针轴承,滚针轴承,带内锥孔与紧定套轴承,圆锥滚子轴承,17.4滚动轴承的类型的选择,滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。显然，通常谈的滚动轴承寿命是指滚动轴承的疲劳寿命。,与一般结构件的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的（见右图）。,1、基本额定寿命：具有90可靠度时轴承的寿命，用L10表示。,2、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。Ca轴向基本额定动载荷；Cr径向基本额定动载荷,轴承的寿命/（106r）,一、滚动轴承的寿命计算,17.5滚动轴承尺寸的选择,3、基本额定寿命计算式,引入温度系数fT,若已知预期寿命Lh可算出Cjs轴承的预期寿命Lh参见表17.11,17.5滚动轴承尺寸的选择,在进行轴承寿命计算时，应把作用在轴承上的实际载荷转换为与确定轴承C值的载荷条件相一致当量动载荷（用字母P表示）。,各类轴承的当量动载荷可按下式计算：,式中：Fr与Fa分别为轴承实际承受的径向载荷与轴向载荷。,X、Y分别为轴承的径向动载荷系数与轴向动载荷系数。（参见表17.8，P）,为了计及实际载荷波动的影响，可对当量动载荷乘上一个载荷系数fp。,17.5滚动轴承尺寸的选择,4、滚动轴承的当量动载荷,二、向心角接触轴承的轴向载荷计算,1、确定内部轴向力的大小与方向。2、根据合力方向，判断轴承的“放松端”和“压紧端”。,3、轴承轴向载荷的确定(1)放松端轴承的轴向载荷仅为其本身的内部轴向力；(2)压紧端轴承的轴向载荷则为除去本身的内部轴向力外，其余各轴向力之合力。,17.5滚动轴承尺寸的选择,17.5滚动轴承尺寸的选择,(1)当FAFs2Fs1时，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”。,轴承1的轴向力为Fa1FAFs2；轴承2的轴向力为Fa2Fs2,(2)当FAFs2Fs1时，相当于轴承1被“放松”，轴承2被“压紧”。,轴承1的轴向力为Fa1Fs1；轴承2的轴向力为Fa2Fs1FA,举例分析,四、滚动轴承的静强度计算,1.基本额定静载荷C0,调心轴承4600MPa所有其他型号的球轴承4200MPa滚子轴承4000MPa,2.当量静载荷P0,a0o的向心球轴承和向心滚子轴承为,a0o的向心滚子轴承为,a90o的推力轴承为,a90o的推力轴承为,.静强度计算,17.5滚动轴承尺寸的选择,10.2.4滚动轴承的组合设计,为了保证轴与轴上旋转零件正常运行，应解决轴承组合的结构问题，其中包括：轴承组合的轴向固定、轴承与相关零件的配合、轴承的调整与装拆、润滑与密封等一系列问题。,一、轴承的轴向固定,10.2.4滚动轴承的组合设计,二、轴组件的轴向固定,在机器中，轴（和轴上零件）的位置是靠轴承来固定的，轴向移动应限制在一定限度之内，并且应考虑轴在工作中的热伸长能得到补偿。轴组件的轴向固定主要有以下三种方式。,1.两端固定式每个支点各限制轴的一个单向移动。此种方式结构简单，适用于工作温度变化不大的短轴。,17.6滚动轴承的组合设计,2.一端固定、一端游动式,一端支承的轴承，内、外圈双向固定，另一端支承的轴承可以轴向游动。双向固定端的轴承可承受双向轴向载荷，游动端的轴承端面与轴承盖之间留有较大的间隙。以适应轴的伸缩量，这种支承结构适用于轴的温度变化大和跨距较大的场合。,点击图像看大图,17.6滚动轴承的组合设计,3.两端游动式,17.6滚动轴承的组合设计,三、轴承组合的调整,1.轴承间隙的调整,10.2.4滚动轴承的组合设计,10.2.4滚动轴承的组合设计,10.2.4滚动轴承的组合设计,2.轴系位置的调整,10.2.4滚动轴承的组合设计,四、轴承组合支承部分的刚度和同轴度,轴承座孔壁应有足够的厚度，并用加强肋增强其刚性。,支撑结构中同一根轴上的轴承座孔尽可能同心。,角接触轴承安装方式不同时轴承组合的刚性也不同。,10.2.4滚动轴承的组合设计,五、轴承的预紧,轴承的预紧就是在安装轴承时使其受到一定的轴向力，以消除轴承的游隙并使滚动体和内、外圈接触处产生弹性预变形。,预紧的目的在于提高轴承的刚度和旋转精度。,10.2.4滚动轴承的组合设计,六、滚动轴承的配合与装拆,1滚动轴承的配合,滚动轴承是标准件，轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴承外圈与轴承座孔的配合采用基轴制。,在设计时，应根据及其的工作条件、载荷的大小及性质、转速的高低、工作温度及内外圈中哪一个套圈跳动等因素选择轴承的配合。,当外载荷方向不变时，转动套圈应比固定套圈的配合紧一些。,高速、重载情况下应采用较紧配合。,作游动支撑的轴承外圈与座孔间应采用间隙配合，但又不能过松而发生相对转动,轴承与空心轴的配合应选用较紧配合，部分式轴承座座孔与轴承外圈的配合应较松。,充分考虑温升对配合的影响。,10.2.4滚动轴承的组合设计,2滚动轴承的安装与拆卸,（1）轴承的安装,冷压法,热套法,（2）轴承的拆卸,采用专用工具或压力机拆卸轴承,为方便拆卸，轴上定位轴肩的高度应小于轴承内圈的高度。,10.2.4滚动轴承的组合设计,七、滚动轴承的润滑与密封,1润滑的目的,润滑可以降低滚动轴承内部的摩擦，减少磨损和发热量；,轴承的摩擦发热使轴承升温，油润滑可以到起冷却作用，从而降低轴承的工作温度，延长使用寿命；,良好的润滑状态，可在滚动体与滚道间形成一层使两者隔开的油膜，可以使接触压力减小；,轴承零件表面覆盖一层润滑剂，可以防止表面氧化生锈。,选哪一类润滑方式，这与轴承的速度有关。选择润滑方式时，可查阅各类润滑方式的dn值界限表17.14。,2润滑方式的选择,轴承常用的润滑方式有油润滑和脂润滑两类。,3密封,作用：阻止灰尘、水、酸气和其它杂物进入轴承，防止润滑剂流失。,密封装置可分为：非接触式密封和接触式密封。（见下页）,10.2.4滚动轴承的组合设计,10.2.4滚动轴承的组合设计,1、滚动轴承的类型的选择,2、轴承尺寸的选择,对于静止轴承、缓慢摆动或极低速运转的轴承按静载荷计算。,对于一般运转的轴承，按寿命计算进行轴承尺寸的选择。,当轴承的工作转速n在110r/min之间时，有两种选择方法：按n=10r/min选择轴承尺寸；利用寿命公式计算出C值，再按静载荷强度计算公式计算C0值。将二者进行比较，选用其中较大值对应的轴承尺寸的轴承。,对于转速较高又同时承受冲击载荷的轴承，不但进行寿命计算，还要进行轴承的强度校核。,对于高速轴承，除进行寿命计算外还应检验极限转速。,10.2.4滚动轴承的设计计算与实例分析,一、选择计算,3、公差等级的选择,出于成本考虑，在一般的机械传动中宜选用普通级精度的轴承。,10.2.4滚动轴承的设计计算与实例分析,二、轴承组合设计,主要考虑三方面的问题（1）轴承的定位和固定（2）便于轴组件中零件的加工、安装和调整。轴承游隙的调整和轴上零件轴向位置的调整。（3）轴承的润滑和密封,三、实例分析,参见例题17.4P368,联轴器、离合器及制动器,第一节联轴器,一、联轴器的功用与分类,1、功用,联接两轴，并传递运动和转矩。,2、使用特点,被联接的两轴，只有在运动停止后经过拆卸才能彼此分开。,3、分类,联轴器,刚性联轴器,弹性联轴器,刚性固定式联轴器,刚性可移式联轴器,二、常用联轴器,（一）刚性固定式联轴器,常用：套筒式、夹壳式和凸缘式等。,凸缘联轴器,用凸肩和凹槽对中,用铰制孔螺栓对中,应用场合,应用广泛，维护容易，对中精确可靠，要求准确保持凸缘端面与轴线垂直。适用于载荷较平稳的两轴联接，以及高速重载场合。,（二）刚性可移式联轴器,1滑块联轴器,十字滑块联轴器,应用场合,一般适用于两轴平行但有较大径向位移，工作时无大的冲击和转速不高的场合。,NZ挠性爪型联轴器,应用场合:,适用于传递转矩不大、转速较高、无剧烈冲击的两轴联接。,2齿式联轴器,工作特点:,具有良好的补偿两轴作任何方向位移的能力。有利于增大联轴器的补偿综合位移的能力。,3万向联轴器,十字轴万向联轴器,十字轴万向联轴器允许两轴之间有较大的角位移（3545）。但当角位移增大时传动效率降低。且从动轴的角速度2呈周期性变化。,工作特点：,双万向联轴器,工作特点：,避免了从动轴回转速度的不均匀性。,4滚子链联轴器,滚子链联轴器,特点,结构简单，拆装方便，径向尺寸较小，重量轻，转动惯量小，效率很高，具有一定的补偿位移能力，工作可靠，使用寿命长，恶劣工作环境也能用，成本低。,优点：,缺点：,若离心力过大会加速各元件间的磨损和发热，不宜用于很高速度的传动；缓冲、减震能力不大，不宜在频繁起动、强烈冲击下工作。,（三）弹性联轴器,几种用非金属弹性元件制成的弹性联轴器,弹性套柱销联轴器,特点,制造容易，装拆方便，成本较低，但弹性套易磨损，寿命较短。它适用于联接载荷平稳、需正反转或起动频繁的传递中、小转矩的轴。,2弹性柱销联轴器,结构简单，传递更大转矩，有缓冲吸振能力，允许被联接两轴有一定的轴向位移及少量的径向位移和偏角位移。适用于轴向窜动较大、正反转变化较多和起动频繁的场合。由于尼龙柱销对温度较敏感，因此使用温度控制在20+70的范围内。,特点,3梅花形弹性联轴器,特点:,结构简单费用较低，具有良好的补偿位移和减震能力。,三、联轴器的选择,（一）联轴器类型的选择,选择原则：根据机器的工作特点、性能要求，结合联轴器的性能等选择。,1、对低速、刚性大的短轴，可选用刚性固定式联轴器；,2、对低速、刚性小的长轴，则宜选用刚性可移式联轴器；,3、对传递转矩较大的重型机械，可选用齿轮联轴器；,4、对需有一定补偿量，单向转动而冲击载荷不大的中、低速传动的水平轴的联接，可选用滚子链联轴器；,5、对高速轴，应选用弹性联轴器；,6、对轴线相交的两轴，则宜选用万向联轴器。,（二）联轴器型号尺寸的确定,计算转矩：,TC=KTTn,T名义转矩，,K载荷系数。见表16-1。,（三）主要零件的工作能力校核,防止因联轴器的失效而造成严重事故，有必要对其主要零件进行工作能力