机械设计 滚动轴承

机械设计滚动轴承第1页/共42页§13-1滚动轴承的构造和类型滑动轴承概述1轴承的作用：用来支承轴。按摩擦性质的不同分为：滑动轴承滚动轴承：§12-1滚动轴承的构造和类型一、滚动轴承的构造和材料滚动轴承是标准件，主要掌握合理选择合理使用1.构造内圈外圈滚动体保持架(各类滚动体)保持架：滚动体：外圈：内圈：装在轴上。装在轴承座孔中。在两套圈之间滚动并传递载荷。将滚动体均匀隔开。

滚动体分为：球滚子：圆柱形、圆锥形、滚针、鼓形等第2页/共42页构造和类型2滚动轴承的特点：旋转精度高、启动力矩小、是标准件，选用方便。虚拟演示2.材料内、外套圈和滚动体：用滚动轴承钢（GCr15、GCr15SiMn等）制造。淬火后表面硬度可达58～66HRC。保持架：用比较软的低碳钢、铜合金、铝或塑料制造。二、滚动轴承的类型

球轴承：滚子轴承：运转灵活，但承载能力低。承载能力高，但运转不如球轴承灵活，。

刚性轴承：调心轴承：允许内外圈偏转角很小的轴承。允许内外圈偏转角较大的轴承。内、外圈可以分离的轴承，称为可分离型轴承滚动轴承的构造和类型实际中应用非常广泛。第3页/共42页构造和类型3－接触角◆按可承受的载荷方向不同，滚动轴承分为三类：

能同时承受径向力和较大的轴向力

主要用来承受轴向力主要用来承受径向力径向接触轴承向心角接触轴承轴向接触轴承接触角α：滚动体的载荷方向线与轴承径向平面之间的夹角。α↑，承受轴向力的能力↑。滚动轴承的构造和类型第4页/共42页◆按结构形式不同，标准滚动轴承分为13类，最常用的有六类:构造和类型4深沟球轴承（6）圆柱滚子轴承（N、NU）推力球轴承（5）角接触球轴承（7）圆锥滚子轴承（3）调心球轴承（1）更多的滚动轴承虚拟现实中的滚动轴承调心滚子轴承（2）滚针轴承（NA)向心角接触轴承径向接触轴承推力滚子轴承（8）轴向接触轴承类型代号成对使用，反向安装滚动轴承的构造和类型第5页/共42页构造和类型5三、滚动轴承类型的选择选择轴承类型时主要考虑以下问题：1）载荷方向；当FA很大时，选6（N）＋5（8）组合使用。当FA较小时，可选6类。只受FR时，选径向接触轴承（1、2、6、N）。只受FA时，选轴向接触轴承（5、8）或选（7、3）类。同时受FR和

FA时，选向心角接触轴承（7、3）。2）载荷大小；载荷大或有冲击振动时，宜选滚子轴承。3）转速高低；转速高或要求旋转精度高时，宜选球轴承。轴向接触轴承不适宜高转速，可用6或7类代替。4）调心要求；轴的刚度低、轴承座孔的同轴度低或多支点轴，选调心轴承。5）经济性；精度高的价格高，滚子轴承比球轴承价格高。滚动轴承的构造和类型第6页/共42页§13-2滚动轴承的代号§12-2滚动轴承的代号前置代号基本代号后置代号

轴承组件（表13－4）内

部

结

构

代

号密

封

与

防

尘

结

构

代

号保

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架

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其

材

料

代

号特

殊

轴

承

材

料

代

号公

差

等

级

代

号游

隙

代

号承

配

置

代

号其

它

代

号×××××类

型

代

号尺寸系

列代号内

径

代

号宽

度

系

列

代

号直

径

系

列

代

号滚动轴承代号构成：一、基本代号用代号表示轴承的结构、尺寸、类型、精度等内容，并打印在轴承上。◆内径代号：代号0001020304～96内径d10121517代号×5（见表12－3）第7页/共42页代号2◆类型代号：常用轴承有：6、7、3、5、N等类型，详见表12－2。◆公差等级代号：分为/P0

、/P6(/P6x)、/P5、/P4、/P2共五级。游隙分为：/C1、/C2、0

、/C3、/C4、/C5共六个组别。滚动轴承的代号低级

高级

游隙值：小

大

◆尺寸系列代号：直径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。宽度系列为正常宽度时，代号为“0”，省略不标。尺寸系列：指内径相同时，轴承有不同的外径（直径系列）和不同的宽度（宽度系列）。0级省略

0组省略。二、后置代号（见表12－2）◆

游隙代号：游隙：指一个套圈相对于另一个套圈，沿径向或沿轴向，从一个极限位置到另一个极限位置的移动量。（见表13－6）（见表13－7）第8页/共42页代号36308：深沟球轴承，3─中系列，内径d=40mm，公差为0级，游隙为0组；N105/P53：圆柱滚子轴承，1─特轻系列，内径d=20mm，公差为5级，游隙为3组；7214AC/P4：7─角接触球轴承，2─轻系列，内径d=70mm，公差为4级，游隙为0组，公称接触角α=15°；30213：圆锥滚子轴承，2─轻系列，内径d=65mm，公差为0级，游隙为0组；注：遇到看不懂的代号时，查阅GB/T272-93。◆内部结构代号：7000C：α＝15°；7000AC：α＝25°；7000B：α＝40°；（见表12－5）◆配置代号：（见表12－8）/DB：背对背安装（反装）/DF：面对面安装（正装）滚动轴承的代号第9页/共42页§13-3滚动轴承的工作情况分析1§12-3滚动轴承的工作情况分析滚动轴承工作时，在FR

作用下通常只有半圈滚动体受载。工作时，轴承中各个元件所受载荷及应力是变化的。详细分析球轴承：滚子轴承：滚动体个数滚动体所受最大载荷为：一、滚动轴承的载荷分布二、滚动轴承的失效形式和计算准则主要失效形式有：1）疲劳点蚀：是最常见的失效形式。

滚动体和套圈滚道承受循环接触应力。

点蚀使轴承产生振动和噪音而失效。点蚀第10页/共42页工作情况22）塑性变形：

对于转速很低或间歇摆动的轴承，会因过大的载荷或冲击载荷，使滚动体或内、外圈滚道产生塑性变形，形成不均匀的凹坑。3）磨粒磨损、粘着磨损（胶合）：

多尘条件下工作的轴承，易产生磨粒磨损。

润滑不良的高速轴承，易产生粘着磨损（胶合）。更多的失效磨损胶合计算准则：1.转速较高的轴承，主要失效形式为“点蚀”，需进行寿命计算。2.转速很低或摆动的轴承，主要失效形式为塑性变形，需计算静强度。3.高转速轴承，主要失效形式为粘着磨损，需校核极限转速。滚动轴承的工作情况分析第11页/共42页§13-4滚动轴承的寿命计算一、几个概念

1）滚动轴承的寿命：是指轴承中的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，两套圈的相对总转数或在一定转速下的运转小时数。

轴承寿命的离散性是相当大的（见右图）。

2）基本额定寿命：指一批相同的轴承，在相同的条件下运转，其中恰有90％的轴承尚未产生点蚀时的寿命，用L10或Lh10表示。

3）基本额定动载荷：指L10恰为106转时，轴承所能承受的载荷，用C表示。轴承的寿命/（106r）

L10的可靠度R＝90％。

径向接触轴承的C

是径向载荷，用Cr表示。

向心角接触轴承的C

是所受载荷的径向分量，也用Cr表示。

轴向接触轴承的C

是中心轴向载荷，用Ca表示。§12-4滚动轴承的寿命计算第12页/共42页滚动轴承的寿命计算2三、当量动载荷当量动载荷：是由轴承实际所受载荷转换得到的与基本额定动载荷C

的确定条件及性质相同的假想载荷，用FP

表示。

二、轴承寿命计算式中：FP－当量动载荷；n－轴承的转速（r/min）；ε－寿命指数，球轴承：ε

＝3；滚子轴承：ε

＝10/3。（13－4）

常以设备的中修期或大修期作为轴承的设计寿命。

各类机器中轴承的预期寿命参见表12－9滚动轴承的寿命计算fp

—载荷性质系数，用于计入冲击、振动对载荷的影响。第13页/共42页滚动轴承的寿命计算3式中：FR、FA—分别为轴承承受的径向载荷和轴向载荷；X、Y—分别为轴承的径向载荷系数与轴向载荷系数(查表12－10）当量动载荷四、向心角接触轴承的轴向载荷计算aFRFnio1.载荷计算中心

滚动体的载荷方向线与轴线的交点o

即为轴承的载荷计算中心（支反力的作用点）。

距离a可查轴承手册。2.内部轴向力在径向力FR作用下，各受载滚动体的轴向分力Fsi之和，即为轴承的内部轴向力Fs。滚动轴承的寿命计算第14页/共42页滚动轴承的寿命计算4圆锥滚子轴承（30000）角接触球轴承（70000）Fs＝eFRFs=FR／(2Y)内部轴向力Fs与径向力FR成正比：见表（12－11）。

Fs的方向：沿轴线由轴承外圈的宽边→窄边。3.轴向载荷计算正装反装滚动轴承的寿命计算第15页/共42页滚动轴承的寿命计算5FrFR1FR2Fs1Fs2Fx正装详细分析

由成对使用，反向安装的两个向心角接触轴承支撑的轴，共受三个轴向力：Fs1、Fs2和外部轴向力

Fx。

已知三个轴向力的大小和方向时，可按下列方法计算轴承的轴向载荷FA。

2）比较自身的内部轴向力与该合力的大小，较大者为该轴承的轴向载荷。1）按代数值计算另一轴承的内部轴向力与外部轴向力Fx的合力；

就某一个轴承而言：（Fx与Fs2同向取“+”；反向取“－”）（Fx与Fs1同向取“+”；反向取“－”）即：12滚动轴承的寿命计算第16页/共42页滚动轴承的寿命计算61）根据三个轴向力的合力方向，判断轴承的“放松”、“压紧”状态；2）被“放松”轴承的FA

等与自身的内部轴向力；3）被“压紧”轴承的FA等与除自身内部轴向力以外，其余各轴向力之和。

当Fs2＋Fx＜Fs1时，轴承2被“压紧”，轴承1被“放松”。则，FA2＝Fs2＋Fx

，FA1＝Fs1向心推力轴承的轴向载荷FA也可按下述方法计算：当Fs2＋Fx＞Fs1时，FA1＝Fs2＋FxFA1＝Fs1当Fs2＋Fx＜Fs1时，当Fs1－Fx＞Fs2时，FA2＝Fs1－FxFA2＝Fs2当Fs1－Fx＜Fs2时，对轴承1：对轴承2：例如：例如：滚动轴承的寿命计算第17页/共42页滚动轴承的寿命计算7五、同一支点成对安装同型号向心角接触轴承的计算

此种情况按双列轴承计算，双列轴承的基本额定动载荷CΣ

和基本额定静载荷C0Σ

为根据单个轴承的C和C0计算：

角接触球轴承：

圆锥滚子轴承：滚动轴承的寿命计算六、不稳定载荷下的轴承寿命计算

将不稳定的载荷和转速，转化成平均当量动载荷和平均转速后，进行计算。公式见P280。

系数X、Y－按双列轴承选取。第18页/共42页滚动轴承的寿命计算8七、不同可靠度的轴承寿命基本额定寿命Lh10的可靠度为90%。但是，重要机器中的轴承，往往对可靠度有更高的要求。某个可靠度下的寿命：式中：γ－可靠度系数，见表12－12。可靠度（%）909596979899γ1.00.620.530.440.30.21可靠度系数γ(GB/T6391-1995)滚动轴承的寿命计算第19页/共42页§13-5滚动轴承的静强度计算§12-5滚动轴承的静强度计算对于转速很低或缓慢摆动的轴承，为防止塑性变形失效，需计算轴承的静强度。当量静载荷FP0FP0=X0FR+Y0FA式中：X0、Y0－为静径向载荷系数和静轴向载荷系数，查表12－13。

基本额定静载荷C0－使轴承中受载最大滚动体的接触应力达到下列规定值的载荷（球轴承：4200MPa；调心轴承：4600MPa；滚子轴承：4000MPa）。

径向接触轴承的C0

是径向载荷。

向心角接触轴承的C0

是所受载荷的径向分量。

轴向接触轴承的C0

是中心轴向载荷。注：如计算的FP0＜FR，取FP0＝FR。静强度条件为：式中：S0－静强度安全系数，查表12－14。FP0≤第20页/共42页§13-6滚动轴承的极限转速§12-6滚动轴承的极限转速极限转速：在一定载荷和润滑条件下，轴承所允许的最高转速。轴承样本和手册中，列出了特定条件下的极限转速

nlim。（FP≤0.1C，润滑与冷却条件正常）实际工作条件下的极限转速：nmax＝f1f2nlim

式中：f1－载荷系数，用于考虑载荷大小对极限转速的影响，见图12－8。f2－载荷分布系数，用于考虑轴承中载荷分布情况对极限转速的影响，见图12－19。第21页/共42页滚动轴承尺寸的选择滚动轴承尺寸的选择滚动轴承尺寸选择的过程确定轴承所承受的FR与FA计算当量动载荷FP=XFR+YFA明确轴承的工作转速n与预期寿命L10计算轴承应满足的基本额定动载荷由轴承样本（手册）查取合适的轴承第22页/共42页§13-7滚动轴承的组合设计

轴承的组合设计实际上就是如何在机器中合理的使用轴承。组合设计中主要应考虑以下几个方面的问题：一、滚动轴承轴系的固定

通过轴承与轴和轴承座之间的联接固定，使轴系在机器中有确定的位置。

§12-7滚动轴承的组合设计

要求：1）使轴上的载荷能可靠的传到机架上去，防止轴沿轴向串动。2）受热膨胀时，轴能自由伸缩。

典型的轴系固定方法主要有三种：1.两端固定支承

一端轴承的固定只限制轴沿一个方向的串动，另一端轴承的固定限制另一方向的串动，两端轴承的固定共同限制轴的双向串动。对于深沟球轴承，应留热补偿间隙Δ＝0.25～0.4mm(图12-21)调整垫片第23页/共42页组合设计2

特点：结构简单，安装调整容易，适用于温度变化不大的短轴。2.一端固定一端游动支承(图12-22)

一端轴承的固定即限制轴的双向串动；另一端轴承不固定，为游动支承。

特点：轴的位置准确，但结构较复杂，适用于温度变化大的长轴。3.两端游动支承(图12-23)两端轴承的固定均不限制轴的轴向串动，均为游动支承。

例如：人字齿圆柱齿轮传动中的小齿轮轴必须采用两端游动支承。但大齿轮的轴向位置必须固定。二、滚动轴承组合结构的调整1.轴系轴向位置的调整目的：使轴上零件有准确的位置。例如：蜗轮的中间平面应通过蜗杆轴线；两个锥齿轮的锥顶要重合。(图12-21)滚动轴承的组合设计第24页/共42页径向位置由中心距保证轴向位置用垫片调整蜗轮位置调整第25页/共42页组合设计31.轴承游隙的调整(图12-21)游隙的大小直接影响轴的旋转精度、轴承的载荷分布以及轴承的寿命等。

径向接触轴承的游隙是在制造时保证的；圆锥滚子轴承的游隙是在安装时保证的。滚动轴承的组合设计第26页/共42页组合设计4三、滚动轴承的预紧更多说明预紧：用某种方法使轴承中产生并保持一定的轴向力，以消除轴承的游隙。目的：提高轴承的旋转精度，提高轴承装置的刚度、减小轴的振动。方法：(图12-23)1）磨窄内圈或外圈，安装时在磨窄的套圈外侧施加轴向力。2）采用衬垫。(图13-24)3）内、外圈加长度不同的间隔套或用垫片预紧。(图13-25)4）加弹簧。(图13-26)滚动轴承的组合设计设计：潘存云第27页/共42页设计：潘存云第28页/共42页组合设计4滚动轴承的组合设计四、滚动轴承的配合滚动轴承的配合是指内圈与轴颈、外圈与外壳孔的配合。内圈孔与轴的配合为基孔制，外圈与轴承座孔的配合为基轴制。详细说明转动套圈的配合应紧一些，不动套圈的配合应松一些。转速高、载荷大、振动强烈时，配合应紧；游动套圈配合应松。配合标注：内圈与轴：只标注轴外圈与孔：只标注孔第29页/共42页组合设计5五、滚动轴承的安装与拆卸装拆滚动轴承时，不能通过滚动体来传力，以免造成滚道或滚动体的损伤。由于轴承的配合较紧，装拆时以使用专门的工具为宜。更多图片错误的施力正确的施力配合过盈量小的中、小型轴承可用手锤打入或压力机压入；配合过盈量大的轴承常用温差法装配。(图12-29)滚动轴承的组合设计第30页/共42页注意：内、外环用不同工具注意：h≥1/4外环厚度第31页/共42页设计：潘存云设计：潘存云h1h1外圈：应留拆卸高度，或留螺孔。设计：潘存云设计：潘存云第32页/共42页§13-8滚动轴承的润滑与密封一、滚动轴承的润滑1．润滑的主要作用

降低摩擦，减少磨损；

油润滑可以到起散热、冷却作用；

滚动体与滚道之间形成的油膜，可以起缓冲、吸振作用；

轴承零件表面覆盖一层润滑剂，可以起防锈作用。通常根据dn值选择润滑方式，各类润滑方式的dn值见表12－15。2．润滑方式的选择§12-8滚动轴承的润滑与密封常用的润滑方式：脂润滑油润滑可根据载荷、速度和温度查图13－34

确定所需润滑油的运动粘度。第33页/共42页添加量：脂润滑：可承受较大载荷，便于密封及维护，不宜填充过多(1/3~1/2)dn<（1.5~2）╳

105mmr/min第34页/共42页油润滑：喷油或浸油、浸油高度不超过滚动体中心

dn>（1.5~2）╳

105mm