机械设计十三

机械设计十三第1页/共116页常用滚动体：球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子、滚针第2页/共116页保持架作用：均匀地隔开滚动体，防止滚动体接触磨损保持架类型：低碳钢板+冲压铜合金、铝合金或塑料+切削内、外圈和滚动体材料：高碳铬轴承钢(如GCr15)或渗碳轴承钢(如G20Cr2Ni4A)硬度：不低于60HRC+工作温度<120℃，硬度不下降无内圈或外圈情况：轴颈或轴承座作为内圈或外圈，工作表面应具备相应的硬度和粗糙度第3页/共116页类型和代号1一、滚动轴承的分类α﹣接触角：滚动体与外圈滚道接触点法线与半径方向夹角

β﹣载荷角：径向载荷Fr与轴向载荷Fa合力与半径方向夹角13-2滚动轴承的主要类型及其代号向心轴承推力轴承向心推力轴承第4页/共116页常用滚动轴承的类型、主要性能和特点深沟球轴承

主要承受径向载荷，也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转速且有轻量化要求的场合，可用来承受单向或双向的轴向载荷。工作中允许内、外圈轴线偏斜量≤8'～16'，大量生产，价格最低。第5页/共116页圆柱滚子轴承

有较大的径向承载能力。外圈(或内圈)可以分离，故不能承受轴向载荷，滚子由内圈(或外圈)的挡边轴向定位，工作时允许内、外圈有少量的轴向错动。内外圈轴线的允许偏斜量很小(2'～4')。此类轴承还可以不带外圈或内圈。第6页/共116页推力球轴承

工作时必须加有一定的轴向载荷。轴线必须与轴承座底面垂直，载荷必须与轴线重合，以保证钢球载荷的均匀分配。第7页/共116页角接触球轴承

可同时承受径向载荷及轴向载荷，也可以单独承受轴向载荷。能在较高转速下正常工作由于一个轴承只能承受单向的轴向力，一般成对使用。承受轴向载荷的能力与接触角α有关。接触角大的，承受轴向载荷的能力也高。第8页/共116页圆锥滚子轴承

可以同时承受径向载荷及轴向载荷(30000型以径向载荷为主，30000B型以轴向载荷为主)。外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。一般成对使用。第9页/共116页调心球轴承

外圈滚道表面是以轴承中点为中心的球面，能自动调心，允许内圈(轴)相对外圈(外壳)轴线偏斜量≤2°～3°，一般不宜承受纯轴向载荷。第10页/共116页类型和代号3前置代号基本代号后置代号

轴承的分

部件代号内

部

结

构

代

号密

封

与

防

尘

结

构

代

号保

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材

料

代

号特

殊

轴

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代

号公

差

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代

号游

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代

号多

轴

承

配

置

代

号其

它

代

号五四三二一类

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(二)滚动轴承的主要类型和代号在常用的各类滚动轴承中，每一种类型又可做成几种不同的结构、尺寸和公差等级，以便适应不同的技术要求。为了统一表征各类轴承的特点，便于组织生产和选用，GB/T272-1993规定了轴承代号的表示方法。第11页/共116页1.基本代号

1)轴承的内径代号

位置：基本代号右起第一、二位数字

常用：内径d=20～480mm的轴承，内径一般为5的倍数，这两位数字表示轴承内径尺寸被5除得的商数，如04表示d=20mm，12表示d=60mm等。

特例1：对于内径为10、12、15和17的轴承，内径代号依次为00、01、02和03。

特例2：对于d≥500mm的特大型轴承和d<10mm的微型轴承，内径代号不在此列。第12页/共116页2)轴承的直径系列

位置：基本代号右起第三位数字

直径系列代号：7、8、9、0、1、2、3、4和5，相同内径时的外径尺寸递增第13页/共116页3)轴承的宽度系列

位置：基本代号右起第四位数字

宽度系列代号：8、0、1、2、3、4、5和6，依次递增。

“0”的标注：多数轴承在代号中不标出，对于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承代号0应标出第14页/共116页6深沟球轴承L直线轴承5推力球轴承U外球面球轴承4双列深沟球轴承NA滚针轴承3圆锥滚子轴承N圆柱滚子轴承29推力调心滚子轴承9推力圆锥滚子轴承2调心滚子轴承8推力滚子轴承1调心球轴承7角接触球轴承0双列角接触球轴承代号轴承类型代号轴承类型4)轴承类型代号用基本代号右起第五位数字(或字母)第15页/共116页2.后置代号轴承内部结构常用代号轴承类型代号含义示例Bα=40˚7210B角接触球轴承Cα=15˚7210CACα=25˚7210AC圆锥滚子轴承B接触角α加大32310BE

加强型N207E注：公差等级中0级最低，向右依次增高，2级最高。

公差等级代号代号省略/P6/P6x/P5/P4/P2公差等级

0级6级6x级5级4级2级示例

62036203/P630201/P6x6203/P56203/P46203/P2第16页/共116页游隙代号：游隙分1、2、0、3、4、5共六个组别。

以/C1、/C2、/C3、/C4、/C5为代号，0组不标注。游隙值：小大3.前置代号轴承的前置代号用于表示轴承的分部件，用字母表示。如用L表示可分离轴承的可分离套圈。第17页/共116页类型和代号5三、轴承代号示例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=20mm，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α=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；注：滚动轴承代号比较复杂，上述代号仅为最常用的、最有规律的部分。具体应用时，若遇到看不懂的代号时，应查阅GB/T272-93。

第18页/共116页类型选择113-3滚动轴承的类型选择(一)轴承的载荷

滚子轴承→线接触→承受较大的载荷

球轴承→点接触→承受较轻的或中等的载荷

纯轴向载荷→推力轴承

较小的纯轴向载荷→推力球轴承

纯径向载荷→深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承

径向+不大轴向载荷→深沟球轴承、接触角不大的角接触球轴承、圆锥滚子轴承

径向+较大轴向载荷→接触角较大的角接触球轴承、圆锥滚子轴承、向心轴承和推力轴承组合第19页/共116页2.轴承的转速

转速过高→温度↑→润滑失效→滚动体回火、胶合

极限转速﹣滚动轴承在一定载荷与润滑条件下，允许的最高转速

选用原则

(1)球轴承比滚子轴承的极限转速高

(2)高速时，选用超轻、特轻及轻系列的轴承

(3)转速：青铜实体保持架>实体保持架>冲压保持架

(4)推力轴承极限转速很低，工作转速高时，若轴向载荷不大，采用角接触球轴承

(5)若工作转速超过了轴承样本，可以提高公差等级、适当增大游隙、循环冷却第20页/共116页3.轴承的调心行性能轴承由于安装误差或轴的变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜。倾斜角称为角偏差。

θ

滚针轴承对轴线倾斜最敏感，应紧可能避免在轴线有倾斜的情况下使用。

可采用调心轴承第21页/共116页(四)轴承的安装和拆卸轴承座没有剖分面、沿轴向安装拆卸→内外圈可分离轴承

当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用内圈孔为1:12的圆锥孔的轴承，用以安装在紧定衬套上。第22页/共116页13-4滚动轴承的工作情况(一)轴承工作时轴承元件上的载荷分布径向载荷Fr通过轴颈作用于内圈上半圈的滚动体不承载下半圈的滚动体承载Fr作用线上的接触点接触载荷最大两侧载荷逐渐变小第23页/共116页(二)轴承工作时轴承元件上的载荷及应力的变化

当滚动体进入承载区后，载荷由0逐渐增加到FN2、FN1、直到最大值FN0，然后再逐渐降低到FN1、FN2而至0。第24页/共116页

固定套圈，对于每一个位置的点，每当一个滚动体滚过时，便承受一次载荷，大小是不变的，也就是承受稳定的脉动循环载荷的作用转动套圈上各点的受载情况，类似于滚动体的受载情况。第25页/共116页(三)轴向载荷对载荷分布的影响

以圆锥滚子轴承为例，假设承受径向载荷Fr

滚动体反力分解为径向分力FNi和轴向分力Fdi

径向分力FNi的矢量和=径向载荷Fr

轴向分力Fdi的代数和→派生轴向力Fd=轴向力Fa第26页/共116页

当只有最下面一个滚动体受载时

当受载的滚动体数目增多时，虽然在同样的径向载荷Fr的作用下，但派生的轴向力Fd将增大，即

上式表明n个FNi的代数和大于向量和径向力为Fr时，轴向力为Frtanα，一个滚动体受载径向力为Fr时，轴向力大于Frtanα，多个滚动体受载第27页/共116页轴向力Fa=Frtanα时→单个滚动体受载轴向力Fa↑→受载滚动体数目↑Fa≈1.25Frtanα→约半数的滚动体同时受载Fa≈1.7Frtanα→全部的滚动体同时受载

为了可靠工作，应使轴承至少达到下半圈的滚动体全部受载。在安装这类轴承时，不能有较大的轴向窜动量。第28页/共116页13-5滚动轴承尺寸的选择(一)滚动轴承的失效形式及基本额定寿命疲劳点蚀→最基本和常见的失效形式→寿命计算依据胶合断裂

常见的失效形式：磨损点蚀滚动轴承的寿命：轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数。点蚀的后果：出现较强烈的振动、噪声和发热第29页/共116页生产批次、尺寸、材料、工作条件完全相同↓

制造精度、材料的均质程度差异↓寿命差异很大第30页/共116页以同一批试验轴承中的最长寿命作为标准→过于不安全以同一批试验轴承中的最短寿命作为标准→过于保守基本额定寿命：一组在相同条件下运转的近于相同的轴承，将可靠度为90%时的寿命，记为L105年17年第31页/共116页其他形式的失效：润滑油不足使轴承烧伤润滑油不清洁而使滚动体和滚道磨损

装配不当而使轴承卡死

胀破内圈

挤碎内外圈和保持架失效计算：目前尚不能根据这些失效形式来建立轴承的计算理论和公式解决办法：一般的轴承→装配质量控制和完善使用条件重要用途轴承→线监测及故障诊断→发现故障并更换第32页/共116页(二)滚动轴承的基本额定动载荷工作载荷↑→接触应力↑→在发生点蚀破坏前所能经受的应力变化次数↓→轴承的寿命↓

基本额定动载荷：轴承的基本额定寿命恰好为l06(转)时承受的载荷，用字母C代表。基本额定动载荷↑→承载特性↑基本额定动载荷的获得：大量的试验+理论分析第33页/共116页(三)滚动轴承寿命的计算公式第34页/共116页

实际计算时用小时数表示寿命比较方便，将上式改写

如果载荷P和转速n为已知，预期计算寿命L'h又已取定，则所需轴承应具有的基本额定动载荷C可计算得出

高于120℃温度下工作的轴承需乘以温度系数ft，即第35页/共116页

考虑温度系数后的计算公式第36页/共116页(四)滚动轴承的当量动载荷基本额定动载荷测定时的假设：向心轴承→仅承受径向载荷推力轴承→仅承受轴向载荷轴承寿命计算时的转换当量动载荷=折算公式（径向力，轴向力）X、Y为径向动载荷系数与轴向动载荷系数，见表13-5fd为载荷系数，见表13-6第37页/共116页第38页/共116页第39页/共116页(五)角接触球轴承和圆锥滚子轴承的径向载荷与轴向载荷

角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向载荷时，要产生派生的轴向力，为保证正常工作，通常是成对使用的。

根据平衡条件，由径向力Fre的位置和大小可计算出两个轴承上的径向载荷Fr1、Fr2。第40页/共116页派生的轴向力Fd1、Fd2的大小可按照表13-7中的公式计算

计算所得的Fd值，相当于正常的安装情况，即大致相当于下半圈的滚动体全部受载(轴承实际的工作情况不允许比这样更坏)。第41页/共116页派生轴向力：轴承对轴的力轴向力：轴对轴承的力

把派生轴向力的方向与外加轴向载荷Fae的方向一致的轴承标为轴承2，另一端标为轴承1。当Fae＋Fd2＞Fd1，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”

Fa1＝Fae＋Fd2

Fa2＝Fd2当Fae＋Fd2＜Fd1，相当于轴承1被“放松”，轴承2被“压紧”

Fa1＝Fd1

Fa2＝Fd1－Fae第42页/共116页(六)不稳定载荷和不稳定转速时轴承的寿命计算

对于金属切削机床、起重机等机械中的轴承→工作载荷和转速频繁改变→以疲劳损伤累积理论求轴承寿命设轴承顺次地在当量动载荷P1、P2、...Ps，相应的转速为n1、n2、...ns，轴承在每种工作状态下的运转时间与总运转时间之比为q1、q2、...qs。﹣在Pi作用下实际的载荷循环次数﹣在Pi作用下极限的载荷循环次数

根据疲劳损伤累积理论，在寿命达到极限状态时，有第43页/共116页

假定轴承在P1、P2、...Ps作用下总共工作了H时间后，元件寿命达到了极限状态，则轴承失效前在Pi作用下实际载荷循环次数可按下式计算

将所有载荷作用次数的总和记为zm

假定作用一个相当的载荷Pm来代替所有的载荷的作用，并在作用Zm次后，轴承达到极限状态，满足第44页/共116页寿命计算公式为再有第45页/共116页滚动轴承尺寸的选择7(七)滚动轴承的静承载能力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P0P0=X0Fr+Y0FaX0、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。第46页/共116页

S0为静强度安全系数，可由设计手册查取。按轴承静承载能力选择轴承的公式为：第47页/共116页(八)不同可靠度时滚动轴承寿命的计算

一般的工程问题，以轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命来衡量承载能力，对应的可靠度为90%。对于航空航天产品、国防装备等，对于轴承的可靠度有更高的要求。引入可靠性系数a1，修正寿命为：可靠度／%909596979899LnL10L5L4L3L2L1a11.00.640.540.470.370.25可靠度不为90%时的额定寿命修正系数a1(GB/T6391-2010)

第48页/共116页滚动轴承尺寸的选择8滚动轴承选择的过程由力分析确定轴承所承受的Fr与Fa计算当量动载荷P=fP(XFr+YFa)明确轴承的工作转速n与预计寿命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49页/共116页轴承装置的设计113-6轴承装置的设计

轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配置、紧固、调节、润滑、密封等问题。下面提出一些设计中的注意要点以供参考。(一)支承部分的刚性和同心度轴和安装轴承的外壳或轴承座，轴承装置中的其他受力零件必须有足够的刚性。外壳及轴承座孔壁→足够的厚度第50页/共116页

外壳上轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用肋板来增强支承部位的刚性。第51页/共116页

外壳是用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套杯第52页/共116页

一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同心整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗出。当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组合在一起进行镗孔。第53页/共116页(二)轴承的配置1.双支点各单向固定

左边的悬臂较长，支承刚性较差，轴向和径向热膨胀时易卡死。第54页/共116页采用深沟球轴承的双支点各单向固定轴向间隙轴向间隙→适当补偿轴受热伸长轴向间隙存在→不能做精确的轴向定位轴向间隙不能过大→避免窜动轴向间隙不能过大→不能用于工作温度较高时第55页/共116页2.一支点双向固定，另一端支点游动(跨距大、温度高)固定游动第56页/共116页用可分离型的圆柱滚子轴承或滚针轴承时，内外圈都固定。第57页/共116页

轴向载荷较大→固定的支点：向心轴承+推力轴承

第58页/共116页

采用两个角接触球轴承(或圆锥滚子轴承)“背对背”或“面对面”组合的结构。第59页/共116页3.两端游动支承两端游动轴向固定第60页/共116页(三)滚动轴承的轴向紧固内圈紧固的常用方法有：1)弹性挡圈→轴向力不大及转速不高时2)螺钉固定的轴端挡圈→高转速、大的轴向力钢丝串联防松第61页/共116页3)圆螺母和止动垫圈→转速高、较大的轴向力第62页/共116页4)紧定衬套、止动垫圈和圆螺母用于光轴、轴向力和转速不大、内圈为圆锥孔第63页/共116页

内圈的另一端，常以轴肩作为定位面。为了便于轴承拆卸，轴肩的高度应低于轴承内圈的厚度。第64页/共116页潘存云教授研制拆卸轴承第65页/共116页外圈轴向紧固的常用方法有:1)弹性挡圈→轴向力不大及转速不高时第66页/共116页2)弹性挡圈嵌入轴承外圈的止动槽内第67页/共116页3)轴承盖紧固→用于高转速及很大轴向力时的各类轴承第68页/共116页4)用螺纹环紧→转速高、轴向载荷大，不便使用轴承盖紧固螺钉第69页/共116页(四)轴承游隙及轴上零件位置的调整垫片调整(操作简单)圆螺母调整(操作复杂)1)锥齿轮装配，要调整轴向位置；

2)轴承装在套杯中，套杯装在外壳孔中；

3)通过增减垫片，可调整锥齿轮轴向位置。第70页/共116页(六)滚动轴承的预紧定义：安装时产生并保持一轴向力，消除轴向游隙意义：内外圈径向及轴向相对移动量要比未预紧大大减少1)夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧第71页/共116页2)用弹簧预紧，可以得到稳定的预紧力3)轴承中间装入长度不等的套筒而预紧，预紧力可由两套筒的长度差控制长短第72页/共116页4)磨窄外圈并夹紧第73页/共116页(七)滚动轴承的润滑d﹣滚动轴承内径，mmn﹣轴承转速，r/min第74页/共116页1.脂润滑适用：不便经常添加润滑剂、不允许润滑油流失而致污染产品限制：较低的dn值所占容积：1/3～2/3内部空间锥入度：dn值大、载荷小→选锥入度较大→粘度小反之，选锥入度较大滴点：工作温度<滴点； 矿物油润滑脂，应低10～20℃

合成润滑脂，应低20～30℃第75页/共116页2.油润滑润滑油选择图第76页/共116页(1)油浴润滑把轴承局部浸入润滑油中，当轴承静止时，油面应不高于最低滚动体的中心。不适于高速，搅动油液剧烈时能量损失大，油液和轴承的严重过热。第77页/共116页(2)滴油润滑适用于需要定量供应润滑油的轴承部件滴油量应适当控制，过多的油量将引起轴承温度增高。常使用粘度较小(粘度等级不高于15)的润滑油。第78页/共116页(3)飞溅润滑利用齿轮的转动把润滑齿轮的油甩到四周壁面上，然后通过适当的沟槽把油引入轴承中去。(4)喷油润滑适用于转速高、载荷大、要求润滑可靠的轴承。第79页/共116页(5)油雾润滑适用：当dn>6×105mm·r/min时优点：避免其他润滑方法由于供油过多，油的内摩擦增大而增高轴承的工作温度。第80页/共116页压强图流速图第81页/共116页3.固体润滑用途：高温中使用的轴承、真空环境中工作的轴承方法：

1)用粘结剂将固体润滑剂粘结在滚道和保持架上

2)固体润滑剂加入工程塑料和粉末冶金材料中，制成有自润滑性能的轴承零件

3)电镀、高频溅射、离子镀层、化学沉积→薄膜第82页/共116页(八)滚动轴承的密封装置毡圈油封(滑动速度4～5m/s，抛光轴7～8m/s)第83页/共116页毛毡：工业常用工具，采用羊毛制成，加工粘合而成。第84页/共116页唇形密封圈(精车轴<10m/s，磨光轴<15m/s)

如果主要是为了封油，密封唇应对着轴承；如果主要是为了防止外物浸入，则密封唇应背着轴承(a)；如果两个作用都要有，使用密封唇反向放置的两个唇形密封圈(b)。第85页/共116页第86页/共116页密封环(含铬的耐磨铸铁<100m/s，锡青铜60～80m/s)密封环靠缺口被压拢后所具有的弹性而抵紧在静止件的内孔壁上第87页/共116页隙缝密封

在轴和轴承盖的通孔壁之间留一个极窄的隙缝，半径间隙通常为0.l～0.3mm。这对使用脂润滑的轴承来说，已具有一定的密封效果。如果在轴承盖上车出环槽，在槽中填以润滑脂，可以提高密封效果。第88页/共116页甩油密封开出沟槽甩油环螺旋式送油槽第89页/共116页曲路密封径向轴向第90页/共116页例题13-1设某支承根据工作条件决定选用深沟球轴承。轴承径向载荷Fr=5500N，轴向载荷Fa=2700N，轴承转速n=1250r/min，装轴承处的轴颈直径可在50～60mm范围内选择，运转时有轻微冲击，预期计算寿命L'h=5000h。试选择其轴承型号。根据表13-5，深沟球轴承的最大e值为0.44，故此时按照表13-6，fd=1.0～1.2，取fd=1.2，见下页第91页/共116页第92页/共116页

按照表13-5，X=0.56，Y值需在已知型号和基本额定静载荷C0后才能求出。现暂选一近似中间值，取Y=1.5，则

根据式(13-6)，求轴承应有的基本额定动载荷值

按照轴承样本或设计手册选择C=61.8kN的6310轴承

此轴承的基本额定静载荷C0=38kN。验算如下:

相对轴向载荷为第93页/共116页第94页/共116页第95页/共116页

低于预期计算寿命。因题中的轴径尺寸允许取为50～60mm，故可改用6311

按照轴承样本或设计手册选择C=71.5kN，C0=44.8kN第96页/共116页第97页/共116页6311可用

第98页/共116页深沟球轴承的设计步骤1.计算轴向力与径向力的比值Fa/Fr