轴承设计说明书

轴承的设计制造技术摘要：本文主要选择货车轴承为研究对象，以车辆的实际工况和工作时得受力情况选择轴承的类型。以计算机辅助设计为主要的设计手段，其中用到了三维建模的UG软件和二维作图的CAXA软件。由于人们对轴承的使用要求越来越高，使用的范围也越来越大，这就要求设计人员应具备更高的技术水平。其中轴承的使用寿命是人们对轴承关注的主要焦点，寿命的长短与其设计和加工质量密切相关。这正是本论文要解决的主要问题。在论文的设计中，本着以实用和简洁为原则，通过查阅手册和借鉴前人的设计经验，设计出符合使用要求和加工要求的轴关键词：承。关键词：圆锥滚子轴承、法兰盆、轴承外圈、轴承内圈、滚动体。FreightcarbearingdesignandmanufacturingtechnologyAbstract:Thispaperchoosethetruckbearingastheresearchobject,toanactualvehicleconditionsandworktoforceselectionofbearingtypes.Computeraideddesignforthemaindesignmethod,whichusesa3Dmodelingand2DdrawingsoftwareUGCAXAsoftware.Becausethepeopleofbearingsareusedtorequestmoreandmorehigh,therangeofuseisalsogrowing,whichrequiresdesignersshouldhaveahighertechnicallevel.Theservicelifeofthebearingisthebearingofthemainfocusofattention,thelengthoflifeiscloselyrelatedtothequalityofitsdesignandprocessing.Thisiswhatthispapertosolvethemainproblems.Inthedesign,inordertopracticalandconcisefortheprinciple,throughtheinspectionmanualandlearningfrompreviousdesignexperienee,designedtomeettheuserequirementsandprocessingrequirementsofthebearings.Keywords:taperedrollerbearings,flangebearingouterring,theinnerringofthebearing,thebasin,therollingbo1前言：1・1轴承的发展史：中国是世界上最早发明滚动轴承的国家之一。从考古文物与资料看,中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承，出现于公元前221〜207年（秦朝）的今山西省永济县薛家崖村。公元1280年（元朝）在中国古代的天文仪器上也使用了圆柱滚动支承・尽管历史上中国在滚动轴承技术领域曾走在世界文明的前列，但在旧中国轴承工业却十分落后。新中国成立后，特别是本世纪七十年代以来，在改革开放的强大推动下，轴承工业进入了一个崭新的高质快速发展时期。建国五十年来，中国轴承工业已取得举世瞩目的辉煌成就！轴承（滚动轴承简称）是机械工业使用广泛、要求严格的配套件和基础件，被人们称为机械的关节。由于使用范围广泛，决定了轴承品种的多样性和复杂性。由于要求严，决定了轴承质量和性能的重要性。轴承制造业是一种精密的基础件制造业，它的精度以0.001毫米（mm）来衡量，而普通机械零件的制造公差一般只有0.01mm。电机的噪声和振动，在很大程度上取决于轴承质量;高精度机床主轴的摆差和温升，更是与轴承质量息息相关。通讯卫星消旋装置中的轴承性能，直接影响其通讯效果;航天、航空中关键轴承发生故障，就会造成严重的事故。总之，工业、农业、国防、科学技术和家用电器等各个领域中的主机，其精度、性能、寿命、可靠性和各项经济指标，都与轴承有着密切的联系，而且轴承工业的发展还关系着我国重大技术装备的制造水平及机械设备的出口能力。轴承工业的发展历程，大致可分为三个阶段:（一） 奠基阶段（1949〜1957年）1949年瓦房店轴承厂恢复生产，成为中国第一家独立生产轴承的企业。抗美援朝期间，瓦房店轴承厂部分北迁哈尔滨，于1951年4月建成哈尔滨轴承厂并投入生产。1953年上海市轴承行业形成秦福兴轴领厂、上工轴承厂、荣泰新机器厂和金兴铁工厂4个中心厂及10多个卫星厂。在原苏联援助下，全国156项重点工程之一的洛阳轴承厂1954年3月底破土动工兴建，1957年开始试制普通轴承13.6万套。至此，我国轴承工业瓦房店、哈尔滨、洛阳、上海四个主要生产基地初步形成，为轴承制造业的发展奠定了基础。1957年，全国轴承产量首次突破1000万套大关。（二） 体系形成阶段（1958〜1977年）此阶段处于国家“一?五”至“五?五”五个五年计划发展时期，给轴承工业带来了新的机遇。“一?五”中期，洛阳轴承厂于1958年7月通过国家验收，顺利建成投产;上海轴承工业开始形成一个有地方特色的轴承工业基地;瓦房店、哈尔滨轴承厂充实完善，获得较大发展。同时建成了部直属的洛阳轴承研究所和第十设计研究院等科研、工厂设计机构。此时期，轴承制造业为重点主机配套的新产品发展较快，已开始生产汽车万向节滚针轴承、磁电机轴承、机床主轴轴承和精密轴承，并试制了铁路机车、轧钢机、重型机械、石油工业和航空发电机、坦克等主机所需的部分配套轴承。（三） 高质快速发展阶段（1978〜1999年）1978年中共十一届三中全会的召开揭开了中国历史崭新的一页，波澜壮阔的改革大潮在祖国大地汹涌澎湃。在邓小平理论指引下，轴承行业不断推进改革，扩大开放，加快发展，实现生产力大解放，使综合技术经济实力明显增强，在国际

上的影响日益提高,行业面貌发生了历史性的变化,掀起了轴承工业发展史上第三次浪潮。轴承工业为主机和重大技术装备的配套能力有较大增强,为国防建设和发展高新技术提供了高质量的新产品;轴承出口所占份额较高,1997年全行业轴承出口额7.8亿套,创汇4.3亿美元,按产值计已占17.6%,按产量计已达43.3%,轴承市场国际化程度明显改观。1.2轴承的应用：轴承可分为好多种，按照传力介质，可分为：球轴承、圆柱轴承、圆锥轴承和滚针轴承。按照运动方式，可分为：滑动轴承、滚动轴承。按照受力方式，可分为：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。究其作用来讲应该是支撑，即字面解释用来承轴的，但这只是其作用的一部分，支撑其实质就是能够承担径向载荷。也可以理解为它是用来固定轴的。就是固定轴使其只能实现转动，而控制其轴向和径向的移动。电机没有轴承的后果就是根本不能工作。因为轴可能向任何方向运动，而电机工作时要求轴只能作转动。从理论上来讲不可能实现传动的作用，不仅如此，轴承还会影响传动，为了降低这个影响在高速轴的轴承上必须实现良好的润滑，有的轴承本身已经有润滑，叫做预润滑轴承，而大多数的轴承必须有润滑油，负责在高速运转时，由于摩擦不仅会增加能耗，更可怕的是很轻易损坏轴承。把滑动摩擦转变为滚动摩擦的说法是片面的，因为有种叫滑动轴承的东西。轴承在行业中的作用：一、 冶炼厂、矿山、钢铁厂轧压机械设备耐力轴承。二、 发电厂、燃机、电机厂动力设备高要求轴承。此类设备多为连续运转，轴承受力大，装拆麻烦，不便更换，所以要求轴承质量十分稳定、耐磨耐压。一般厂家多采用进口，如瑞典SKF轴承、德国FAG轴承、日本NSK轴承、KOYO轴承等进口轴承牌子。三、 印刷、包装机械、食品机械、非凡轴承和外球面轴承。四、 塑料、化纤机械、薄膜拉伸、非凡轴承和高温轴承。随着科技的发展，此类机械设备不断改进，变化日新月异；国外有的，国内很快也有，与其配用的轴承也推陈出新。输送带部分多为东莞TR和南安台资FS牌的外球面轴承，安装轻易，美观大方，更换方便，深受用户青睐。主机重要部位有的采用进口轴承。同时，关节轴承、单向轴承、导轨轴承、滚针滚轮轴承、BOPP、PVC拉伸薄膜设备烘干箱中的高温轴承等。五、 玩具、钟表、电子、音像设备精细轴零。六、 纺织、洗染，制鞋、烟草机械选用轴承。此类轴承小巧玲珑，高效耐用，要求转速高、噪音极小，非实力名厂不能制造。因其设备专用性强，各家设计不同，采用轴承也不尽相同，一般无法备齐现货，有时也不轻易找到（只有经常往来客户才有所了解，以备应急），所以建议用户最好做到用一备一，避免停工待件，影响生产。七、 啤酒、饮料设备、医药设备选用轴承。八、 破碎、陶瓷机械、精细化工机械选用轴承。此类设备工作环境较差，多有水雾、湿气、灰尘、酸碱等影响，要求轴承密封性较强，汕脂充足合理，最好

能适时添加油脂。2正文内容：设计参数及要求的输入：轴承服务的对象是由10个轮组成的载重货车，并且货车的额定载重为20吨。轴承的使用寿命要达到6万公里。要符合轮毂和车轴的装配要求。轮毂的8个螺栓孔与轴承的8个滚花螺栓间隙配合，轴承螺栓的定位圆直径为©170mm。轮毂中心的圆孔与法兰盘的凸台配合，要求法兰盘凸台的直径不能超过130mm。2.1.6轴承安装完后的轴向尺寸不能超过130mm。4车架和轮毂与轴承安装面的相互距离不得超过53mm。2.1.7车架与轴承安装处的螺栓孔共4个，在圆周上均匀分布，且定位圆的直径为140mm。2.2设计对象材料的选择：2.2.1轴承材料应具备的性能：摩擦相容性：轴径与轴瓦直接接触时防止发生粘附和形成边界润滑的性能。影响摩擦副摩擦相容性的材料因素是：（1） 成副材料冶金上构成合金的难易程度。（2） 材料与润滑剂的亲和能力。（3） 成副材料在无润滑状态下的摩擦因数。（4） 材料的微观组织。（5） 材料的热导率。（6） 材料表面能的大小和氧化膜的特性。耐磨性：成副材料抵抗磨损的能力。在规定的磨损条件下，用磨损率或磨损度、磨损量的倒数来表示耐磨性。磨合性：在轴径与轴瓦的磨合过程中，减小轴径与轴瓦加工误差、同轴度误差、表面粗糙度参数值，使接触均匀，从而降低摩擦力、磨损率的能力。钳入性：材料允许润滑剂中外来硬质颗粒钳入而防止刮伤或（和）磨粒磨损的能力。对金属材料而言，硬度低和弹性模量低者，钳入性就好，而非金属材料则不一定，例如碳石墨，弹性模量较低，但钳入性不好。滑动轴承通常用较软材料与较硬材料构成摩擦幅，一般用较软材料做轴瓦。良好的尺寸稳定性：滚动轴承是精密的机械零件，其精度是以微米为计算单位。在长期的保管和使用过程中，因内在组织发生变化或应力变化会引起轴承尺寸的变化，导致轴承丧失精度。因此，为保证轴承的尺寸精度，轴承钢应具有良好的尺寸稳定性。摩擦顺应性：材料靠表层的弹塑性变形补偿滑动摩擦表面初始配合不良和轴的挠曲性能。弹性模量低的材料顺应性较好。耐蚀性：材料抵抗腐蚀的能力。润滑油在大气中使用时将逐渐氧化，产生酸性物质，而且在大多数润滑油中还含有极压添加剂，它们都会腐蚀轴承材料，因此，轴承材料需要具备耐蚀性。抗疲劳性：在循环载荷下材料抵抗疲劳破坏的能力。在使用温度下，轴瓦材料的强度、硬度、抗冲击强度和组织均匀性对抗疲劳性是十分重要的。磨合性、钳入性好的材料，通常抗疲劳性差。耐气蚀性：固体相对于液体运动的状态下，当液体中的气泡在固体表面附近破裂时，产生局部冲击高压或局部高温，将导致气蚀磨损。材料抵抗气蚀磨损的能力称为耐气蚀性。通常，铜铅合金、锡基轴承合金和铝锌硅系合金的耐气蚀性较好。10.抗压强度：承受单向载荷而不被挤坏或尺寸不变化的能力。良好的防锈性能：滚动轴承的生产工序繁多，生产周期较长，有的半成品或成品零件在装配前还需较长时间的存放，因此，轴承零件在生产过程中或在成品保存中都极易发生一定的锈蚀，特别是在潮湿的空气中。所以，要求轴承钢要具有良好的防锈性能。良好的工艺性能：滚动轴承在生产过程中，其零件要经过多道冷、热加工工序。这就要求轴承钢应具有良好的工艺性能，如冷、热成型性能，切削、磨成本和高质量生产的需要。削加工性能及热处理性能等等，以适应滚动轴承大批量、高效率、低。2.2.2根据工况选择材料：我所设计是载重货车非传动轮的轮毂轴承。乘车用轴承因为工作的强度大，受变应力的作用。因此轴承的材料要求有很高的抗冲击的能力，有很高的刚度，而且内外滚道和滚动体，要在重载荷的情况下进行长时间的运转，因此轴承的材料还需要要高的硬度和耐磨性。综合种种的要求，轴承的材料选用GCrl5。该材料的屈服极限：1667Mpa,剪切强度：996Mpa。2.3设计过程：1当受到较大的径向载荷和较小的轴向载荷时，宜选用带有一定接触角的轴承，接触角越大，轴承所能承受的轴向力越大。有冲击载荷时宜选用滚子轴承。[2]高速运转的轴承，滚动体越小，轴承所能承受的极限转速越高。综上所述，由轴承的安装和受力的需要，把轴承设计成（图一）所示的结构：轴承的设计中，因其承受能力和疲劳寿命的长短与滚动体以及与滚动体接触的零部件密切相关。因此，轴承的设计以滚动体的设计主导，其他零部件的设计则以配合滚动体的安装为准则，再通过必要的力学性能的校核。由轴承服务的对象是由10个轮组成的载重货车，并且货车的额定载重为20吨。

得每个轴承所需承担的载荷的能力为：F=2x200000=40KN（2为安全系N 10数）所设计轴承的基本额定静载荷Cor=175.5KN基本额定动载荷Cr=251KN（图一）则一列滚动体所承受的基本额定动载荷Cr=125.5KN因轴承由两列滚动体承担，则每一列滚动体所受到的当量静载荷为F=40+2=20KN 由于圆锥滚子轴承的接触角为15.50故径向载荷F=20xcosl5.5二19.41KN 轴向载荷F=20xsinl5.5二4.82KNra查手册可知e=0.4l6确定径向载荷和轴向载荷的载荷系数X、Yrsin15.5cosl5.5=rsin15.5cosl5.5=0.227<e=0.416所以X取l，Y取l.6则轴承的当量动载荷P=f（xF+yF）；f为一载荷系数，因为在很多支承prpa中还会出现一些附加载荷，如冲击力，不平衡作用力，惯性力以及轴挠曲或轴承座变形所产生的附加力等。在汽车轴承中f取1.2到1.8，在本设计中f取1.6.ppP=1.6(1x19.41+1.6x4.82)=43.4KN一个轴承的当量动载荷P=2x43.4二86.8KN货车车轮的直径为1m货车行程达到10万公里是，轴承转过的圈数为108 1088N= = 二31.8x106r3.14xd3.14x1由L10由L10圆锥滚子轴承中£取¥为寿命指数得c=*LP&=[：31.8x86・8f=245KN [1]因此，所设计轴承的基本额定动载荷应大于或等于245KN求轴承应具有基本额定的最小值，设轴承基本额定静载荷的径向和轴向载荷分别为 a、b 由载荷系数X=1Y=1.6可得方程f（1xa+1.6xb）=245p在汽车中，载荷系数f取1.6所以1.6x（a+1.6b）二245①p轴承的接触角选15.50b所以—=tanl5.5②a由①、②方程得a=106KN所以基本额定静载荷C = =110.4KNorcos15.5因此设计轴承时，对滚动体承载要符合条件，C >110.4KN C>245KNorr又要符合轴承的安装尺寸因此滚动体选12.662x16.7x4。的圆锥滚子，且轴承由双列滚动体组成，一个轴承共由36粒滚动体组成。[5]由此组滚动体构成的轴承的基本额定静载荷Cor=175KN 基本额定动载荷C=251KN轴承内外圈滚动的尺寸由滚动体的尺寸以及它们之间的配合间隙决定。轴承的轴向游戏在（0.12-0.16）mm的范围内。径向游戏安装前为（0.12-0.16）mm（径向游隙的数值仅供参考）。2.4设计的校核：2.4.1轴承疲劳寿命的校核：我们要求的轴承的期望使用寿命为6万公里，为了尽量确保轴承在6万公里内零故障，我们设计的疲劳寿命标准就要为10万公里。由10个轮构成的货车的额定载荷为20吨，则每个轴承所承担的载荷为：F=2x200000=40KN（2为安N10全系数）所设计轴承的基本额定静载荷Cor=175.5KN基本额定动载荷Cr=251KN则一列滚动体所承受的基本额定动载荷Cr=125.5KN因轴承由两列滚动体承担，则每一列滚动体所受到的当量静载荷为F=40+2=20KN 由于圆锥滚子轴承的接触角为15.5。故径向载荷F=20xCOS15.5二19.41KN轴向载荷F=20xsin15.5二4.82KNra查手册可知e=0.416确定径向载荷和轴向载荷的载荷系数X、YF/sin15.5[6]r/F=K=0.227<e=0.416[6]r所以X取1，Y取1.6则轴承的当量动载荷P=f（xF+yF）；f为一载荷系数，因为在很多支承pr p中还会出现一些附加载荷，如冲击力，不平衡作用力，惯性力以及轴挠曲或轴承座变形所产生的附加力等。在汽车轴承中f取1.2到1.8,在本设计中f取1.6.ppP=1.6(1x19.41+1.6x4.82)=43.4KN货车达到额定行程1万公里时,轴承要转过的圈数。已知货车的车轮直径为1米108 1088 10N= = 二31.8x106r3.14xd3.14x1则31.8x108r为轴承的额定寿命转数由轴承的寿命疲劳公式：L=()圆锥滚子轴承中£取10 £为寿命指数10P 3125・5二L二( )二34.26(百万转)125.5为一列滚动体所承受的基本额定动10 43.4载荷。实际能达到的疲劳寿命转数N=34.26x106r>31.8x106r故疲劳寿命符合要求。2.4.2对B事面进行强度的校核：轴承所受的载荷F=40.8KN先对B截面剪切力进行校核轴承所选用的材料为GCr15，该材料的力学性能为：屈服极限b=1660Mpas剪切强度1660x0.6二996MPa所以该材料的许用正应力〔。〕1660F2=830Mpa(2为安全系数)许用的剪切〔t〕=996F2=498MpaB截面处的面积为S=“%58=2640.74mm2=2.64x10」m2440.8x103B截面受到的剪切应力t= 二15.45x106Pa二15.45MPa<〔t〕2.64x10-3=498Mpa(符合强度条件)对B截面进行弯矩的校核：B界面的抗弯截面系数W二叫二3.14x58x1S二19.15x10-6 [4]Z32 32B截面承受的弯矩M的计算B则M=38x10-3x40.8x103=1550.4N.MBB截面的最大弯曲应力为b_ B截面的最大弯曲应力为b_ 1550.4max19.15xT0-6=80.96x106Pa=80.96MPa<=1660Pa（符合应力要求）2.5设计制造的工艺（工艺路线）：下面对轴承的两个轴承零件进行加工工艺过程的设计:2.5.1法兰盆零件的加工过程。（1）零件的锻件毛坯图如右图所示：毛坯采用冲压锻造的方式有利于毛坯的成型，提高原材料的利用率，改善材料的内部组织。（2）对法兰盆的毛坯进行第二道工序的加工（粗车）法兰盆第二道工序的加工图纸如右图所示：用数控机床的三抓夹盆夹住零件的右端面，进行粗加工，加工后的零件尺寸如右图标注所示。粗加工目的是以最快的速度去除零件多余的材料，已达到提高工作效率的目的。

对法兰盆毛坯粗车二(第三道工序)法兰盆第三道工序的加工图纸如右图所示：此道工序的加工步骤包括零件的外径、内径和倒角。用数控机床的三抓夹盆夹住工件的左端面来达到加工的目的。注意：零件的粗加工表面要求去除边缘的毛刺，因此在加工过程中必须要控制好粗车刀的磨损量，保证粗车刀的锋利。对法兰盆进行精车一(第四道工序)用数控机床的三抓夹盆夹住零件的右端面进行精车。此道工序包括的工步有外径、端面和倒角。工序中也同样要求去除零件边缘的毛刺，因此对机床刀具的要求同上一道工序一样。(Blq对法兰盆进行精车二(第五道工序)(Blq用数控机床的三抓夹盆夹住工件的左端面。用精车刀对零件进行加工。对加工刀具的要求与精车一一样。（6）对法兰盆的大端面进行钻孔、铰孔和倒角。工序的加工图纸如右图所示：这道工序包括三个工步：先用e16的钻头钻八个通孔，再用铰刀把孔扩成e的孔，最后用e17的钻头来倒角。加工要求：用专用夹具夹住零件大圆盘的左端面和右端面，用八个钻头同时钻口，这样既提高了加工效率，又能保证各个孔之间的位置尺寸。钻完孔之后，转到铰孔机进行扩