ch10 轴承及其选用

1、“设计与制造II”课程 （D&M II，ME209）,第十章 轴承及其选用,机械与动力工程学院 上海交通大学,目 录,轴承的定义和作用 滑动轴承 滚动轴承,轴承的定义和作用,轴承在 韦氏词典中定义为“a support or supporting part” 在机械设计中，在相对运动的部件之间用到轴承 轴承的作用：,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。,滚动轴承,Sleeve（轴承座）,Lubrication（润滑剂）,Circumferential pressure profile,Hydrody

2、namic lift is generated by fluid being dragged into gap by viscous shear,Bushing（轴瓦）,滑动轴承,滑动轴承（sliding bearing），与轴颈表面形成滑动摩擦副的轴承； 一般应用在高速、重载、高精度或间歇性工作的工况条件下。,Roller/ball （滚子/球）,Lubrication （润滑剂）,Outer Ring（外圈）,Inner Ring（内圈）,滚动轴承,滚动轴承（rolling bearing）是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。 滚动轴承使用维

3、护方便，工作可靠，起动性能好，在中等速度下承载能力较高。,轴承历史,700 B.C.,3500 B.C.,40 A.D.,1794 A.D.,1869,1995,轴承历史,滚动轴承是靠滚动体的转动来支撑转动轴的，因而接触部位是一个点，滚动体越多，接触点就越多；滑动轴承是靠平滑的面来支撑转动轴的，因而接触部位是一个面。 运动方式不同，滚动轴承的运动方式是滚动；滑动轴承的运动方式是滑动，因而摩擦形式上也不同。,特点,滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。,滚动轴承使用维护方便，工作可靠，起

4、动性能好，在中等速度下承载能力较高。与滑动轴承比较，滚动轴承的径向尺寸较大，减振能力较差，高速时寿命低，声响较大。,目 录,轴承的定义和作用 滑动轴承 滚动轴承,滑动轴承的分类,滑动轴承通常由轴承座、轴瓦、润滑及密封装置组成。 按照承受的载荷方向分：,径向滑动轴承 , 推力滑动轴承,按照摩擦的状态分：,干摩擦轴承：无润滑轴承，固体润滑轴承 流体摩擦轴承：流体动压轴承，流体静压轴承，动静压混合润滑轴承 混合摩擦轴承：干摩擦、流体摩擦混合的摩擦状态,径向滑动轴承的类型,1) 整体式径向滑动轴承 由轴承座、整体式轴瓦(简称轴套)组成。 轴承座用螺栓与机座连接, 顶部开有装油杯的螺纹孔。 结构简单,刚

5、度大,成本低廉,但是磨损后轴颈与轴瓦之间的间隙无法调整,磨损到一定程度轴承必须更换。 必须从轴的端部开始装拆,这对粗重的轴或具有中间轴颈的轴安装不便,甚至无法安装。 一般用于轻载、间歇工作且不重要的场合,其结构已经标准化。,径向滑动轴承的类型,2)剖分式滑动轴承 由轴承盖、轴承座、剖分式轴瓦、轴承盖、螺栓等组成。 剖分面最好与载荷方向近于垂直,多数轴承的剖分面是水平的,也有倾斜的。 为了更好地对中和防止工作时错动,剖分面常做成阶梯形的样口 。 装拆时,可以直接从中部安装,轴不需要作轴向移动,装拆方便,因此得到广泛应用。,滑动轴承工程图纸,轴瓦的结构和材料,轴瓦是轴承上直接与轴颈接触的零件，轴承

6、体上采用轴瓦是为了节省贵重的轴承材料和便于维修。 轴瓦的结构有整体式（亦称轴套）和剖分式两种 整体式轴瓦通常称为轴套； 剖分式轴瓦由上、下两半瓦组成，一般下轴瓦承受载荷，上轴瓦不承受载荷。在上轴瓦上开有油孔和油沟，润滑油由油孔输入后，经油沟分布到整个轴瓦表面上。,轴瓦的结构和材料,油沟和油孔只能开在不承受载荷的区域，以免降低油膜的承载能力。 油沟和油室的轴向长度应比轴瓦宽度短，以免油从两端大量流失。 轴瓦两端凸肩可以防止轴瓦的轴向窜动并承受一定的轴向力。,轴瓦的结构和材料,轴瓦的主要失效形式是磨损和胶合，当强度不足时，也可能出现疲劳破坏。 对轴瓦材料的主要要求是： 良好的减摩性和耐磨性； 足够

7、的抗压、抗冲击和抗疲劳强度性能； 良好的顺应性、嵌藏性、跑合性和润滑性； 导热性好、线膨胀系数小、工艺性好等,轴承材料分为三大类： 金属材料（如轴承合金、青铜、铝基合金、减摩铸铁等） 粉末冶金材料（含油轴承） 非金属材料（如塑料、橡胶、硬木等）。,轴瓦的结构和材料,粉末冶金轴瓦,船用高分子共聚体轴承材料轴瓦,轴承润滑的目的主要是为了降低摩擦和减少磨损，同时还可以起到冷却、吸振、防尘、防锈等作用。 常用的润滑剂为润滑油和润滑脂，其中以润滑油应用最广。 选择润滑油时，应综合考虑载荷、速度、摩擦表面状况、润滑方式等条件。选择润滑油粘度的一般原则是： 重载低速、温度高等条件下，应选粘度高的油，便于形成

8、油膜； 高速应选粘度低的油，以免内部摩擦损失过大和发热严重； 加工粗糙、轴承与轴的间隙大的情况应选粘度较高的油； 循环润滑、芯捻润滑应选用粘度较低的油；飞溅润滑应选用高品质，能 防止与空气接触而氧化变质或因激烈搅拌而乳化的油； 低温工作的轴承应选用粘度低的油,滑动轴承的润滑,润滑方法选择依据,滑动轴承的润滑方式可根据系数k确定,式中： 为平均压力， ，Mpa, v 为轴颈线速度，m/s B为有效宽度，d为轴颈直径,当 k2,时，如用脂润滑，可采用旋盖式油杯手工加油；如用润滑,油润滑，采用压注油杯或旋套式注油油杯定期加油； k=216，采用针阀式滴油油杯润滑或油绳润滑； k=1632，采用油环润

9、滑、油浴润滑； k,时，采用压力循环润滑。,径向滑动轴承的设计计算,不完全液体润滑滑动轴承的设计计算2,已知条件：外加径向载荷F (N)、轴颈转速n(r/mm)及轴颈直径d (mm),验算及设计 ：,验算轴承的平均压力p (MPa),B轴承宽度，mm（根据宽径比B/d确定） p轴瓦材料的许用压力，MPa。,验算摩擦热,v轴颈圆周速度，m/s； pv轴承材料的pv许用值，MPam/s,验算滑动速度v (m/s),v材料的许用滑动速度,选择配合,一般可选H9/d9或H8/f7、H7/f6,液体动压滑动轴承,作相对运动的两摩擦表面将润滑油带入间隙后形成了具有足够压力的油膜,从而将两表面隔开,这就是液

10、体动压润滑,所形成的压力油膜称为动压油膜。,弯曲的楔形间隙,沿孔壁向右爬升,轴颈向左浮起,轴颈向左浮起,动压润滑形成的三个必要条件,相对滑动的两工作平面必须形成收鼓的楔形间隙 间隙中必须充满一定黏度的润滑油或其他液体 必须具有足够的相对滑动速度，运动方向应保证润滑油从大口流进,小口流出,必要条件：,液体静压轴承利用外部供油设备将高压油通过油口送入轴承油腔,强制形成具有一定压力的油膜,利用润滑油的静压平衡外裁荷。静压轴承的主要优点如下 ： 承载能力和润滑状态与轴颈转速关系很小,不受转速限制,旦摩擦系数小, 承载能力高 。 在启动、正常工作、停车等各个阶段,轴承与轴颈始终被油膜隔开,因此,对轴承材

11、料没有特殊要求,轴承不会磨损,能长期保持精度,使用寿命长 。 压力油膜不借助油膜形成,工作时不需要偏心距,因此轴颈的旋转精度高。 静压轴承的缺点是必须要有一套复杂的供油系统,成本高,维护、管理费用也高。只有在特殊要求的场合，其动压轴承又不能胜任时才能采用静压轴承 。,液体静压滑动轴承,目 录,轴承的定义和作用 滑动轴承 滚动轴承,滚动轴承的特点,将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦,从而减少摩擦损失的一种精密的机械组件,称为滚动轴承。 与滑动轴承相比,滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、润滑维护简便及易于互换等优点,所以应用广泛. 它的缺点是抗冲击能力较差,高速时出现噪声,径向尺寸

12、较大,工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。 滚动轴承是标准件,并由轴承厂成批生产.,外圈,内圈,保持架,滚动体,滚动轴承的基本结构,滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。,滚动轴承的基本结构,内圈装在轴径上，与轴一起转动。 外圈装在机座的轴承孔内，一般不转动。 内外圈上设置有滚道，当内外圈之间相对旋转时，滚动体沿着滚道滚动。 保持架使滚动体均匀分布在滚道上，减少滚动体之间的碰撞和磨损。,常见的滚动体有六种形状：,Cylindrical,Needle,Taper,Ball,Spherical,Asymmetrical,滚动轴承的主要类型和代号,按滚动体的不同分类：球轴承、滚子轴承；,在外廓

13、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。,滚动轴承类型,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,滚动轴承的主要类型和代号,按可承受的外载荷分类：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承；,夹角：滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角叫作轴承的接触角； 夹角：即载荷角。,接触角, 轴向承载能力 ,0 a 90,a=0,0 a45,45 a 90,a=90,Radial bearing 向心轴承,Thrust Bearing 推力轴承,Angular contact 角接触轴承,滚动轴承的代号,滚动

14、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。,2.尺寸系列代号 表达相同内径但宽度和外径不同的轴承。,但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。,外径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。,宽度系列代号：一般正常宽度为“0”， 通常不标注。,1. 类型代号,滚动轴承的代号,滚动轴承的代号,4.内部结构代号,5.公差等级代号：公差分2、4、5 、6(6x)、 0级，共五个级别 。,以/P2 、/P4、 /P5、

15、 /P6(/P6x)为代号，0级不标注 。,6.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。,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：,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=1

16、7mm，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。,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；,滚动轴承的代号,滚动轴承选择的一般过程,选择轴承的类型和直径系列,滚动轴承的类型选择,二、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 用于承受径向力和轴向力联合作用。,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

17、小的轴承则反之。,当对轴承的径向尺寸有较严格限制时，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。,滚动轴承的工作情况,工作时轴承元件上的载荷及应力的变化,向心轴承受径向载荷Fr时，上半圈滚动体不受力；,下半圈滚动体受力大小方向各不相同。,滚动轴承的工作情况,滚动体、运转的外圈或内圈上的某一点应力变化情况。,固定的外圈或内圈上在承载区内某一点应力变化情况。,向心推力轴承轴向载荷对载荷分布的影响,向心推力滚动轴承工作时，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径向

18、力和轴向力的大小有关，一般以控制约半圈滚动体同时受载为宜。,滚动轴承的失效,一、滚动轴承的失效形式,滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效，下列为常见的失效形式：,疲劳点蚀：,塑性变形：,磨损：,滚动轴承的计算准则,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nFd2 =500N,3. 计算当量动载荷,P1=fPFr1=1.51552=2328N

19、 P2=fP (X Fr2 +Y Fa2 ) =1.5 (0.4 1701+1.7 1356)=4478N,4.计算寿命,P=XFr+YFa,C=24.8kN，e=0.36，Y=1.7；,Fr1 =1552N， Fr2 =1701N,Fa1=456N， Fa2 =1356N,轴颈转速 n=385rpm,滚动轴承的选择,滚动轴承的选择可分为两个步骤进行：,按工作条件首先确定滚动轴承的类型,选择轴承的尺寸,公差等级的选择,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

20、/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。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。,出于成本考虑，在一般的机械宜选用普通级精度的轴承。,滚动轴承的组合设计,除了合理选择轴承的类型和尺寸外，还必须正确、合理地进行轴承的组合设计。即正确解决轴承的轴向位置固定、轴承与其它零件的配合、轴承的调整与装拆等问题。,设计内容,轴承内、外圈的定位 (轴上零件的定位),轴系支点固定的结构型式 (轴系的固定),轴承的调整 (游隙、刚度预紧、轴系位置),轴承的润滑与密封,轴承与相关零件的配合(配合的选用),轴承的装拆,轴系的固定,1.两端固定式,由两个支承各限制轴沿着一个方向的轴向移动，合起来就限制轴的双向移动。,轴系的固定,2.一端固定、一