上海工程技术大学机械设计课件精选(陆宁老师编制).ppt

1、机 械 设计,滚动轴承,第十三章 滚动轴承,13-1概述,13-2滚动轴承的主要类型及代号,13-5轴承装置的设计,13-4滚动轴承的尺寸选择计算重点,13-3滚动轴承的受载情况和失效形式,一主要设计内容,类型选择 尺寸选择 组合结构设计,二基本结构：内圈、外圈、滚动体、保持架,13-1概述,内圈、外圈、滚动体：轴承铬钢GCr15， 硬度 6065 HRC 保持架：低碳钢；铜、铝、工程塑料,13-1 概述,滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的（例如：转动的齿轮与轴）。,13-1 概述,滚动轴承组成：内圈、外圈、滚动体、保持架。,外圈：与轴承座相配

2、；,保持架：防止滚动体直接接触。,内圈：与轴颈相配；,滚动体：将滑动摩擦转化为滚动摩擦；,常见的滚动体有六种形状：,保持架：避免滚动体直接接触，减少发热和磨损。,作 用：均匀隔开滚动体。 冲压式：低碳钢板冲压制成，与滚动体有较大的间隙。 实体式：铜合金、铝合金或塑料经切削加工制成，有较好的 定心作用。,超低温液氢泵用混合式陶瓷轴承,滚动轴承的应用,1883年德国的Fischer先生发明了磨制钢球的球磨机并创建FAG公司以来，伴随着滚动轴承工业的诞生和发展，FAG的产品在几乎所有可能的领域内得到了充分的认证并一直扮演着十分重要的角色，,滚动轴承的应用,滚动轴承的应用,瑞典SKF公司 新一代SKF

3、球面滚子轴承-Explorer探索者系列的性能，远远超过ISO国际标准的计算方法，而ISO亦无法恰当地预测其预期寿命 -轴承如此经久耐用，它将改变工业设备的维修计划 -轴承如此先进卓越，它将为设计工程师，开拓一个充满崭新选择的世界，从而创造新一代的工业机械设备。,滚动轴承的应用,這類軸承適用於內燃機和壓縮機。由于其特殊的設計，可以應用於此種高轉 速、高溫、不利于潤滑且又具有特殊載荷和運動狀態的支承。其中，KZK曲 柄銷支承用的滾針和保持架組件，採用M型保持架，可因應客戶特殊要求， 在保持架表面進行鍍銀、鍍銅處理。,滚动轴承的应用,推力軸承由滾動體、推力保持架及推力墊圈組成。滾動體可以是滾針或圓

4、柱 滾子。滾針或圓柱滾子受到推力保持架的保持和引導，並和不同的推力墊圈 、軸圈、座圈一起工作。,滚动轴承的应用,這種軸承由薄壁沖壓外圈、保持架和整組的滾針組成，其剖面高度極小，可節 約空間，尤其適用於殼體孔不宜作為滾道的場所。與穿孔型軸承相比，封口型 軸承的一端為密閉式，可保護軸承免於雜物侵入和防止潤滑泄漏。,滚动轴承的应用,铁路车辆的行车速度不断提高，就要求配套的轴承也要达到行车安全的技术指标，图中为铁路机车轮对准高速轴承NV2232WB/YB2，速度为160-180km/h，寿命100万公里。,滚动轴承的应用,图中为6317绝缘轴承，用于防静电的技术领域。,一主要类型,1按承载方向分,13

5、-2滚动轴承的主要类型及代号,13-2 滚动轴承的主要类型和代号,一、滚动轴承的分类, 按滚动体的不同分类：球轴承、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。,13-2 滚动轴承的主要类型和代号, 按轴承的结构形式不同分类：,在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准的滚动轴承，在国家标准中分为13类，其中，最为常用的轴承大约有下列类:,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,更多的滚动轴承,调心滚子轴承 20000C,圆锥滚子轴承 30000,推力球轴承 50000,a)单向,b)双

6、向,深沟球轴承 60000,设计：潘存云,角接触球轴承 70000,推力圆柱滚子轴承 80000,圆柱滚子轴承 N0000,滚针轴承 a) NA0000 b) RNA0000,调心球轴承 10000,接触角：向心推力轴承滚动体与外圈接触处的法线与半径方向的夹角。 载荷角：轴承实际承受的径向载荷R 与轴向载荷A的合力与半径方向的夹角。,滚动轴承的几个基本特性,调心球轴承（1）,深沟球轴承（6）,角接触球轴承（7）,圆锥滚子轴承（3）,设计：潘存云,圆柱滚子轴承（N、NU）,导致磨损,推力球轴承（5）,座圈,轴圈,转速太快则离心力大导致磨损,7.轴承代号的编制规则,(1)轴承代号按表11-2所列的

7、顺序从左至右排列。,(2)当轴承类型代号用字母表示时,字母与其后的数字之间应空一个字符。,(3)基本代号与后置代号之间应空一个字符,但当后置代号中有“-”号或“/”号时,不再留空。,(4)在尺寸系列代号中,位于括号中的数字省略不写。,(5)公差等级代号中的/P0省略不写。,例如:,7,2,10,C,7210 C/P5/DF,/P5,/DF,轴承类型为角接触球轴承,尺寸类型代号,其中 宽度类型代号为0,窄系列,省略不写, 直径系列代号为2,轻系列,轴承内径,空一个字符,公称接触角,轴承精度等级为5级,面对面配置,型号,轴承元件上的载荷分布及变化,13-3滚动轴承的受载情况和失效形式,2外圈：脉动

8、循环变应力,1滚动体：周期性不稳定变应力,3内圈：周期性不稳定变应力,轴承元件上的应力变化（内圈转动，外圈不转动为例）,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：,更多的失效,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：,钢球疲劳点蚀,陶瓷球疲

9、劳点蚀,1.疲劳点蚀：滚动轴承最常见的失效形式。,内环上的疲劳点蚀,轴承胶合,2.塑性变形：受较大静载或冲击载荷,3.磨粒磨损：杂质进入,4.胶合：高速、重载、发热,套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式， 是作为滚动轴承寿命计算的依据滚动轴承寿命计算。,转速较高而润滑油不足时引起轴承烧伤； 润滑油不清洁而使滚动体和滚道过度磨损； 装配不当而使轴承卡死、胀破内圈、挤碎内外圈和保持架等。,除了点蚀以外，轴承还可能发生其它多种的失效形式。例如：,这些失效形式可以通过加强装配过程管理等措施来克服。,13-4 寿命计算,1.基本概念,1）轴承寿命单个轴承,2）基本额定寿命一批轴承,

10、定义：一批相同的轴承，在相同运转条件下，其中10%的轴承发生疲劳点蚀，而90%的轴承不发生点蚀前的总转数，或工作小时数。,2基本额定动载荷,定义：当轴承的基本额定寿命恰好为106 转时 轴承所受载荷值 C (N),对于向心轴承，基本额定动载荷指纯径向载荷， 称为径向基本额定动载荷用符号Cr表示,对推力轴承，指纯轴向载荷， 称为轴向基本额定动载荷，用符号Ca表示。,对角接触球轴承或圆锥滚子轴承， 指使套圈间产生纯径向位移的载荷的径向分量 用符号Cr表示。,基本额定动负荷：轴承工作温度在,以下,基本额定寿命,时，轴承所能承受的最大载荷，,用C表示。,基本额定动负荷的方向:,对于推力轴承为中心轴向载

11、荷,对于角接触向心轴承为载荷的径向分量,基本额定寿命 ： 一批相同轴承，在相同条件下运转， 90%轴,承在疲劳点蚀前转过的 转数，单位为106 r。,对于向心轴承为径向载荷,疲劳曲线,疲劳寿命威布尔分布,载荷P1,载荷P2,载荷P1载荷P2,由实验得到的曲线,基本额定寿命：具有90可靠度时轴承的寿命，用L10表示。,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。,a1,a1-考虑不同可靠度时的系数,滚动轴承的静强度计算,基本额定静负荷C0：滚动轴承中受载最大的滚动体与最弱座圈滚道的接触处的塑性变形量之和为滚动体的1/10 000时的载荷。,滚动轴承的

12、静强度校核公式：,当量静载荷P0：是一个假想载荷，在当量静载荷作用下，轴承的受载最大滚动体与滚道接触处的塑性变形总量与实际载荷作用下的塑性变形总量相同。 其作用方向与基本额定静负荷相同。,，由表11-14查取,对于向心轴承、角接触轴承，当量静载荷取下面两式中计算出的较大值,滚动轴承的极限转速,极限转速 :轴承在一定载荷和润滑条件下所允许的最高转速。,载荷系数 ：当轴承的当量动负荷P超过0.1C时,需将手册中的极限转速乘以小于1的系数。,载荷分布系数 ：当向心轴承受轴向载荷时,需将手册中查得的极限转速乘以小于1的系数。,极限转速为：,例题3(寿命计算),一个球轴承,要求可靠度为0.99(99),

13、当量动载荷P=11000N,应力循环次数为80106 求此轴承应有的额定动载荷C,a1,作业: 一个球轴承,要求可靠度为0.95(95),当量动载荷P=11000N,工作时间5年,每年按300天,每天16小时工作计算, 工作转速每分钟200转,求此轴承应有的额定动载荷C,13-5.轴承轴向力的大小和方向,有些轴承例如深沟球轴承,角接触球轴承等在受到径向力的时候会产生派生的轴向力(副作用).方向都是按接触角从开口的小端指向大端,小端,大端,小端,大端,小端指向大端,当约有半圈滚动体受载时，Fd计算如下：,角接触轴承中的派生轴向力Fd,派生轴向力,向心推力轴承在纯径向力Fr的作用下会产生派生轴向力

14、,由材力求反力方法可知：,例1：试判断轴承的松紧端及轴向载荷。,（1） Fd1=2500N，Fd2=1800N， FA=500N,（2） Fd1=1700N，Fd2=2200N， FA=600N,例1：试判断轴承的松紧端及轴向载荷。,（1） Fd1=2500N，Fd2=1800N， FA=500N,（2） Fd1=1700N，Fd2=2200N， FA=600N,作业:,滚动轴承的静承载能力,摆动、转速极低及短期受冲击的轴承会产生塑性变形。针对失效形式应进行静载荷计算。,基本额定静载荷C0：使受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值的载荷。, 当量静载荷P0 ：,P0=X0Fr

15、+Y0Fa, 静载荷计算:,S0静强度安全系数，可由设计手册查取。,国标规定，如向心球轴承为4200MPa,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。,13-6当量动载荷 P,的求取：,P = fP(XFr+YFa),同时受Fr 和Fa（6，3，7）,式中X径向载荷系数 Y轴向载荷系数 Fr、Fa轴承上的载荷,fP载荷系数,13-6 滚动轴承尺寸的选择,滚动轴承的当量动载荷,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）。,式中：Fr与Fa轴承实际承受的径向载荷与轴向载荷,X、Y

16、轴承的径向动载荷系数与轴向动载荷系数(查表）,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 f p 。,当量动载荷,P = fP (X Fr +Y F a),寿命计算,派生轴向力,Fd,Fa,Fa/Fr,X,Y,表示轴向载荷的相对大小,Fd=Fr/2Y,Fa,Fa/Fr,X,Y,P = fP (X Fr +Y F a),单列圆锥滚子轴承,表示轴向载荷的相对大小,深沟球轴承,70000C,表示轴向载荷的相对大小,单列角接触球轴承,例题1 某轴用两个30308轴承支撑,两轴承的径向载荷,求当量动载荷P(查手册Y=1.7,e=0.35),Fd=Fr /2Y,Fa,Fa/Fr,X,Y,P

17、 = fP (X Fr +Y F a),查手册Y=1.7,e=0.35,30000解题步骤,取,例题: 已知轴上齿轮的切向力Fte=2200N,径向力 Fre=900N,轴向力Fae=400N,齿轮分度圆直径d=314mm,转速n=520r/min,如果选用 7207C轴承,计算当量动载荷(中等冲击),200,300,200,300,V:,H:,Fd=eFr,对于70000C轴承而言,e事先不知道,初设0.4,解出:,插值得:,中等冲击查表:,70000C,查出C0; e=0.4,Fa,查表e,Fa/Fr,查表得X,Y,P = fP (X Fr +Y F a),改用6307轴承(C0=7880

18、N)?,深沟球轴承没有附加轴向力Fd,插值得e=0.25,查出C0,e,Fa/Fr,查表得X,Y,P = fP (X Fr +Y F a),60000,对1点取矩：Fre3L=Fr22L, 求两轴承的轴向载荷Fa1 、Fa2(方法1）,Fa1 = 2125 N,Fa2 = 1125 N, 求两轴承的轴向载荷Fa1 、Fa2 (方法2）, 求轴承的寿命 Lh, 求两轴承的当量动载荷 P1、P2,13-7轴承装置的设计,-冲压-软研磨（沟填） -强化,-研磨-检查,滚动轴承制造-滚动体,外圈外径磨削,-车削-强化-多重磨削工序-滚道研磨,外圈滚道磨床,端面磨床,孔磨削,内圈滚道磨床,滚道研磨,滚动

19、轴承制造-环,滚动轴承制造,保持架制造,装配,最后检查,1. 轴向固定,一、轴承的固定形式,注意： 轴肩的高度应低于轴承内圈的厚度； 轴颈处的圆角半径要小于外圈的倒角宽度； 具体尺寸可查课程设计手册P16。,拉拔器应卡住轴承内环均匀用力,如果拉拔器不能卡在轴承内环，就很可能对轴承造成伤害，为了尽量小损坏轴承，可以一边拉拔轴承一边旋转拉拔器,轴承拆卸,五、滚动轴承的安装与拆卸,装拆滚动轴承时，要特别注意以下两点： 1、不允许通过滚动体来传力，以免使滚道或滚动体造成损伤。 2、由于轴承的配合较紧，装拆时应使用专门的工具。,轴承拆卸,轴承拆卸,2. 周向固定：配合,滚动轴承的轴向紧固,滚动轴承的轴向

20、紧固是指将轴承的内圈或外圈相对于轴或轴承座实施紧固。,垫片,圆螺母,圆螺母,调整盘,二、 滚动轴承与轴颈和座孔的配合, 滚动轴承是标准 件，其内孔与外径配合 不必标注公差。内圈与 轴颈的配合是基孔制， 外圈与座孔为基轴制。, 圆柱公差中基准 孔的公差带在零线之上， 而轴承内圈孔的公差带 在零线之下，所以轴承 内圈与轴的配合比圆柱 公差标准中规定的基孔制同类配合要紧的多。,轴承外圈与外壳孔的配合与圆柱公差标准中规定的基轴制同类配合相比，配合性质基本一致，但由于轴承外经的公差值较小，因而配合也较紧。,正确选择轴承配合应保证轴承正常运转，防止内圈与轴、外圈与座孔在工作时发生相对转动,1）旋转的套圈（

21、一般指内圈），应选较紧的配合，要求回转精度越高，载荷和振动越大，应采用的配合越紧。一般选用n6、m6、k6、js6。 2）不旋转的套圈（一般指外圈），选较松的配合，使外圈有可能产生微小的周向位移，外圈的各部分能缓慢的轮换进入承载区，提高使用寿命。通常选用J7、H7。 3）游动端的轴承，当要求外圈在运转中能沿轴向移动时，外圈与座孔的配合应选较松的配合，一般用G7。 4）工作温度有较大变化时，内圈与轴颈应选较紧的配合，外圈与座孔应选松一点的配合。,在选择轴承配合时，注意考虑：,滚动轴承的配合,内圈与轴：基孔制(g，h，js，k，m，n，p，r) 外圈与孔：基轴制(H，J，JS，K，M，N，P),配

22、合种类： 过盈配合：转速高、载荷大、温度高、有振动、 内圈与轴一起转动,过渡配合：经常拆卸、 外圈静止、半圈受载,一个轴承限制一个方向的轴向位移，适合于普通工作温度下的短轴，预留间隙应使稳定工作时的径向间隙合适。,三、轴系的固定形式,1. 双支点单向固定,安装方式： 正装（面对面） 反装（背靠背),刚度好,刚度好,非悬臂,悬臂,轴承的配置,轴承的配置问题是指：对于一个轴系应采用几个轴承支承、如何支承、如 何配置等问题。常用的轴承配置方案有以下三类：,1.双支点各单向固定,1.双支点各单向固定,2. 单支点双向固定，另一支点游动：,适合跨距大的长轴或工作温度较高的轴。,一个支点双向固定以承受轴向

23、力、另一端游动。,适用于温度变化较大的长轴。,2.一支点双向固定，另一支点游动,2.一支点双向固定，另一支点游动,3. 两端游动支承,四、轴承预紧,目的：提高旋转精度、刚度，减小振动。 即安装时消除游隙，使轴承中保持一定轴向力。,游隙：滚动轴承中滚动体与内外圈滚道之间的间隙。,径向游隙：一个座圈不动，另一个座圈沿径向从一极端位置移至另一极限位置的移动量。,轴向游隙：一个座圈不动，另一个座圈沿轴向从一极端移至另一极限位置的移动量。,五、轴承游隙及轴上零件位置的调整,1. 轴承游隙的调整：,加减垫片的厚度,螺钉调整,方法,1. 轴承游隙的调整,加减垫片的厚度,螺钉调整,方法,圆螺母调整,目的：使轴上的零件具有准确的工作位置。,