轴承的讲解 滑动轴承 滚动轴承等 精品文档.ppt

第9章轴承 教学目标1 会选用滑动轴承的结构和材料 2 了解非液体摩擦滑动轴承的设计计算 3 掌握滚动轴承的分类 结构 类型 代号 4 掌握滚动轴承选择的方法 能进行寿命计算等 5 重点掌握滚动轴承的设计 第9 1节轴承的概述 轴承的功用1 支承轴及轴上零件 保持轴的旋转精度 减少旋转轴与支承之间的摩擦和磨损 2 按表面摩擦的性质 轴承分为滑动摩擦轴承和滚动摩擦轴承 如下图 第9 2节滑动轴承设计轴承是支撑轴的部件 按其工作时的摩擦性质可以分为滑动摩擦轴承 简称滑动轴承 和滚动摩擦轴承 简称滚动轴承 两大类 虽然滚动轴承有一系列优点 在一般机械中获得广泛的应用 但是在高速 高精度 重载 结构上要求剖分等场合下 滑动轴承则获得广泛使用 所以 本节主要讨论滑动轴承 9 2 1滑动轴承的特点 类型及应用 滑动轴承的运动形式是以轴颈与轴瓦相对滑动为主要特征 也即摩擦性质为滑动摩擦 实践表明 由于滑动轴承的润滑条件不同 会出现不同的摩擦状态 轴承工作面的摩擦状态分为干摩擦状态 边界摩擦状态 混合摩擦状态和流体摩擦状态四类 如图9 1所示 图9 1 两摩擦表面直接接触 相对滑动 又不加入任何润滑剂 称为干摩擦 两摩擦表面被流体 液体或气体 层完全隔开 摩擦性质仅取决于流体内部分子之间粘性阻力称为流体摩擦 两摩擦表面被吸附在表面的边界膜隔开 摩擦性质取决于边界膜和表面吸附性质的称为边界摩擦状态 实际上 干摩擦状态和边界摩擦状态很难精确区分 所以这两种摩擦状态也常常归并为边界摩擦状态 在实际应用中 轴承工作表面有时是边界摩擦和流体摩擦并存的混合状态 称为混合摩擦 边界摩擦和混合摩擦又常称为非液体摩擦 所以 滑动轴承按其摩擦性质可以分为液体滑动摩擦轴承和非液体滑动摩擦轴承两类 1 液体滑动摩擦轴承 由于在液体滑动轴承中 轴颈和轴承的工作表面被一层润滑油膜隔开 两零件之间没有直接接触 轴承的阻力只是润滑油分子之间的摩擦 所以摩擦系数很小 一般仅为0 001 0 008 这种轴承的寿命长 效率高 但是制造精度要求也高 并需要在一定的条件下才能实现液体摩擦 2 非液体滑动摩擦轴承 非液体滑动摩擦轴承的轴颈与轴承工作表面之间虽有润滑油的存在 但在表面局部凸起部分仍发生金属的直接接触 因此摩擦系数较大 一般为0 1 0 3 容易磨损 但结构简单 对制造精度和工作条件的要求不高 故此在机械中得到广泛使用 干摩擦的摩擦系数大 磨损严重 轴承工作寿命短 所以在滑动轴承中应力求避免 所以 高速长期运行的轴承要求工作在液体摩擦状态下 一般工作条件下轴承则维持在边界摩擦或混合摩擦状态下工作 因此本章主要讨论非液体滑动摩擦轴承 按照轴承承受的载荷分类可以分为 1 径向滑动轴承 主要承受径向载荷fr 2 止推滑动轴承 主要承受轴向载荷fa 如图9 2 2所示 图9 2 2 在机械中 虽然广泛采用滚动轴承 但在许多情况下又必须采用滑动轴承 因为滑动轴承的独特优点是滚动轴承不能代替的 主要优点是 1 结构简单 制造 加工 拆装方便 2 具有良好的耐冲击性和良好的吸振性能 运转平稳 旋转精度高 3 寿命长 但是也有其缺点 主要有 1 维护复杂 对润滑条件较高 2 边界润滑轴承 摩擦损耗较大 因而在大型汽轮机 发电机 压缩机 轧钢机及高速磨床上多采用滑动轴承 此外 在低速而带有冲击载荷的机器中 如水泥搅拌器 滚筒清砂机 破碎机等冲压机械 农业机械中也多采用滑动轴承 9 2 2滑动轴承的结构 1 径向滑动轴承常用的径向滑动轴承 我国已经制定了标准 通常情况下可以根据工作条件进行选用 径向滑动轴承可以分为整体式和剖分式 对开式 两大类 图9 2 3 1 整体式径向滑动轴承整体式滑动轴承 jb t2560 91 如图所示为整体式滑动轴承 它由轴承座和轴承套组成 轴承套压装在轴承座孔中 一般配合为h8 s7 轴承座用螺栓与机座联接 顶部设有安装注油油杯的螺纹孔 轴套上开有油孔 并在其内表面开油沟以输送润滑油 图9 2 3 这种轴承结构简单 制造成本低 但当滑动表面磨损后无法修整 而且装拆轴的时候只能作轴向移动 有时很不方便 有些粗重的轴和中间具有轴颈的轴 如内燃机的曲轴 就不便或无法安装 所以 整体式滑动轴承多用于低速 轻载和间歇工作的场合 例如手动机械 农业机械中 等 这类轴承座的标记为 hz 轴承座jb t2560 其中h表示滑动轴承座 z表示整体式 表示轴承内径 单位mm 标准规格为 hz020 140 2 剖分式滑动轴承剖分式滑动轴承是由轴承盖 轴承座 剖分轴瓦和螺栓组成 对开式二 四 螺栓正滑动轴承 jb t2561 91或jb t2562 91 如图所示 轴承座水平剖分为轴承座和轴承盖两部分 并用二 或四 个螺栓联接 为了防止轴承盖和轴承座横向错动和便于装配时对中 轴承盖和轴承座的剖分面做成阶梯状 对开式滑动轴承在装拆轴时 轴颈不需要轴向移动 装拆方便 另外 适当增减轴瓦剖分面间的调整垫片 可以调节轴颈与轴承之间的间隙 这种轴承所受的径向载荷方向一般不超过剖分面垂线左右35 的范围 否则应该使用斜剖分面轴承 为使润滑油能均匀地分布在整个工作表面上 一般在不承受载荷的轴瓦表面开出油沟和油孔 这类轴承轴瓦与座孔之间的配合为h8 m7 轴承座标记为 h2 轴承座jb2561 91 或h4 其中h表示滑动轴承座 2 4 表示螺栓数 表示轴承内径 单位mm 标准规格为h2030 h2160 h4050 h4220 对开式四螺栓斜滑动轴承 jb t2563 91 如图所示为对开式斜滑动轴承 轴承剖分面与水平面成45 角 轴承载荷的方向应位于垂直剖分面的轴承中心线左右35 的范围内 其特点与对开式正滑动轴承相同 轴承座的标记为 hx 轴承座jb t2563 91 其中h表示滑动轴承座 x表示斜座 表示轴承内径 单位mm 标准规格为hx050 hx220 图9 2 5 当轴颈较长 宽径比大于1 5 1 75 轴的刚度较小 或由于两轴承不是安装在同一刚性机架上 同心度较难保证时 都会造成轴瓦端部的局部接触 如图所示a 使轴瓦局部严重磨损 图9 2 6 为此可采用能相对轴承自行调节轴线位置的滑动轴承 称为自回滑动轴承 如图 这种滑动轴承的结构特点是轴瓦的外表面做成凸形球面 与轴承盖及轴承座上的凹形球面箱配合 当轴变形时 轴瓦可随轴线自动调节位置 从而保证轴颈和轴瓦为球面接触 图9 2 6 3 轴承与轴瓦结构整体式轴承中与轴颈配合的零件称为轴套 结构如图所示 分为不带挡边和带挡边的两种结构 其基本尺寸 公差参见gb2509 81或gb2510 81 图9 2 7 对开式轴承的轴瓦由上下两半组成 如图所示 为使轴瓦既有一定的强度 又有良好的减磨性 常在轴瓦内表面浇铸一层减磨性好的材料 如轴承合金 称为轴承衬 图9 2 8 图9 2 9 轴承衬应可靠的贴合在轴瓦表面上 为此可以采用如图所示的结合形式 图中涂黑层表示轴承衬 为了将润滑油引入轴承 并布满于工作表面 常在其上开有供油孔和油沟 供油孔和油沟应开在轴瓦的非承载区 否则会降低油膜的承载能力 如图9 2 10所示 图9 2 10 轴向油沟也不应在轴瓦全长上开通 以免润滑油自油沟端部大量泄漏 常见的油沟形式如图9 2 11所示 图9 2 11 对于一些重型机器的轴承轴瓦 其上常开设油室 它既可以使润滑空间增大 并有贮油和保证润滑油稳定应的作用 如图所示 图9 2 12 图9 2 13 2 推力滑动轴承推力滑动轴承用于承受轴向载荷 如图9 2 13所示为一简单的推力轴承结构 它由轴承座 套筒 径向轴瓦 止推轴瓦所组成 为了便于对中 止推轴瓦底部制成球面形式 并用销钉来防止它随轴颈转动 润滑油从底部进入 上部流出 最简结构如图9 2 14所示 图9 2 14 图9 2 14 由于工作面上相对滑动速度不等 越靠近边缘处相对滑动速度越大 磨损越严重 会造成工作面上压强分布不均匀 相对滑动端面通常采用环状端面 当载荷较大时 可采用多环 轴颈 如图14 11b所示 这种结构能够承受双向轴向载荷 对于14 11所示的结构多用于低速轻载的场合 9 2 3滑动轴承的失效形式及材料 一 滑动轴承的失效形式滑动轴承的失效形式通常由多种原因引起 失效的形式有很多种 有时几种失效形式并存 相互影响 1 磨粒磨损进入轴承间隙的硬颗粒物 如灰尘 砂砾等 有的嵌入轴承表面 有的游离于间隙中并随轴一起转动 它们都将对轴颈和轴承表面起研磨作用 在机器起动 停车或轴颈与轴承发生边缘接触时 他们都将加剧轴承磨损 导致几何行状改变 精度丧失 轴承间隙加大 使轴承性能在预期寿命前急剧恶化 2 刮伤进入轴承间隙的硬颗粒或轴颈表面粗糙的轮廓峰顶 在轴承伤划出线状伤痕 导致轴承因刮伤而失效 3 胶合 也称为烧瓦 当轴承温升过高 载荷过大 油膜破裂时 或在润滑油供应不足的条件下 轴颈和轴承的相对运动表面材料发生粘附和迁移 从而造成轴承损坏 有时甚至可能导致相对运动的中止 4 疲劳剥落在载荷反复作用下 轴承表面出现与滑动方向垂直的疲劳裂纹 当裂纹向轴承衬与衬背结合面扩展后 造成轴承衬材料的剥落 它与轴承衬和衬背因结合不良或结合力不足造成轴承衬的剥离有些相似 但疲劳剥落周边不规则 结合不良造成的剥离周边比较光滑 5 腐蚀润滑剂在使用中不断氧化 所生成的酸性物质对轴承材料有腐蚀性 特别对制造铜铝合金中的铅 易受腐蚀而形成点状剥落 氧对锡基巴氏合金的腐蚀 会使轴承表面形成一层由sno2和sno混合组成的黑色硬质覆盖层 它能擦伤轴颈表面 并使轴承间隙变小 此外 硫对含银或铜的轴承材料的腐蚀 润滑油中水分对铜铅合金的腐蚀 都应予以注意 以上列举了常见的几种失效形式 由于工作条件不同 滑动轴承还可出现气蚀 流体侵蚀 电侵蚀和微动磨损等损伤 从美国 英国和日本三家汽车厂统计的汽车用滑动轴承故障原因的平均比率来看 因不干净或由异物进入而导致故障的比率较大 二 轴承材料轴瓦与轴承衬的材料通称为轴承材料 针对以上所述的失效形式 轴承材料性能应着重满足以下主要要求 1 良好的减摩性 耐磨性和抗胶合性减摩性是指材料副具有低的摩擦系数 耐磨性是指材料的抗磨性能 通常以磨损率表示 抗胶合性是指材料的耐热性和抗粘附性 2 良好的摩擦顺应性 嵌入性和磨合性摩擦顺应性是指材料通过表层弹塑性变形来补偿轴承滑动表面初始配合不良的能力 嵌入性是指材料容纳硬质颗粒嵌入 从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能 磨合性是指轴瓦与轴颈表面经过短期轻载运转后 易于形成相互吻合的表面粗糙度 3 足够的强度和抗腐蚀能力 4 良好的导热性 工艺性 经济性等应该指出的是 没有一种轴承材料全面具备上述性能 因而必须针对各种具体的情况 仔细进行分析后合理选用 常用的材料可以分为三大类 1 金属材料 如轴承合金 铜合金 铝基合金和铸铁等 2 多孔质金属材料 3 非金属材料 如工程塑料 碳 石磨等 1 轴承合金 通称巴氏合金或白合金 轴承合金是锡 铅 锑 铜的合金 它以锡或铅作为基体 其内含有锑锡 sb sn 或铜锡 cu sn 的硬晶粒 硬晶粒起抗磨作用 软基体则增加材料的塑性 轴承合金的弹性模量和弹性极限都很低 在所有轴承材料中 它的嵌入性及摩擦顺应性最好 很容易和轴颈磨合 也不易与轴颈发生胶合 但轴承合金的强度很低 不能单独制作轴瓦 只能粘附在青铜 钢或铸铁轴瓦上作轴承衬 轴承合金适用于重载 中高速场合 价格较贵 2 铜合金铜合金具有较高的强度 较好的减磨性和耐磨性 由于青铜的减磨性和阿耐磨性比黄铜好 故青铜是最常用的材料 青铜有锡青铜 铅青铜和铝青铜等几种 其中锡青铜的减摩性和耐磨性最好 应用广泛 但锡青铜比轴承合金硬度高 磨合性及嵌入性差 适用于重载及中速场合 铅青铜抗胶合能力强 适用于高速 重载轴承 铝青铜的强度及硬度较高 抗胶合能力较差 适用于低速重载轴承 在一般机械中有50 的滑动轴承采用青铜材料 3 铝基轴承合金铝基轴承合金在许多国家获得了广泛的应用 它有相当好的耐蚀性和较高的疲劳强度 摩擦性也较好 这些品质使铝基轴承合金在部分领域取代了较贵的轴承合金和青铜 铝基轴承合金可以制成单金属零件 如轴套 轴承等 也可以制成双金属零件 双金属轴瓦以铝基轴承合金为轴承衬 以钢作衬背 4 灰铸铁和耐磨铸铁普通灰铸铁或加有镍 铬钛等合金成分的耐磨灰铸铁 或者是球墨铸铁 都可以用作轴承材料 这类材料中的片状或球状石墨在材料表面上覆盖后 可以形成一层起润滑作用的石墨层 故具有一定的减摩性和耐磨性 此外石墨能吸附碳氢化合物 有助于提高边界润滑性能 故采用灰铸铁作轴承材料时应加润滑油 由于铸铁性脆 磨合性能差 故只适用于轻载低速和不受冲击载荷的场合 5 多孔质金属材料这是不同于金属粉末经压制 烧结而成的轴承材料 这种材料是多孔结构的 孔隙约占体积的10 35 使用前先把轴瓦在加热的油中浸渍数小时 使孔隙中充满润滑油 因而通常把这种材料制成的轴承称为含油轴承 它具有自润滑性 工作时 由于轴颈转动的抽吸作用及轴承发热时油的膨胀作用 油便进入摩擦表面间起润滑作用 不工作时 因毛细管作用 油便被吸回到轴承内部 故在相当长的时间内 即使不加油仍能和好的工作 如果定期给以供油 则使用效果更好 但由于其韧性较小 故宜用于平稳无冲击载荷及中低速情况 常用的有多孔铁和多孔质青铜 多孔铁常用来制作磨粉机轴套 机床油泵衬套 内燃机凸轮轴衬套等 多孔质青铜常用来制作电唱机 电风扇 纺织机械及汽车发电机的轴承 我国也有专门制造含油轴承的生产厂家 需用时可根据设计手册选用 5 非金属材料非金属材料中应用最广的是各种塑料 如酚醛树脂 尼龙 聚四氟乙烯等 聚合物的特性是 与许多化学物质不起反应 抗腐蚀性好 例如聚四氟乙烯 ptee 能抗强酸和弱碱 具有一定的自润滑性 可以在无润滑条件下工作 在高温条件下具有一定的润滑能力 具有包容异物的能力 嵌入性好 不宜擦伤配合零件表面 减摩性及耐磨性比较好 选择聚合物作轴承材料时 必须注意以下一些问题 由于聚合物的热传导能力差 只有钢的百分之几 因此必须考虑摩擦热的消散问题 它严格限制着聚合物轴承的工作转速及压力值 又因为聚合物的线胀系数比钢大的多 因此聚合物轴承与钢制轴颈的间隙比金属轴承的间隙大 此外聚合物材料的强度和屈服极限较低 因而在装配和工作时能承受的载荷有限 另外聚合物在常温下回产生蠕变现象 因而不宜用来制作间隙要求严格的轴承 碳 石墨是电机电刷的常用材料 也是不良环境中的轴承材料 碳 石墨是由不同量的碳和石墨构成的人造材料 石墨含量越多 材料越软 摩擦系数越小 可在碳 石墨材料中加入金属 聚四氟乙烯或二硫化钼组分 也可以浸渍液体润滑剂 碳 石墨轴承具有自润滑性 它的自润性和减摩性取决于吸附的水蒸气量 碳 石墨和含有碳轻化合物的润滑剂有亲和力 加入润滑剂有助于提高其边界润滑性能 此外 它还可以作水润滑的轴承材料 橡胶主要用于以水作润滑剂或环境较脏污之处 橡胶轴承内壁上带有纵向沟槽 便于润滑剂的流通 加强冷却效果并冲走脏物 木材具有多孔质结构 可用填充剂来改善其性能 填充聚合物能提高木材的尺寸稳定性和减少吸湿量 并能提高强度 采用木材 以溶于润滑油的聚乙烯作填充剂 制成的轴承 可在灰尘极多的条件下工作 例如用作建筑 农业中使用的带式输送机支撑滚子的滑动轴承 第9 3节滚动轴承设计滚动轴承是机器上一种重要的通用部件 它依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件 具有摩擦阻力小 容易起动 效率高 轴向尺寸小等优点 而且由于大量标准化生产 具有制造成本低的优点 因而在各种机械中得到了广泛的使用 滚动轴承已经标准化 由专门的工厂大量生产 在机械设计中 我们的主要工作就是根据具体的工作条件正确的选用轴承的类型和尺寸 并进行轴承安装 调整 润滑 密封等轴承组合的结构设计 第9 3节滚动轴承概述 一 滚动轴承的构造 内圈 外圈 滚动体 保持架 滚动轴承 滚动体的形状 二 滚动轴承的材料 三 滚动轴承的特点 9 4滚动轴承的类型与选择 一 滚动轴承的主要类型与特点 接触角 向心轴承 径向力 向心角接触轴承 推力角接触轴承 推力轴承 径向力 主要 轴向力 径向力轴向力 主要 轴向力 滚子轴承 承载能力高 极限转速低 按滚动体形状 球轴承 承载能力低 极限转速高 常用滚动轴承的类型 表9 2 p294 最常用几种 深沟球轴承 向心球轴承 6 角接触球轴承 7 圆锥滚子轴承 3 二 滚动轴承的代号 前置代号 字母 基本代号 数字 字母 后置代号 字母 数字 五四三二一 轴承分部件代号 内径代号 宽度系列代号 直径系列代号 类型代号 其他代号 公差等级代号 特殊轴承材料代号 保持架及材料代号 密封与防尘代号 内部结构代号 游隙代号 1 基本代号 1 轴承类型 13567n 深沟球轴承 圆锥滚子轴承 角接触球轴承 调心球轴承 圆柱滚子轴承 推力球轴承 基本代号右起五位 2 尺寸系列 基本代号右起三 四位 宽度系列 右起第四位 0系列 正常宽度 可省略 有时1系列也可省略见294页表2 数字0 9 直径系列 右起第三位 数字0 9 3 轴承的内径 右起一二位数字 a d 10 12 15 17mm时 代号00010203 b d 20 480mm时 d 代号 5 mm c d500mm d 22 28 32mm时 代号 内径尺寸 直径代号 内径代号 2 前置代号 表示轴承的分部件 用字母表示 尺寸系列 l k r nu ws gs 3 后置代号 轴承的结构 公差 游隙及材料的特殊要求等 1 内部结构代号 c ac b 角接触球轴承的接触角 2 密封 防尘与外部形状变化代号 3 轴承的公差等级 精度高 低 代号 p2 p4 p5 p6 p6x p0 公差等级24566x0 普通级可省略 滚动轴承的代号 4 轴承的径向游隙 5 保持架代号 三 滚动轴承类型的选择 工作载荷 转速 支承刚性 安装精度 1 n高 载荷小 旋转精度高 球轴承 n低 载荷大 或冲击载荷 滚子轴承 2 主要受fr 向心轴承 主要受fa n不高时 推力轴承 角接触球轴承7类 n较高时 同时受fr和fa均较大时 圆锥滚子轴承3类 n较低时 fr较大 fa较小时 fa较大 fr较小时 3 要求n nlim 极限转速 6 7 n nlim较高 5 nlim较低 4 轴的刚性较差 轴承孔不同心 调心轴承 深沟球轴承 深沟球轴承 推力球轴承推力角接触轴承 5 便于装拆和间隙调整 内 外圈不分离的轴承 6 3 7两类轴承应成对使用 对称安装 7 旋转精度较高时 较高的公差等级和较小的游隙 8 优先考虑用普通公差等级的深沟球轴承 滚动轴承的选择 常见的轴承内部结构代号及公差等级代号见下表 1 内部结构代号 2 轴承公差代号 其精度等级按上表中的顺序依次提高 其它各符号的含义可以查阅gb t272 93 此处我们就不作过多介绍了 例 试说明轴承代号6206 32315e 7312c及51410 p6的含义 解 6206 从左至右 6深沟球轴承 2尺寸系列代号 直径系列为2 宽度系列为0 省略 06为轴承内径30mm 公差等级为0级 32315e 从左至右 3为圆锥滚子轴承 23为尺寸系列代号 直径系列为3 宽度系列为2 15为轴承内径75mm e加强型 公差等级为0级 7312c 从左至右 7为角接触球轴承 3为尺寸系列代号 直径系列为3 宽度系列为0 省略 12为轴承内径60mm c公称接触角 15 公差等级为0级 51410 p6 从左至右 5为双向推力轴承 14为尺寸系列代号 直径系列为4 了宽度系列为1 10为轴承直径50mm p6前有 为轴承公差等级 9 5滚动轴承的受力分析 失效形式及计算准则 一 滚动轴承的载荷分布 1 受轴向载荷fa 各滚动体平均分担 2 受径向载荷fr 上半圈滚动体不受力下半圈滚动体受力 3 角接触轴承同时受fr和fa 1 角接触轴承的派生轴向力fs fs 1 25frtg fs方向 有使内 外圈分离的趋势 要成对使用 对称安装 2 轴向载荷对载荷分布的影响 当只有最下面一个滚动体受载时 载荷角 fa与fr的合力f与径向平面的夹角 受载滚动体增多时 在同样fr作用下 派生轴向力fs 多个滚动体受载派生的轴向力的合力 只有一个滚动体受载时派生的轴向力 轴向力 单个滚动体受载产生的派生轴向力 多个滚动体受载的条件 结论 1 角接触轴承及圆锥滚子轴承必须在fr和fa的联合作用下工作 或成对使用对称安装 2 为使更多的滚动体受载应使 3 fr不变时 fa由最小值 一个滚动体受载 逐渐增大 即载荷角增大 则受载滚动体数 当时 下半圈滚动体受载 4 实际工作时 至少达到下半圈滚动体受载 安装3和7类轴承不能有较大的轴向窜动量 二 轴承工作时轴承元件上载荷与应力的变化 滚动体 不稳定脉动循环变应力 固定套圈 稳定的脉动循环变应力 三 滚动轴承的失效形式和计算准则 主要失效形式 1 疲劳点蚀 安装润滑和维护良好 2 塑性变形 转速很低或作间歇摆动 3 磨损 润滑不良 密封不严 多尘条件 计算准则 一般轴承 疲劳寿命计算 针对点蚀 静强度计算 低速或摆动轴承 只进行静强度计算 高速轴承 进行疲劳寿命计算 校验极限转速 滚动轴承的制造和组装 四 滚动轴承的动载荷和寿命计算 1 基本额定寿命和基本额定动载荷 1 基本额定寿命l10 轴承寿命 基本额定寿命l10 同一批轴承在相同工作条件下工作 其中90 的轴承在产生疲劳点蚀前所能运转的总转数l10 以106为单位 或一定转速下的工作时数lh 轴承的基本额定寿命l10 1时 轴承所能承受的载荷 2 基本额定动载荷c 由试验得到 2 滚动轴承的当量动载荷p 实际载荷 1 对只能承受径向载荷fr的轴承 n na轴承 p fr 3 同时受径向载荷fr和轴向载荷fa的轴承 2 对只能承受轴向载荷fa的轴承 5和8 p fa p xfr yfa x 径向载荷系数y 轴向载荷系数 表13 5 引入载荷系数fp表13 6 p fpfrp fpfap fp xfr yfa 3 滚动轴承的寿命计算公式 载荷与寿命的关系 3球轴承 10 3滚子轴承 寿命指数 代入一组数据求解 p cl10 1 106r 或 当工作t 120 时 因金属组织硬度和润滑条件等的变化 轴承的基本额定动载荷c有所下降 引入温度系数ft 表13 7 当p n已知 预期寿命为lh 则要求选取的轴承的额定动载荷为 选轴承型号和尺寸 4 角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向载荷fa的计算 1 派生轴向力大小方向 a 正装 面对面 适合于传动零件位于两支承之间 b 反装 背靠背 适合于传动零件处于外伸端 2 实际轴向载荷fa的确定 1 当 轴有向左移动的趋势 轴承1被 压紧 轴承2被 放松 轴承1上的派生轴向力由fs1增大到fa fs2 阻止轴左移 轴承2上的轴向力 力平衡 本身的派生轴向力 轴承1的实际轴向载荷为 2 当 轴有右移的趋势 轴承2被 压紧 轴承1被 放松 轴承2上的派生轴向力由fs2增大到fa fs1 阻止轴右移 轴承2实际所受的轴向力为 轴承1实际所受的轴向力 由力的平衡条件 本身派生轴向力 结论 实际轴向力fa的计算方法 1 分析轴上派生轴向力和外加轴向载荷 判定被 压紧 和 放松 的轴承 2 压紧 端轴承的轴向力等于除本身派生轴向力外 轴上其他所有轴向力代数和 3 放松 端轴承的轴向力等于本身的派生轴向力 5 不稳定载荷和转速下的轴承寿命计算 载荷p和转速n变化时 求平均当量转速nm和平均当量动载荷pm 求轴承寿命 六 不同可靠度时滚动轴承的寿命lh 为计算不同可靠度时轴承的寿命 引入寿命修正系数a1 五 滚动轴承的静载荷与极限转速 一 滚动轴承的静载荷 1 基本额定静载荷c0 当轴承转速很低或作间歇摆动时 轴承的失效形式为塑性变形 2 按静载选择轴承的条件 二 滚动轴承的极限转速nlmin 轴承实际许用转速为 高速轴承 9 6滚动轴承的组合结构设计 一 滚动轴承支承的结构型式 1 两端固定支承 一端单向固定 两端单向固定 正装 3 7类轴承在大端轴向固定 正装 2 一端双向固定 一端游动 3 两端游动 人字齿轮高速主动轴 低速齿轮轴必须两端固定 圆柱滚子轴承的游动 深沟球轴承的游动 二 滚动轴承的轴向固定 内圈与轴 5 开口圆锥紧定套 圆螺母和止动垫圈 1 轴肩 2 轴用弹性挡圈 3 轴端档圈 紧固螺钉 4 圆螺母 止动垫圈 外圈与座孔 1 孔用弹性挡圈 2 轴承外圈止动槽内嵌入止动环固定 3 轴承端盖 4 轴承座孔凸肩 5 螺纹环 6 轴承套环 斜齿轮轴系安装 锥齿轮轴系安装 三 支承的刚度和座孔的同心度 提高支承刚度的措施 1 增加轴承座孔的壁厚 2 减小轴承支点相对于箱体孔壁的悬臂 3 采用加强筋加强支承部位的刚性 保证轴上两个支承的座孔的同心度的方法 1 整体机座 两轴承座孔一次镗出 2 如轴上两轴承外径不同 采用套杯结构 四 滚动轴承游隙和轴系轴向位置的调整 通过带螺纹的零件或端盖下的垫片来调节 轴承的调整 1 轴承游隙的调整 2 轴系轴向位置的调整 注意 圆锥齿轮和蜗杆必须调整轴系的轴向位置 方法 调整套杯端面与轴承座端面间垫片厚度 五 滚动轴孔的配合 轴承内圈与轴 松 紧js6 j6 k6 m6 n6 松 紧g7 h7 js7 j7 轴承外圈与轴承座孔 基孔制 基轴制 5 与空心轴配合的轴承应取较紧的密合 滚动轴承配合的选择原则 1 转动圈比不动圈配合松一些 2 高速 重载 有冲击 振动时 配合应紧一些 载荷平稳时 配合应松一些 3 旋转精度要求高时 配合应紧一些 4 常拆卸的轴承或游动套圈应取较松的配合 六 滚动轴承的预紧 预紧的目的 预紧原理 常用预紧方法 1 用垫片和长短隔套预紧 2 夹紧一对磨窄了的外圈 或内圈 的角接触轴承 3 夹紧一对圆锥滚子轴承 4 利用弹簧预紧 七 滚动轴承的装拆 要求 1 压力应直接加于配合较紧的套圈上 2 不允许通过滚动体传递装拆力 3 要均匀施加装拆力 拆卸 安装 轴肩高度应低于轴承内圈高度 八 滚动轴承的润滑 润滑方式 1 脂润滑 2 油润滑 油浴或飞溅润滑 滴油润滑 喷油润滑 油雾润滑 3 固体润滑 九 滚动轴承的密封 密封的作用 密封的类型 1 接触式密封 毡圈密封 橡胶密封 2 非接触式密封 油沟密封 甩油密封 曲路密封 3 组合式密封 9 7滚动轴承与滑动轴承的比较 在设计机器轴承部件时 首先遇到的问题是采用滚动轴承还是滑动轴承的问题 因此 全面比较和了解两种轴承的性能 有助于正确地选用轴承 滚动轴承与滑动轴承地性能比较见下表 9 3 1滚动轴承的结构 类型和代号 一 滚动轴承的基本结构滚动轴承严格来说是一个组合标准件 其基本结构如图所示 它主要有内圈 外圈 滚动体和保持架等四个部分所组成 通常其内圈用来与轴颈配合装配 外圈的 外径用来与轴承座或机架座孔相配合装配 有时也有轴承内圈与轴固定不动 外圈转动的场合 图9 3 1 作为转轴支撑的滚动轴承 显然其中的滚动体是必不可少的元件 有时为了简化结构 降低成本造价 可根据需要而省去内圈 外圈 甚至保持架等 这时滚动体直接与轴颈和座孔滚动接触 例如自行车上的滚动轴承就是这样的简易结构 当内 外圈相对转动时 滚动体即在内外圈的滚道中滚动 常见的滚动体形状如图9 3 2所示 有 图9 3 2 滚动轴承的内 外圈和滚动体一般采用轴承铬钢 如gcr9 gcr15 gcr15simn等 经淬火制成 硬度hrc60以上 保持架使滚动体均匀分布在圆周上 其作用是 避免相邻滚动体之间的接触 保持架有冲压式和实体式两种 冲压式 用低碳钢冲压制成 实体式 用铜合金 铝合金或工程塑料 具有较好的定心精度 适用于较高速的轴承 二 滚动轴承的主要类型及性能滚动轴承的分类依据主要是其所能承受的载荷方向 或公称接触角 和滚动体的种类 所以滚动轴承的一个重要参数就是接触角 接触角的概念 滚动体和套圈接触处的法线与轴承径向平面 垂至于轴承轴心线的平面 之间的夹角 称为公称接触角 越大 则轴承承受轴向载荷的能力就越大 按轴承的内部结构和所能承受的外载荷或公称接触角的不同 滚动轴承分为 1 向心轴承 也称径向轴承 主要或只能承受径向载荷的滚动轴承 其公称压力角为0 45 向心轴承按公称接触角的不同又可以分为0 的向心轴承 如深沟球轴承 圆柱滚子轴承和滚针轴承等 向心轴承按公称接触角的不同又可以分为 1 径向接触轴承 公称接触角为0 的向心轴承 如深沟球轴承 圆柱滚子轴承和滚针轴承等 其中深沟球轴承除了主要承受径向载荷外 同时还可以承受一定的轴向载荷 双向 在高转速时甚至可以代替推力轴承来承受纯轴向载荷 因此有时也把它看作向心推力轴承 它的设计计算也与后述的向心推力轴承 角接触球轴承 圆锥滚子轴承类似 与尺寸相同的其它轴承相比 深沟球轴承具有摩擦因数小 极限转速高的优点 并且价格低廉 故获得了最为广泛的应用 2 向心角接触轴承 公称接触角在0 45 的向心轴承 如角接触球轴承 圆锥滚子轴承 调心轴承等 两种调心轴承在主要承受径向载荷的同时 也可以承受不大的轴向载荷 其主要特点在于 允许内外圈轴线有较大的偏斜 2 3 因而具有自动调心的功能 可以适应轴的挠曲和两轴承孔的同轴度误差较大的情况 2 推力轴承 主要用于承受轴向载荷的滚动轴承 其公称接触角为45 90 推力轴承按公称接触角的不同又分为 1 轴向接触轴承 公称接触角为90 的推力轴承 如推力球轴承等 2 推力角接触轴承 公称接触角为45 到90 的推力轴承 如推力角接触轴承等 按照承受单向轴向力和双向轴向力可以分为单列和双列推力轴承 3 向心推力轴承 这类轴承包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承 可以同时承受径向载荷和较大的轴向载荷 在工程上常用的滚动轴承五类 深沟球轴承 圆柱滚子轴承 单列推力球轴承 角接触球轴承和圆锥滚子轴承 各类轴承的承载性能见教材表格所列 需要在以上类型中补充代号 三 滚动轴承的代号 必须掌握 滚动轴承的种类很多 而各类轴承又有不同结构 尺寸和公差等级等 为了表征各类轴承的不同特点 便于组织生产 管理 选择和使用 国家标准中规定了滚动轴承代号的表示方法 由数字和字母所组成 滚动轴承的代号有三个部分代号所组成 前置代号 基本代号和后置代号 见下表 1 基本代号基本代号是表示轴承主要特征的基础部分 也是我们应着重掌握的内容 包括轴承类型 尺寸系列和内径 类型代号用阿拉伯数字 以下简称数字 或大些拉丁字母 简称字母 表示 个别情况下可以省略 尺寸系列是是由轴承的直径系列代号和宽 高 度系列代号组合而成 用两位数字表示 宽度系列是指径向轴承或向心推力轴承的结构 内径和直径都相同 而宽度为一系列不同尺寸 依8 0 1 6次序递增 推力轴承的高度依7 9 1 2顺序递增 当宽度系列为0系列时 多数轴承在代号种可以不予标出 但对调心轴承需要标出 用基本代号右起第四位数字表示 直径系列表示同一类型 相同内径的轴承在外径和宽度上的变化系列 用基本代号右起第三位数字表示 滚动体尺寸随之增大 即按7 8 9 0 1 5顺序外径尺寸增大 如图所示 图9 3 3 内径代号是用两位数字表示轴承的内径 内径d 10 480mm的轴承内径表示方法见下表 其它有关尺寸的轴承内径需查阅有关手册和标准 用基本代号右起第一 二两位位数字表示 2 前置代号 后置代号前置 后置代号是轴承在结构形状 尺寸 公差 技术要求等有改变时 在基本代号左右添加的补充代号 前置代号用字母表示 用以说明成套轴承部件的特点 一般轴承无需作此说明 则前置代号可以省略 后置代号用字母和字母 数字的组合来表示 按不同的情况可以紧接在基本代号之后或者用 符号隔开 其含义见轴承代号表格所示 常见的轴承内部结构代号及公差等级代号见下表 1 内部结构代号 2 轴承公差代号 其精度等级按上表中的顺序依次提高 其它各符号的含义可以查阅gb t272 93 此处我们就不作过多介绍了 例 试说明轴承代号6206 32315e 7312c及51410 p6的含义 解 6206 从左至右 6深沟球轴承 2尺寸系列代号 直径系列为2 宽度系列为0 省略 06为轴承内径30mm 公差等级为0级 32315e 从左至右 3为圆锥滚子轴承 23为尺寸系列代号 直径系列为3 宽度系列为2 15为轴承内径75mm e加强型 公差等级为0级 7312c 从左至右 7为角接触球轴承 3为尺寸系列代号 直径系列为3 宽度系列为0 省略 12为轴承内径60mm c公称接触角 15 公差等级为0级 51410 p6 从左至右 5为双向推力轴承 14为尺寸系列代号 直径系列为4 了宽度系列为1 10为轴承直径50mm p6前有 为轴承公差等级 9 3 2滚动轴承的类型选择 滚动轴承的类型很多 因此选用轴承首先是选择类型 而选择类型必须依据各类轴承的特性 在教材表格中的最后一列中给出了各类轴承的性能特点 供我们选用时参考 也可以查阅相关手册 同时 我们在选用轴承时还要考虑下面几个方面的因素 一 轴承所受的载荷 大小 方向和性质 受纯径向载荷时应选用向心轴承 如60000 n0000 nu0000型等 受纯轴向载荷应选用推力轴承 如50000型 对于同时承受径向载荷r和轴向载荷a的轴承 应根据两者 a r 的比值来确定 若a相对于r较小时 可选用深沟球轴承 60000型 或接触角不大的角接触球轴承 70000c型 及圆锥滚子轴承 30000型 当r相比较大时 可选用接触角较大的角接触球轴承 70000ac型或70000c型 当a比r大很多时 则应考虑采用向心轴承和推力轴承的组合结构 以分别承受径向载荷和轴向载荷 在同样外廓尺寸的条件下 滚子轴承比球轴承的承载能力和抗冲击能力要大 故载荷较大 有振动和冲击时 应优先选用滚子轴承 反之 轻载和要求旋转精度较高的场合应选择球轴承 同一轴上两处支承的径向载荷相差较大时 也可以选用不同类型的轴承 二 轴承的转速在一般转速下 转速的高低对类型选择不发生什么影响 只有当转速较高时 才会有比较显著的影响 在轴承样本中列入了各种类型 各种尺寸轴承的极限转速nlim值 这个极限转速是指载荷 c为基本额定动载荷 后面我们再讲 冷却条件正常 且为0级公差时的最大允许转速 所以 一般必须保证轴承在低于极限转速条件下工作 但注意 nlim值并不是一个不可超越的界限 1 球轴承比滚子轴承的极限转速高 所以在高速情况下应选择球轴承 2 当轴承内径相同 外径越小则滚动体越小 产生的离心力越小 对外径滚道的作用也小 所以 外径越大极限转速越低 3 实体保持架比冲压保持架允许有较高的转速 4 推力轴承的极限转速低 所以当工作转速较高而轴向载荷较小时 可以采用角接触球轴承或深沟球轴承 三 调心性能的要求对于因支点跨距大而使轴刚性较差 或因轴承座孔的同轴度低等原因而使轴挠曲时 为了适应轴的变形 应选用允许内外圈有较大相对偏斜的调心轴承 例如10000系列和20000系列的调心球轴承可以在内外圈产生不大的相对偏斜时正常工作 在使用调心轴承的轴上 一般不宜使用其它类型的轴承 以免受其影响而失去了调心作用 滚子轴承对轴线的偏斜最敏感 调心性能差 在轴的刚度和轴承座的支撑刚度较低的情况下 应尽可能避免使用 四 拆装方便等其它因素选择轴承类型时 还应考虑到轴承装拆的方便性 安装空间尺寸的限制以及经济性问题 例如 在轴承的径向尺寸受到限制的时候 就应选择同一类型 相同内径轴承中外径较小的轴承 或考虑选用滚针轴承 在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸时 应优先选择内 外圈可分离的轴承 球轴承比滚子轴承便宜 在能满足需要的情况下应优先选用球轴承 同型号不同公差等级的轴承价格相差很大 故对高精度轴承应慎重选用 等等 9 3 3滚动轴承的设计计算 选择方法 滚动轴承的设计计算要解决的问题可以分为两类 1 对于已选定具体型号的轴承 求在给定载荷下不发生点蚀的使用期限 即寿命计算 2 在规定的寿命期限内和给定载荷情况下选取某一具体轴承的型号 即选型设计 滚动轴承尺寸选择的基本理论是通过对轴承在实际使用的破坏形式进行总结而建立起来的 所以首先我们必须了解滚动轴承的失效形式 一 失效形式和设计准则 1 疲劳点蚀实践表明 在安装 润滑 维护良好的条件下 滚动轴承的正常失效形式是滚动体或内 外圈滚道上的点蚀破坏 成因是由于大量地承受变化的接触应力 滚动轴承在运转过程中 相对于径向载荷方向的不同方位处的载荷大小是不同的 如图所示 图9 3 4 与径向载荷相反方向上有一个径向载荷为零的非承载区 而且滚动体与套圈滚道的接触传力点也随时都在变化 因为内圈或外圈的转动以及滚动体的公转和自转 所以滚动体和套圈滚道的表面受脉动循环变化的接触应力 在这种接触变应力的长期作用下 金属表层会出现麻点状剥落现象 这就是疲劳点蚀 在发生点蚀破坏后 在运转中将会产生较强烈的振动 噪音和发热现象 最后导致失效而不能正常工作 轴承的设计就是针对这种失效而展开的 2 塑性变形在特殊情况下也会发生其它形式的破坏 例如 压凹 烧伤 磨损 断裂等等 当轴承不回转 缓慢摆动或低速转动 n 10r min 时 一般不会产生疲劳损坏 但过大的静载荷或冲击载荷会使套圈滚道与滚动体接触处产生较大的局部应力 在局部应力超过材料的屈服极限时将产生较大的塑性 从而导致轴承失效 因此对与这种工况下的轴承需作静强度计算 虽然滚动轴承的其它失效形式 如套圈断裂 滚动体破碎 保持架磨损 锈蚀等 在公称是那股也时有发生 但只要制造合格 设计合理 安装维护正常 都是可以防止的 所以在工程上 我们主要以疲劳点蚀和压凹两类失效形式进行计算 3 设计准则由于滚动轴承的正常失效形式是点蚀破坏 所以对于一般转速的轴承 轴承的设计准则就是以防止点蚀引起的过早失效而进行疲劳点蚀计算 在轴承计算中称为寿命计算 对于不转动 摆动或转速低的轴承 要求控制塑性变形 应作静强度计算 而以磨损 胶合为主要失效形式的轴承 由于影响因素复杂 目前还没有相应的计算方法 只能采取适当的预防措施 二 滚动轴承的基本额定寿命和基本额定动载荷 上面我们已经多次提到轴承的寿命问题 那么到底轴承的寿命是一个什么概念呢 轴承的寿命就是 滚动轴承在点蚀破坏前所经历的转数 以106r为单位 或小时数 但是 由于制造精度 材料的差异 即使是同样的材料 同样的尺寸以及同一批生产出来的轴承 在完全相同的条件下工作 它们的寿命也不相同 也会产生和大得差异 甚至相差达到几十倍 因此对于轴承得寿命计算就需要采用概率和数理统计得方法来进行处理 即为在一定可靠度 能正常工作而不失效的概率 下的寿命 同一型号的轴承 在可靠度要求不同时其寿命也不同 即可靠度要求高时其寿命较短 可靠度要求低时其寿命较长 为了便于统一 考虑到一般机器的使用条件及可靠性要求 标准规定了基本额定寿命 一组在相同条件下运转的近于相同的轴承 按有10 的轴承发生点蚀破坏 而其余90 的轴承未发生点蚀破坏前的转数l10 以106r为单位 或工作小时数lh 也就是说 以轴承的基本额定寿命为计算依据时 轴承的失效概率为10 而可靠度为90 我们知道 对于一个具体的轴承 其结构 尺寸 材料都已确定 这时 如果工作载荷越大 产生的接触应力越大 从而发生点蚀破坏前所能经受的应力变化次数也就越少 折合成轴承能够旋转的次数也就越少 轴承的寿命也就越短 为了在计算时有一个基准 就引入了基本额定动载荷的概念 用符号cr表示 基本额定动载荷 是指轴承的基本额定寿命恰好为106r时 轴承所能承受的载荷值 对于向心及向心推力轴承指的是径向力 径向载荷 对于推力轴承指的是轴向力 基本额定动载荷代表了不同型号轴承的承载特性 已经通过大量的试验和理论分析得到 在轴承样本中对每个型号的轴承都给出了基本额定动载荷 在使用时可以直接查取 三 滚动轴承的寿命计算 上面我们介绍了基本额定动载荷和基本额定寿命的概念 但是 轴承工作条件是千变万化各不相同的 上面我们说过 我们在设计时会有两种情况出现 1 对于具有基本额定动载荷c的轴承 当它所受的载荷p 计算值 等于c时 其基本额定寿命就是106r 但是 当时 轴承的寿命是多少 2 如果我们知道轴承应该承受的载荷p 而且要求轴承的寿命为l 那么我们应如何选择轴承 很显然 当选定的轴承在某一确定的载荷p 下工作时 其寿命l将不同于基本额定寿命 如图9 3 5所示是6208轴承的载荷寿命曲线 曲线上各点代表不同载荷下轴承的载荷和寿命关系 经过大量的实验得出关系式 也就是 106r 对于球轴承 3 对于滚子轴承 10 3 图9 3 5 为了工程上的使用方便性 多用小时数表示寿命 若转速为n 则 小时 同样 如果我们已知载荷为p 转速为n 要求轴承的预期寿命为时 则由上式可以得到所需轴承的基本额定动载荷为 n 在轴承标准和样本中所得到的基本额定动载荷是在一般工作环境下而言的 如果工作在高温情况下 这些数值必须进行修正 也就是要乘上温度系数ft予以修正 求得在高温工况条件下的基本额定动载荷 自然 上面所讲述的公式发生相应的变化 得到 ft的具体数值见下表 四 滚动轴承的当量动载荷 轴承的工作条件千变万化 受载情况也往往与试验不一致 所以必须进行必要的换算 就像前面引入当量摩擦系数一样 我们在这里引入当量动载荷的概念 也就是说 如果轴承的承载情况与上述条件不一致时 我们必须把实际载荷换算为与上述条件等效的载荷 才能和c进行比较 这个经换算而得到的载荷是一个假定的载荷 就称为当量动载荷p 在此载荷的作用下 轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同 所以 在轴承的寿命计算公式中引入所有载荷p都是指的当量动载荷 对于只能承受轴向力a的推力轴承 p a 对于只能承受径向力r的向心轴承 p r 对于可以同时承受a和r的轴承 例如深沟球轴承 调心轴承和向心推力轴承 当量动载荷p应与实际作用的复合外载有同样的效果 即 其中 x 径向系数 y 轴向系数其选择按和两种情况由教材表中查取 利用上面的式子所求得的当量动载荷只是理论值 实际上机器的惯性 零件的不精确性及其它因素的影响 也必须给予修正 考虑上面的因素 我们引入载荷系数fp 见教材 所以 对应于三种情况分别有 五 向心推力轴承的轴向载荷计算 对于向心推力轴承而言 在承受径向载荷时 要派生出轴向力 为了求解这类轴承的当量动载荷 我们必须进一步研究其轴向载荷的计算方法 这类轴承在工作时 通常都是成对使用的 其安装方式有两种情况 见图9 3 6所示 图a所示的为背对背安装 也称为反装 图b的为面对面安装 也称为正装 由上图可以看出 两个轴承的径向载荷 可以由径向力平衡条件求出 相应的派生轴向力可以由下表所列的计算公式求出 注 其中e的数值可以查表得到 当在轴上作用有外载轴向力时 我们如果把派生轴向力的方向与的方向相一致的轴承记作2 另一端的轴承记作1 则当时 达到轴向平衡 若不满足上述关系时 就会出现两种情况 1 当时 因为轴承的位置已经确定 轴不可能窜动 所以在轴承1的内部也必然由外圈通过滚动体对轴施加一个轴向平衡反力 所以 轴承1实际承受的轴向载荷为 轴承2实际承受的轴向载荷为 2 当时 同上分析可以知道 综合以上分析可得 若的方向与上图中所示的方向相反 只需将派生轴向力与同向的轴承标为2 上述两式仍可应用 轴承反力的径向分力在轴心线上的作用点叫做轴承的压力中心 两种安装方式 对应两种不同的压力中心位置 但