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第二十章滚动轴承设计 滚动轴承依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件 具有摩擦阻力小 起动容易 效率高等优点 因而在各种机械中得到广泛的应用 滚动轴承已标准化 在一般机械设计中 只需根据具体工作条件正确地选择轴承的类型和尺寸 并进行轴承组合设计 轴承的作用 支承轴和轴上零件 型号 尺寸 选择 重点 类型选择 本章的主要内容 难点 角接触轴承轴向载荷FA的确定 轴承寿命计算 重点 2 滚动轴承部件组合设计 包括轴承内外圈固定 间隙调整 轴承配合 轴承装拆 润滑与密封等 重点 一 滚动轴承的基本结构 滚动轴承 rollingbearing 的基本结构由外圈 内圈 滚动体 rollingelement 和保持架 cage 组成 外圈 装在轴承座孔内 一般不转动 内圈 装在轴颈上 随轴转动 滚动体 滚动轴承的核心元件 保持架 将滚动体均匀隔开 避免摩擦 20 1概述 常用的滚动体形状 轴承内径d 轴承内圈孔径 它与轴颈直径相同 是轴承公称直径 轴承宽度B 轴承两端面间的轴向距离 轴承外径D 轴承外圈外径 它与轴承座孔直径相同 滚动轴承的主要尺寸 接触角是滚动轴承的一个主要参数 滚动轴承的分类以及受力分析都与接触角有关 二 滚动轴承的主要类型 轴承的公称接触角 滚动体与套圈接触处的法线与轴承的径向平面之间的夹角 反映轴承承受轴向载荷的能力 公称接触角 nominalcontactangle 越大 轴承承受轴向载荷的能力也越大 各类球轴承的接触角 按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角的不同分为 径向接触轴承 00 1 向心轴承 主要承受径向载荷 向心角接触轴承00 450 2 推力轴承 主要承受轴向载荷 轴向接触轴承 900 推力角接触轴承450 900 滚动轴承的主要类型和特点 1 调心球轴承 主承径向负荷FR 也能承受少量的双向轴向负荷FA 具有调心性能 0 50 20 2 调心滚子轴承 主承径向负荷FR也能承受少量的双向轴向负荷FA 具有调心性能 0 50 20 类型代号 10000 类型代号 20000 结构特点 内外圈可分离 3 推力调心滚子轴承 可承很大的轴向负荷FA和一定径向负荷FR 具有调心性能 允许轴线偏20 30 使用要求 成对使用 类型代号 30000 4 圆锥滚子轴承 能承受较大的径向负荷FR和单向的轴向负荷FA 类型代号 29000 正装 面对面安装 圆锥滚子轴承安装形式一 安装形式简图 反装 背对背安装 圆锥滚子轴承安装形式二 反装简图 5 推力球轴承 51000 单向推力球轴承 只能受单向FA 52000 双向推力球轴承 能受双向FA 51000 52000 结构特点 由紧圈 内孔较小 装在轴上 松圈 内孔较大 装在机座上 和滚动体组成 套圈与滚动体可分离 承载类型 只能受轴向负荷FA 6 深沟球轴承 承载类型 能同时承受径向负荷FR与单向轴向负荷FA 承载类型 主要承受径向负荷FR 也可同时承受少量双向轴向负荷FA 类型代号 60000 7 角接触球轴承 类型代号 70000 使用要求 成对使用 正装 面对面安装 角接触轴承安装形式一 正装简图 反装 背对背安装 角接触轴承安装形式二 反装简图 8 圆柱滚子轴承 承载类型 只能承受径向负荷FR 不能承受轴向负荷 结构特点 内外圈可分离 类型代号 外圈无挡边圆柱滚子轴承 N0000 双列圆柱滚子轴承 NN0000 N0000 NN0000 NA0000 9 滚针轴承 类型代号 NA0000 结构特点 内外圈可分离 可以没有保持架 承载类型 只能承受径向负荷FR 不能承受轴向负荷 轴承代号组成 由基本代号 前置代号 后置代号构成 三 滚动轴承的代号 1 基本代号 调心球轴承 1 1 类型代号 调心滚子轴承 2 推力调心滚子轴承 2 圆锥滚子轴承 3 推力球轴承 5 深沟球轴承 6 角接触球轴承 7 圆柱滚子轴承 N 滚针轴承 NA 2 尺寸系列代号 02 03 13 24 同一公称内径d 不同尺寸系列轴承的外径D和宽度B变化情况 3 轴承公称内径代号 d 10mm轴承 代号 00 d 12mm轴承 代号 01 d 15mm轴承 代号 02 d 17mm轴承 代号 03 d 20mm 480mm的轴承 d为 22 28 32及d 500mm以上轴承 代号 内径毫米 直接表示 1 基本代号 圆锥滚子轴承 3推力球轴承 5深沟球轴承 6角接触球轴承 7圆柱滚子轴承 N 窄 0 正常 1 宽 2 特低 7 低 9 正常 1 单向 正常 2 双向 轻 2 中 3 重 4 特宽 3特宽 4特宽 5特宽 6 d 20mm的轴承 d 10mm代号 00 d 12mm代号 01 d 15mm代号 02 d 17mm代号 03 d 20mm 480mm的轴承 d为 22 28 32及d 500mm以上轴承代号 内径毫米表示 特轻 0特轻 1 调心球轴承 1调心滚子轴承 2推力调心滚子轴承 29 滚针轴承 NA 2 后置代号 6 0 206 P0 33215E P0 解答 例1 试说明轴承代号6206 33215E 7312C及52412 P6的含义 7 0 312C P0 51410 P6 解答 例1 试说明轴承代号6206 33215E 7312C及52412 P6的含义 四 滚动轴承类型的选择 承轻 中及较小波动载荷的场合 选球轴承 承重及较大波动的载荷的场合 选滚子轴承 深沟轴承 6类 圆柱滚子轴承 N类 及滚针轴承 NA类 纯轴向负荷 可选用推力轴承 5类 径向负荷为主 可用深沟球轴承 6类 角接触球轴承 7类 圆锥滚子轴承 3类 可用推力调心滚子轴承 29类 也可用圆柱滚子N类 或深沟球轴承6类 与推力轴承 5类 联合使用 转速较高 负荷较小或要求旋转精度较高时 宜选用球轴承 转速较低 负荷较大或有冲击载荷时 宜选用滚子轴承 当两轴承座孔同心度难以保证 或轴受载后挠曲变形较大时 应选用调心球轴承或调心滚子轴承 三 调心性能的要求 四 安装和拆卸方便 一般 球轴承价格最低 滚子轴承比球轴承价格高 轴承精度愈高 则价格愈高 选择轴承时 在满足工作要求的前提下 应使成本最低 当轴承座不是剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承时 应优先选用内外圈可分离的轴承 五 考虑经济性 调心轴承简图 轴孔不平行调心轴承支承情况 轴孔不平行普通轴承支承情况 轴孔不同轴调心轴承支承情况 轴孔不同轴普通轴承支承情况 受载挠曲变形调心轴承支承情况 受载挠曲变形普通轴承支承情况 20 2滚动轴承的载荷 应力 失效形式和设计准则 一 滚动轴承的受力及应力分析 以深沟球轴承为例 当深沟球轴承承受径向力FR时 由于各接触点存在着弹性变形 使内圈沿FR方向下移一距离 只有下半圈滚动体受载 上半圈动体不受载 沿FR作用线上滚动体受载最大 FQ 而邻近的滚动体受载逐渐减小 FQ FQ1 FQ2 一 受力分析 二 轴承工作时元件上应力的变化 滚动体 当滚动体进入承载区后 所受负荷就由零逐渐增大到最大 然后 再逐渐减小到直至零 因此 对滚动体某一点而言 它的应力是周期性不稳定变化的 转动的内圈 其上各点的受载情况类似于滚动体 因此 旋转圈上任一点的应力是周期性不稳定变化的 固定的外圈 各点所受应力随位置不同而大小不同 对位于承载区内的任一点 当每个滚动体滚过一次便受载一次 而所受负荷和应力的最大值是不变的 承受稳定的脉动循环应力 滚动轴承工作时 一般是内圈转动 外圈固定 滚动体应力的变化 内圈应力的变化 外圈应力的变化 1 疲劳点蚀滚动轴承工作时 由于它的内圈 外圈和滚动体上任意点的接触应力都是变化的 工作一定时间后 其接触表面就可能发生疲劳点蚀 点蚀发生后 噪声和振动加剧 发热严重 致使轴承失效 一般在安装 润滑和密封正常的情况下 疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式 二 滚动轴承的失效形式及计算准则 一 失效形式 2 塑性变形转速很低或间歇往复摆动的轴承 一般不会发生疲劳点蚀 但在很大的静载荷或冲击载荷作用下 会使套圈滚道和滚动体接触处的局部应力超过材料的屈服极限 以致表面出现塑性变形 凹坑 运转精度降低 并会出现振动和噪声而不能正常工作 3 磨损在润滑不良和密封不严的情况下 轴承工作时易发生磨损 转速愈高 磨损愈严重 轴承磨损后会降低旋转精度 甚至失效 对一般工作条件下的回转滚动轴承 经常发生点蚀 主要进行寿命计算 必要时进行静强度校核 对于不转动 摆动或转速低 n 10r min 的轴承 要求控制塑性变形 只需进行静强度计算 对于高速轴承 由于发热而造成的粘着磨损 烧伤常常是突出的矛盾 除进行寿命计算外 还需校验极限转速 基本额定寿命 basicratinglife 一批相同的轴承 在相同的条件下运转 其中90 的轴承不发生疲劳点蚀前所转过的总转数 用L10表示 或用一定转速下运转的总小时效Lh表示 20 3滚动轴承的寿命计算 目的 防止轴承在预期工作时间内产生疲劳点蚀破坏 寿命 指轴承中任一滚动体或内 外圈滚道上出现疲劳点蚀前所经历的总转数或在一定转速下所工作的工作小时数 一 滚动轴承寿命计算的基本公式 P 当量动载荷 N L10 基本额定寿命 r 寿命指数 球轴承 3 滚子袖承 10 3 标准规定 在基本额定寿命L 106r 轴承能承受的载荷值称为基本额定动载荷 用C表示 则公式可写成P L10 C 106 故得 P L10 常数 n 轴承的工作转速 r min L10 基本额定寿命 r C 基本额定动载荷 N 当t 1200时 C值可查有关手册 当t 120 时 需引入温度系数ft来修正C值 则Ct C ft ft可查表20 8 L10 106 或 二 滚动轴承的当量动载荷 滚动轴承可能同时承受径向和轴向复合载荷 为了计算轴承寿命时能和基本额定动载荷在相同条件下比较 需要将此复合载荷下的实际工作载荷转化为径向当量动载荷 当量动载荷 其计算式为 P XFR YFA FR 名义径向载荷 FA 名义轴向载荷 X Y 径向动载荷系数和轴向动载荷系数 查表20 10 计算载荷 P fP XFR YFA 三 角接触球轴承及圆锥滚子轴承轴向载荷FA的计算 当圆锥滚子轴承只承受径向载荷FR 有一接触角 将产生一个内部轴向力FS FS的方向总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向 角接触球轴承及圆锥滚子轴承轴向载荷FA的计算 轴承I和 为面对面安装 作用于轴上各轴向力如图 分析 1 FS1 FA FS2 则轴有向右移动的趋势 使轴承 压紧 轴承I 放松 由力的平衡关系 轴承的 外圈上必有一个向左的附加轴向平衡力 FS 或 FS FS1 FA FS2 FS1 FA FS2 FS FS1 FA FS2 由此得两轴承的轴向力分别为 2 FS1 FA FS2 则轴有向左移动的趋势 使轴承I 压紧 轴承 放松 同理 轴承I的外圈上必有一个向右的附加轴向平衡力 FS FS1 FA FS FS2 或 FS FS2 FA FS1 计算轴向力的方法可归纳如下 1 判明轴上全部轴向力 包括外载荷和内部轴向力 合力的指向 确定 压紧 端和 放松 端轴承 3 放松 端轴承的轴向力等于它本身的内部轴向力 2 压紧 端轴承的轴向力等于除本身的内部轴向力外其他所有轴向力的代数和 20 4滚动轴承装置设计 为了保证轴承的正常工作 除了正确选择轴承的类型和尺寸外 还要合理地进行轴承部件的组合设计 润滑和密封 轴承的固定 调整 预紧 配合 装拆 轴承装置的设计 要解决的问题 1 两端固定式 一 滚动轴承的轴向固定 目的 防正轴向窜动 保证滚动体不至于因轴受热膨胀而卡住 常用于普通工作温度下的短轴 跨距L 400mm 由两个支承各限制轴沿着一个方向的轴向移动 即限制轴的双向移动 为使轴的伸长不致引起附加应力 在轴承盖与外圈端面之间留出热补偿间隙C 0 2 0 4mm 2 一端固定 一端游动式 之一 用于轴较长或工作温度较高时 轴的伸缩量大 为了补偿较大的热膨胀 采用一端固定 一端游动式 固定端 轴承外圈与端盖间留适当的间隙 游动端 2 一端固定 一端游动式 之二 固定端一对角接触球轴承 游动端圆柱滚子轴承 轴承外圈与端盖间不需留有间隙 但轴承外圈应作双向固定 以保证内圈和滚子相对于外圈作较大的轴向移动 二 滚动轴承装置的调整 1 轴承间隙的调整 2 轴系部件位置的调整 目的 使轴上零件得到准确助工作位置 轴承端盖和箱体之间的垫片用来调整轴承间隙 套杯和机体之间的垫片则用来调整小圆锥齿轮的轴向位置 2 轴系部件位置的调整 三 动轴承的预紧 1 利用金属垫片在内圈或外圈之间置以不同厚度的垫片 背对背 安装时 在两外圈间置一薄垫片 面对面 安装时 将垫片置于两内圈之间 消除游隙 在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形 以提高轴的旋转精度和刚度 2 采用磨窄内 或内 圈来预紧 背对背 安装时 磨窄内圈 面对面 安装时 磨窄外圈 外圈与座孔 采用基轴制 J7 J6 H7 G7 四 滚动轴承装置的配合及装拆 1 滚动轴承的配合 轴承的配合 应根据轴承的类型 尺寸 载荷 转速以及内外圈是否转动来确定 内圈与轴颈 采用基孔制 n6 m6 k6 js6 2 滚动轴承的装拆 轴肩高度通常不大于内圈高度的3 4 过高不便于轴承拆卸 否则 须在轴上制出沟槽以形成拆卸用的空间 轴承拆卸 轴肩处开槽结构 2 滚动轴承的装拆 五 滚动轴承装置的润滑和密封 1 滚动轴承的润滑 目的 减少摩擦阻力和减轻磨损 也有吸振 冷却 防锈和减少噪声 常用润滑剂 润滑脂和润滑油两种 按速度因数Dmn来决定 Dmn 2 105 3 105mm r min 润滑脂润滑 Dmn 6 105mm r min 喷油或油雾润滑 Dm 轴承的平均直径 mm n 轴承转速 r min 2 滚动轴承的密封 目的 阻止润滑剂从轴承中流失和防止外界灰尘 水分等侵入轴承 1 接触式密封 用于转速不高且轴表面硬度 40HRc 表面粗糙度Ra 0 8 m 1 毡图密封 如 a 图所示 结构简单 但摩擦较严重 用于V 4 5m s的油脂润滑结构 2 皮碗密封 如图 b 所示 密封安装方便 使用可靠 用于V 7m s的场合 接触式密封 a 毡图密封 b 皮碗密封 唇的方向朝向密封部位 主要目的防漏油 唇朝外 主要目的是防灰尘 2 皮碗密封 当采用两个皮碗密封相背放置时 则上述两个目的均可达到 2 皮碗密封 组合式密封 2 非接触式密封 多用于速度较高的情况 1 油沟式密封 如图 a 所示 结构简单 多用于V 5 6m s的场合 2 密宫式密封 如图 b 所示 用于环境比较脏场合 3 油环式与油沟式组合密封 如图 c 所示 用于高速场合 非接触式密封 1 段轴过长 顶住了轴端挡圈 带轮轴向固定不可靠 例题一 轴系结构设计中常见错误事例分析 1 2 3 2 套筒不应顶在固定的轴承盖上 影响轴系的正常工作 3 轴承盖与外伸轴段之间应有间隙 且轴承盖通孔与轴之间应有密封件 4 4 轴承盖螺钉孔与螺钉杆之间应留有间隙 5 6 7 8 9 10 11 12 13 图示减速器输入轴 dmin 25mm Z1 19 m 2mm 滚动轴承油润滑 5 箱体加工面与非加工面应分开 6 轴承盖与箱体之间应加调整垫片 7 不通螺纹孔画法错误 8 角接球轴承安装错误 面对面安装时 应使两端轴承外圈窄边相对 9 小齿轮齿根圆直径与轴径相近 不应该将齿轮与轴分开制造 10 轴肩过高 不便于轴承拆卸 11 轴承油润滑 箱体接合面凸缘上应设置导油沟 轴承盖应开槽 12 剖分式箱体 其轴承座旁应设置箱体与箱盖联接螺栓 13 轴承采用两端固定的轴向固定形式时 轴承内圈外侧无须轴向固定 5 6 1 段轴过长 顶住了轴端挡圈 带轮轴向固定不可靠 2 套筒不应顶在固定的轴承盖上 影响轴系