Ch13机械设计

1、第十三章 滚动轴承13-1 概述13-2 滚动轴承的主要类型和代号13-3 滚动轴承的类型选择13-4 滚动轴承的工作情况13-5 滚动轴承尺寸的选择13-6 轴承装置的设计13-7 滚动轴承与滑动轴承性能对照13-8 滚动轴承例题分析概述 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 述滚动轴承的特点：旋转精度高、启动力矩小、是标准件，选用方便。本章主要讲授： 滚动轴承的类型和代号（认识轴承）； 滚动轴承的选用（包括类型选择、尺寸选择、承载能力验算）； 滚动轴承的装置设计。滚动轴承的构成：内圈、外圈、滚动体、保持架

2、等(各类滚动体)类型和代号113-2 滚动轴承的主要类型和代号一、滚动轴承的分类夹角叫作轴承的接触角；夹角叫作载荷角。 按滚动体的不同分类：球轴承、滚子轴承； 按可承受的外载荷分类：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承； 按受力分类图 按轴承的结构形式不同分类：类型和代号2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类型和代号3二、滚动轴承的代号方法前置代号 基本代号 后置代号 轴承的分部件代号内部结构代号密封与防尘结构代号保持架及其材料代号特殊

3、轴承材料代号公差等级代号游隙代号多轴承配置代号其它代号五四三二一类型代号尺寸系列代号内径代号宽度系列代号直径系列代号滚动轴承代号构成：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。 类型和代号4 内径代号：内径代号5=内径，如：08表示轴承内径d=508=40mm。 类型代号：常用轴承代号为3、5、6、7、N五类，详细代号查阅类型代号表。 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、 /P6(/P6x)为代号，0级

4、不标注 。 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。 高级 低级 游隙值：小 大 内径 d10121517代 号00010203特殊情况： 尺寸系列代号：表达相同内径但外径和宽度不同的轴承。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。 类型和代号5三、轴承代号示例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： N圆柱滚子

5、轴承，1特轻系列，05内径d=20mm，公差等级为5级，游隙组为0组；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=17mm，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。 类型代号表6深沟球轴承L直线轴承5推力球轴承U外球面球轴承4双列深沟球轴承NA

6、滚针轴承3圆锥滚子轴承N圆柱滚子轴承29推力调心滚子轴承9推力圆锥滚子轴承2调心滚子轴承8推力滚子轴承1调心球轴承7角接触球轴承0双列角接触球轴承代号轴承类型代号轴承类型类型选择113-3 滚动轴承的类型选择选择轴承的类型和直径系列按轴径确定轴承内径滚动轴承是标准零件，同学们应能在机械设计过程中，根据使用的要求较合理地选择滚动轴承的类型与规格。一、滚动轴承选择的一般过程如下：对没有严格要求的轴承可不进行承载能力验算END进行承系能力验算合格不合格对有较严格要求的轴承 类型选择2二、滚动轴承类型选择应考虑的问题1承受载荷情况2转速的限制方向：向心轴承用于受径向力；推力轴承用于受轴向力； 向心推力

7、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小的轴承则反之。 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。 具体选择办法详见教材309-310页的论述。4 4轴承的安装和拆卸轴承的安装和拆卸3 3调心性要求调心性要求便于装拆，也是在选择轴承类型时应该考虑的一个因素。在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承不见时，应优先选用内外圈可分离的轴承（如N0000，NA0000，30000等）。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1:12的圆锥孔（用以安装在紧定衬套上）的轴

8、承（图13-5)。 当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承内外圈轴线发生偏斜。这时，应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承（图13-5）这类轴承在轴与轴承座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求。工作情况113-4 滚动轴承的工作情况滚动轴承工作时，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（如右图所示）。工作时，轴承各个元件上载荷及产生的应力是时时变化的，而固定套圈受载最大处的工作状态最为恶劣。向心推力轴承在纯径

9、向力Fr的作用下会产生派生轴向力Fd。当约有半圈滚动体受载时，Fd计算如下（表13-7）：圆锥滚子轴承角接触球轴承70000C(a=15)70000AC(a =25)70000B(a =40)Fd=Fr(2Y)Fd=eFrFd=0.68FrFd=1.14Fr向心推力轴承实际承受的轴向力Fa取决于产生派生轴向力Fd和外加于轴承的轴向力Fae，其关系式为： Fa maxFd ， Fae详细分析详细分析 滚动轴承尺寸的选择113-5 滚动轴承尺寸的选择滚动轴承尺寸的选择取决于轴承承受的载荷、对轴承寿命要求以及可靠性的要求等。滚动轴承的载荷有动载荷与静载荷之分，不同的载荷对应着不同的失效形式。载荷及失

10、效形式的分析是本节的重要内容。滚动轴承的寿命主要是指轴承的疲劳寿命，由于疲劳寿命与概率密切相关率，因此轴承的寿命必然与可靠性问题相关。本节从以下方面讲述滚动轴承尺寸的选择： 1.滚动轴承的失效形式 2.滚动轴承的寿命计算 3.滚动轴承的当量动载荷 4.向心推力轴承的轴向力计算 5.滚动轴承的静承载能力 6.滚动轴承尺寸选择的过程 7.滚动轴承的可靠度 滚动轴承尺寸的选择2一、滚动轴承的失效形式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。点蚀胶合断裂u 转速较高而润滑油不足时引起轴承烧伤；u 润滑油不清洁而使滚动体和滚道过度磨损；u 装配不当而使轴承

11、卡死、胀破内圈、挤碎内外圈和保持架等。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：磨损除了点蚀以外，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。更多的失效 滚动轴承尺寸的选择3二、滚动轴承的寿命计算滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。显然，通常谈的滚动轴承寿命是指滚动轴承的疲劳寿命。与一般结构件的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的（见右图）。u 基本额定寿命基本额定寿命：具有90可靠度时轴承的寿命，用L10表示。u 基本额定动载荷基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命

12、恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。u 基本额定寿命计算式基本额定寿命计算式。为轴承的工作转速载荷；为轴承所承受的当量动（滚子轴承）；（球轴承）；其中：min)/(3103rnP100 90 80 70 60 5040 30 20 10 0151020未失效轴承数量%轴承的寿命/（106r）)10(610rPCL)(60106hPCnLh或 滚动轴承尺寸的选择4三、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当量动载荷（用字母P表示）。各类轴承的当量动载荷可按下式计算：arYFXFP式中：Fr与Fa分别为轴

13、承实际承受的径向载荷与轴向载荷 X、Y分别为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 d 。)(：即ardYFXFfP载荷性质载荷系数 f p举例无冲击或轻微冲击1.01.2电机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击或中等惯性力1.21.8机床、车辆、动力机械、起重机、造纸机、选矿机、冶金机械、卷扬机械等强大冲击1.83.0碎石机、轧钢机、钻探机、振动筛等 滚动轴承尺寸的选择5当FaeFd2Fd1时，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”，轴承1的轴向力为Fa1FaeFd2 轴承2的轴向力为Fa2Fd2当FaeFd2Fd1时，相当

14、于轴承1被“放松”，轴承2被“压紧”，轴承1的轴向力为Fa1Fd1 轴承2的轴向力为Fa2Fd1Fae 四、向心推力轴承的轴向力计算径向载荷滚动轴承尺寸的选择6向心推力轴承所受轴向力Fa的计算方法可以归纳为： 由派生轴向力及外加轴向力的计算与分析，判断被“放松”或被“压紧”的轴承；向心推力轴承所受轴向力Fa的计算方法也可以归纳为： 就一个支点的轴承而言，对比其本身派生轴向力与外加轴向力（另一支点的派生轴向力与外加轴向力之合力），其较大者为该轴承的轴向力。aeddaaeddaFFFFFFFF122211,max,maxFa与Fd2同向取“+”Fa与Fd1同向取“+”即： 确定被“放松”轴承的轴向

15、力仅为其本身派生的轴向力； 被“压紧”轴承的轴向力则为除去本身派生的轴向力后其余各轴向力之合力。 滚动轴承尺寸的选择7五、滚动轴承的静承载能力对于在工作载荷下基本不旋转或缓慢旋转或缓慢摆动的轴承，其失效形式不是疲劳点蚀，而是因滚动接触面上的接触应力过大而产生的过大的塑性变形。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。轴承上作用的径向载荷Fr与轴向载荷Fa应折合成一个当量静载荷P0即： P0=X0Fr+Y0Fa式中：X0、Y0分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，可由轴承手册查取。按轴承静承载能力选择轴承的公式为：000PSC 式中：S0

16、为静强度安全系数，可由设计手册查取。 滚动轴承尺寸的选择9六、滚动轴承的可靠度在一般的工程问题中，均以轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命来衡量轴承的承载能力，这时对应的可靠度均为90%。但是，对于航空航天产品、国防装备等，对于轴承的可靠度有更高的要求。这时滚动轴承寿命的计算须引入可靠性系数a1，即修正寿命为：)(601016101PCnaLaLn可靠度%909596979899LnL10L5L4L3L2L1a11.00.640.550.470.370.25可靠度不为90%时的额定寿命修正系数a1 (GB/T6391-1995)a1也可按下式计算确定：5 . 111)9 . 0lnln(Ra 式

17、中R为要求达到的可靠度。 滚动轴承尺寸的选择8七、滚动轴承尺寸选择的过程由力分析确定轴承所承受的Fr与Fa计算当量动载荷P=fP(XFr+YFa)明确轴承的工作转速n与预计寿命Lh计算轴承应满足的基本额定动载荷PnLCh/161060由轴承样本（手册）查取合适的轴承 例例1 1：图示斜齿轮轴系，两端正装两个圆锥滚子轴承，轴颈：图示斜齿轮轴系，两端正装两个圆锥滚子轴承，轴颈d d0 0=3035mm=3035mm；齿轮分度圆直径；齿轮分度圆直径d=45mmd=45mm，F Ftete=3000N=3000N，F Frere=1200N=1200N， F Faeae=900N=900N；n=385

18、rpmn=385rpm，中等冲击载荷；计算轴承寿命。，中等冲击载荷；计算轴承寿命。垂直垂直平面 Rr1= Rr2 = 600 Ra1=Ra2=202.5 则则 RVI=397.5， RV2=802.5解：选取解：选取轴承型号轴承型号3020630206 C=24.8kN C=24.8kN，e=0.36e=0.36，Y=1.7Y=1.750505050NFr15525 .3971500221NFr17015 .8021500222R R1 1R R2 2R Rr1r1R Rr2r2R Ra1a1R Ra2a2F Frere F Faeae R Rt1t1 R Rt2t2F Ftete1.1.计算

19、径向力计算径向力F Fr1r1、F Fr2r2 水平平面水平平面 R Rt1t1= R= Rt2t2=1500=1500 轴承轴承1 1放松：轴向力放松：轴向力 F Fa1a1= = F Fd1d1 =456N =456N 轴承轴承2 2压紧：轴向力压紧：轴向力 F Fa2a2 = = F Faeae + + F Fd1d1 =1356N =1356NNYFFrd4567 . 121552211NYFFrd5007 . 1217012222.2.计算轴向力计算轴向力F Fa1a1、F Fa2 a2 （ F Fr1 r1 =1552N=1552N， F Fr2 r2 =1701N=1701N）

20、由手册由手册 C=24.8kNC=24.8kN，e=0.36e=0.36，Y=1.7Y=1.7； 查表查表13-713-7，对于圆锥滚子轴承，有，对于圆锥滚子轴承，有F Fd d= = F Fr r/(2Y)/(2Y)Fr1Fae=900NFd1Fd2Fr2FFaeae + + F Fd1d1 =1356N =1356NF Fd2d2 =500N =500N 3. 3. 计算当量动载荷计算当量动载荷P1=fdFr1=1.5 1552=2328NP2=fd (X Fr2 +Y Fa2 ) =1.5 (0.4 1701+1.7 1356)=4478N；0129. 0155245611YXeFFra

21、7 . 14 . 080. 01701135622YXeFFra4.4.计算寿命计算寿命hPCnL115155)232824800(38516667)(60103/10161hPCnL13010)447824800(38516667)(60103/10262P=XFr+YFaC=24.8kN，e=0.36，Y=1.7；Fr1 =1552N， Fr2 =1701NFa1=456N， Fa2 =1356N轴颈转速轴颈转速 n=385rpm轴承装置的设计113-6 13-6 轴承装置的设计轴承装置的设计 轴承的装置设计的内容包括：轴承的定位和紧固、轴承的配置设计、轴承位置的调节、轴承的润滑与密封、轴

22、承的配合以及轴承的装拆等问题。一、支承部分的刚性和同心度1. 保证轴和轴承座有足够的刚度 外壳采用肋板增强支撑部位刚度 外壳为轻合金或铸铁，采用钢制套杯增加刚度轴承装置的设计12. 2. 保证轴承座孔的同心度保证轴承座孔的同心度对于一根轴上两个支承的座孔，尽可能地保持同心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。最好的办法是采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗出。当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组合在一起镗孔。 二、轴承的配置二、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：1.1.双支点各单向固定（两个轴承

23、各限制一个方双支点各单向固定（两个轴承各限制一个方向的轴向移动）向的轴向移动）C=0.20.3 mm预留补偿间隙预留补偿间隙 下图是一对角接触球轴承两种安装方式，都采用的是双支点下图是一对角接触球轴承两种安装方式，都采用的是双支点各单向固定。试分析下，哪一种安装方式较好？各单向固定。试分析下，哪一种安装方式较好？ 由于该结构是悬臂支承的锥齿轮轴，为了提高支承刚度，采由于该结构是悬臂支承的锥齿轮轴，为了提高支承刚度，采用悬臂较短的前者。为什么是前者，因为角接触球轴承有一个用悬臂较短的前者。为什么是前者，因为角接触球轴承有一个接触角，带来压力中心的偏移。接触角，带来压力中心的偏移。 一个支点双向固

24、定以承受轴向力、另一端游动。一个支点双向固定以承受轴向力、另一端游动。适用于温度适用于温度变化较大的长轴。变化较大的长轴。固定支承固定支承游动支承游动支承L游动支承游动支承2.2.一支点双向固定，另一支点游动一支点双向固定，另一支点游动一支点双向固定，另一支点游动其它例子：一支点双向固定，另一支点游动其它例子：3. 3. 两端游动支承两端游动支承轴承装置的设计1三、滚动轴承的定位和紧固滚动轴承的轴向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。具体的紧固方法有很多，下面列举常用的方法。 轴承装置的设计3四、轴系部件的位置调整（P324阅读5分钟）锥齿轮或蜗杆在装配时，通常需要进行轴向位置的调整。为了便于调整，可将确定其轴向位置的轴承装在一个套杯中，改变套杯在外壳孔中的位置即可方便地对轴系部件进行整体调整。 轴承装置的设计5五、滚动轴承的配合与装拆 滚动轴承的配合是指内圈与轴颈、外圈与外壳孔的配合。 滚动轴承内孔与轴的配合采用基孔制，外