机械设计基础13章

第13章轴承概述滑动轴承滚动轴承本章特点：液体润滑径向滑动轴承的设计准则和设计方法与其它零部件有本质的区别，验算的项目也相随有所差异滚动轴承是一个多种元件的组合体(部件)的标准件，而且是用试验与统计的方法按90％的可靠度来规定它的基本额定动载荷的，因而在计算理论和方法上都与其它零部件有着较大的区别机械设计基础——轴承概述机械设计基础——轴承箱体齿轮轴轴承轴承孔轴承：支持轴或轴上转动零件的部件作用：支持轴及轴上零件，保持轴的旋转精度减少转轴与支持面间的摩擦磨损分类：按承载方向分：向心轴承、推力轴承按摩擦性质分：滑动轴承、滚动轴承滑动轴承13-1

滑动轴承概述13-2

滑动轴承的结构13-3

滑动轴承的材料13-4

润滑剂和润滑装置13-5

非全液体摩擦滑动轴承的计算机械设计基础——轴承基本要求:了解滑动轴承的特点、应用场合了解滑动轴承的典型结构、轴瓦材料及其选用原则了解常用润滑剂及润滑装置掌握不完全液体润滑滑动轴承的设计原理及设计方法13-1滑动轴承概述主要特点：工作平稳，无噪声；液体润滑时摩擦损失小应用情况：工作转速特高的轴承；要求对轴的支承位置特别精确的轴承；特重型轴承；大冲击和振动载荷的轴承；剖分式轴承；径向尺寸小的轴承；特殊工况下滑动轴承中的摩擦按润滑油存在方式分：干摩擦、边界摩擦、液体摩擦、混合摩擦(非液体摩擦)机械设计基础——轴承13-2滑动轴承的结构机械设计基础——轴承向心滑动轴承推力滑动轴承滑动轴承组成：轴承体、轴瓦及轴承衬、润滑与密封装置滑动轴承分类：向心滑动轴承——整体式、剖分式、自动调心式推力滑动轴承整体式向心滑动轴承机械设计基础——轴承轴承座整体轴套油孔螺纹孔结构：轴承座、轴套（整体）轴承座设有安装润滑油杯的螺纹孔轴套上开有油孔，内表面开有油槽特点：结构简单，成本低但装拆不便，无法调整应用：低速、轻载或间歇性工作的机器剖分式向心滑动轴承机械设计基础——轴承轴承座轴承盖双头螺柱油孔油槽剖分式轴瓦结构：轴承座、轴承盖、剖分式轴瓦、螺柱特点：剖分面作成阶梯状，且垂直载荷方向正剖、斜剖，装拆方便，常在轴瓦表面粘附轴承衬磨损后可调整间隙，结构复杂应用：常用自动调心式向心滑动轴承机械设计基础——轴承应用：用于支承挠度较大或多支点的长轴结构：轴瓦瓦背制成凸球面其支承面制成凹球面特点：轴瓦能摆动，适应轴的变形推力滑动轴承机械设计基础——轴承分类：空心式、单环式、多环式轴上的轴向力应采用推力轴承来承受止推面：轴端面、轴中段做凸肩或装上推力圆盘13-3滑动轴承的材料机械设计基础——轴承轴瓦或轴承衬：轴颈应比轴瓦耐磨对材料性能的要求:良好的减摩性、耐磨性和抗咬粘性良好的摩擦顺应性、嵌入性和磨合性足够的强度和抗腐蚀能力良好的导热性、工艺性和经济性等常用材料：金属：青铜、轴承合金、粉末冶金、灰铸铁等非金属：工程塑料、硬木、橡胶、聚四氟乙烯轴承盖、轴承座：灰铸铁，铸钢轴颈：钢常用材料性能比较机械设计基础——轴承材料组成性能特点应用轴承合金(巴氏合金)Sn,Pb,Sb合金耐磨，磨合，导热性，油吸附性好强度小，价格贵重载，中高速青铜Cu+Sn,Pb,Al较硬,强度高,耐磨磨合性差重载，中速粉末冶金Fe+石墨Cu+石墨含油轴承韧性低平稳载荷，无冲击，中低速铸铁HT、KT轴颈硬度>轴瓦硬度轻载，低速13-4润滑剂和润滑装置一、润滑剂二、润滑装置机械设计基础——轴承一、润滑剂机械设计基础——轴承润滑油：液体，用途最广泛润滑脂：半固体，润滑油＋稠化剂，一般用于中低速固体润滑剂：主要用作油、脂的添加剂，也可单独使用，如C,MoS2,PTFE(聚四氟乙烯)等作用：减少摩擦损失、减轻工作表面的磨损、冷却、吸振等常用润滑剂：润滑油、润滑脂、固体润滑剂润滑油的性能指标及选择性能指标：粘度——液体流动时，每薄层相互间的阻抗剪力，它是液体流动时内部摩擦阻力的度量是最重要的性能指标，也是选择润滑油的主要依据油性——也称润滑性，表征油中的极性分子对金属表面的吸附性能。油性好则摩擦系数小凝点——反映润滑油的低温工作性能闪点——反映润滑油的高温工作性能机械设计基础——轴承润滑油的选择原则：压力大或在冲击、变载条件下工作，应选粘度高的油速度高时，应选粘度低的油，以减少摩擦损失工作温度高时，应选粘度高的油，因粘度会随温度升高而下降润滑脂的性能指标及选择性能指标：针入度(稠度)——表征润滑脂的稀稠度，类似于油的粘度用一特制重1.5N锥形针在25°C恒温下5s内刺入润滑脂内的深度。标志润滑脂内阻力的大小和受力后流动性的强弱滴点——温度升高时，润滑脂第一滴掉下时的温度，表征润滑脂耐高温的性能耐水性——润滑脂与水接触时，其特性的保持程度机械设计基础——轴承润滑脂的选择原则：压力大、速度低——小针入度，反之选针入度大的润滑脂的滴点应高于轴承工作温度20~30℃，以免流失在有水或潮湿场合，应选防水性的润滑脂二、润滑装置机械设计基础——轴承润滑油润滑装置：油孔、芯捻或线纱油杯、针阀滴油杯、油杯、飞溅润滑、压力润滑润滑脂润滑装置：旋转油杯、压注油嘴油槽结构：润滑油润滑装置油孔芯捻或线纱油杯针阀滴油杯油环机械设计基础——轴承飞溅润滑压力润滑13-5非全液体摩擦滑动轴承的计算工作条件：边界膜不破坏、粗糙表面内有流体润滑存在失效形式：磨损——导致轴承配合间隙加大，影响轴的旋转精度，甚至使轴承不能正常工作胶合——高速重载且润滑不良时，摩擦加剧，发热多，使轴承上较软的金属粘焊在轴颈表面而出现胶合设计准则：维持边界膜不遭破坏主要进行压强p、压强与速度乘积pv的验算机械设计基础——轴承一、向心轴承的计算二、推力轴承的计算三、设计步骤一、向心轴承的计算机械设计基础——轴承2压强和速度乘积pv的验算限制温升防止油膜破裂，防止胶合破坏1压强p验算限制压力防止油膜破裂，防止轴瓦过度磨损bdF许用压强p查表13-1许用pv值查表13-1二、推力轴承的计算机械设计基础——轴承2压强和速度乘积pv的验算限制温升防止油膜破裂，防止胶合破坏1压强p验算限制压力防止油膜破裂，防止轴瓦过度磨损许用压强p查表13-4许用pv值查表13-4d0Fn平均速度三、设计步骤机械设计基础——轴承选择轴瓦材料确定轴承结构形式确定轴承宽度b和直径d验算p、pv选择轴承的配合选择润滑剂与润滑装置滚动轴承13-6

滚动轴承概述13-7

滚动轴承的结构和类型13-8

滚动轴承的代号13-9

滚动轴承的失效形式及选择计算13-10

滚动轴承的组合设计机械设计基础——轴承基本要求:熟悉滚动轴承的代号、正确地选择滚动轴承的类型掌握滚动轴承的寿命计算正确进行滚动轴承组合设计难点：向心推力轴承(指角接触球轴承与圆锥滚子轴承)的受力分析13-6滚动轴承概述机械设计基础——轴承滚动轴承是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，由专业轴承厂集中生产；在一般机械设计中，只需格局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13-6滚动轴承概述机械设计基础——轴承特点：摩擦阻力小,功率损耗少,起动灵敏，f＝0.05,h=0.98～0.995可同时承受径向和轴向载荷，简化了支承结构径向间隙小，还可用预紧方法消除间隙，因此回转精度高互换性好，易于维护，润滑简便,价格低抗冲击能力差,高速时出现噪音寿命也比不上液体润滑的滑动轴承径向尺寸大13-7滚动轴承的结构和类型一、结构及尺寸二、材料三、分类四、类型及特点机械设计基础——轴承外圈内圈滚动体保持架一、结构及尺寸机械设计基础——轴承组成：内圈、外圈、滚动体（球轴承、滚子轴承）、保持架外圈内圈滚动体保持架一、结构机械设计基础——轴承外圈：装在轴承座孔内，一般不转动；内圈：装在轴径上，随轴转动；保持架：将滚动体均匀的隔开，避免摩擦；滚动体：滚动轴承的核心元件。一、结构及尺寸二、材料机械设计基础——轴承保持架：避免滚动体直接接触，减少发热和磨损材料：低碳钢；铜、铝、工程塑料内圈、外圈、滚动体：高硬度、高接触疲劳强度、良好耐磨性和冲击韧性材料：含铬轴承钢，硬度60~65HRC三、分类机械设计基础——轴承1按滚动体形状分2按受载方向分1按滚动体形状分机械设计基础——轴承按滚动体形状分：球轴承、滚子轴承1按滚动体形状分机械设计基础——轴承又可细分为：球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、球面滚子轴承2按受载方向分按受载方向和公称接触角分：机械设计基础——轴承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。

接触角是滚动轴承的一个重要参数，滚动轴承的分类以及受力分析与接触角有关。公称接触角越大，轴承承受轴向载荷能力也越大。

径向平面：垂直于轴线的平面。2按受载方向分按受载方向和公称接触角分：机械设计基础——轴承向心轴承:a=0º向心推力轴承：0º<a<90º向心角接触轴承:0º<a≤45º推力角接触轴承:45º<a<90º推力轴承:a=90º注意：在径向载荷作用下产生内部轴向力Fd，其方向是使内外圈分离，所以要成对使用内部轴向力Fd的大小与a有关2按受载方向分按受载方向和公称接触角分：机械设计基础——轴承四、类型及特点机械设计基础——轴承1向心轴承(a=0º)2调心轴承(a=0º)3向心推力轴承(0º＜a<90º)4推力轴承(a=90º)5选择原则1向心轴承(a=0º)深沟球轴承:6类→nlim最高、价廉,优先采用受力类型:Fr,不大的Fa(双向)圆柱滚子轴承:N类→承载力较大受力类型:

很大的Fr,不能承受轴向力Fa机械设计基础——轴承滚针轴承:NA类→内外圈可分离,径向尺寸小受力类型:

很大的Fr,不能承受轴向力Fa2调心轴承(a=0º)调心球轴承:1类→主要承受径向载荷，也能承受少量的双向轴向载荷，调心性能最好受力类型：Fr,不大的Fa(双向)机械设计基础——轴承调心滚子轴承:2(3)类→调心性能好、承载力较大受力类型：Fr,不大的Fa(双向)3向心推力轴承(0º＜a<90º)角接触球轴承:７类，a＝15º、25º、40º受力类型：Fr,单向Fa，成对使用机械设计基础——轴承圆锥滚子轴承：3类受力类型：能承受较大的径向载荷Fr,和单向轴向载荷Fa内外圈可分离，要求成对使用3向心推力轴承(0º＜a<90º)机械设计基础——轴承3向心推力轴承(0º＜a<90º)机械设计基础——轴承3向心推力轴承(0º＜a<90º)机械设计基础——轴承3向心推力轴承(0º＜a<90º)机械设计基础——轴承4推力轴承(a=90º)推力球轴承:

5类受力类型：只承受轴向(Fa)机械设计基础——轴承单列：承受单向轴向力双列：承受双向轴向力5滚动轴承类型的选择原则根据载荷大小、性质、轴承的转速、调心性能、安装和拆卸、价格等确定轴承类型其中，载荷(包括大小和方向)、转速的大小一般是最主要的机械设计基础——轴承一般而言，高速，平稳低载：60000（深沟球轴承）载荷较大+冲击：滚子轴承径/轴向载荷较大：较低转速：30000（圆锥滚子）较高转速：70000角接触球轴承轴向载荷>>径向载荷：推力+向心组合13-8滚动轴承的代号滚动轴承为标准件：GB/T272-1993机械设计基础——轴承旧标准代号

举例前置代号基本代号后置代号尺寸系列代号分部件代号类型代号内径代号直径系列代号宽度系列代号内部结构代号密封与防尘代号公差等级代号。。。字母21345字母(+数字)1内径尺寸代号2尺寸系列代号3类型代号基本代号机械设计基础——轴承表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的的基础表明轴承的内径、直径系列、宽度系列、类型1内径尺寸代号右起第1、2位数字内径d:（即轴的直径）00——10mm01——12mm02——15mm03——17mm04~96——数字x5mm机械设计基础——轴承对于内径(500mm，以及22mm、28mm、32mm的轴承，用公称内径数值直接表示，但在与尺寸系列代号之间用“/”分开2尺寸系列代号直径系列代号、宽度系列代号直径系列代号：第三位数字指结构相同、内径相同的轴承使用不同直径的滚动体，在外径和宽度方面的变化系列0,1—特轻2—轻

3—中4—重机械设计基础——轴承宽度系列代号：第四位数字，常与直径系列代号同时使用表示同一内径和外径的轴承可以有不同的宽度多数正常系列可不标0,1特轻2轻5轻宽3中6中宽4重3类型代号第五位(从右到左数)，用数字或字母表示代号为0（双列角接触球轴承），则省略机械设计基础——轴承具体见表13-6代号轴承类型旧代号3圆锥滚子轴承75推力球轴承86深沟球轴承07角接触球轴承6N圆柱滚子轴承2NA滚针轴承4常用的几类滚动轴承，一般无前置代号前置代号机械设计基础——轴承用字母表示表示成套轴承分部件公差等级(精度)代号：0、6x、6、5、4、2六级精度，逐渐增高表示成：/P0、/P6x、/P6、/P5、/P4、/P2内部结构代号：如：C—a=15º、AC—a=25º、B—a=40º轴承径向游隙系列代号：/C1、/C2、/C0、/C3、/C4、/C5六组游隙，由小到大0组(/C0)）游隙常用，可省略后置代号机械设计基础——轴承用字母（+数字）表示表示轴承内部结构、密封与防尘、保持架及其材料、轴承材料及公差等级等内径尺寸代号外径系列代号类型代号结构特点代号宽度系列代号精度代号滚动轴承代号:旧标准机械设计基础——轴承□XXXXXXX了解7212C举例机械设计基础——轴承6305304/32(/P0)7211C/P5深沟球轴承直径系列为3(中),宽度系列为0(不标)内径d=25mm0级精度(不标)角接触球轴承直径系列为2(轻)宽度系列为0(不标)

内径d=60mma=15º内径d=32mm圆锥滚子轴承宽度系列为0直径系列为4(重)5级精度接触角15直径55mm正常宽度、轻系列角接触球轴承13-9滚动轴承的失效形式及选择计算一、失效形式二、轴承寿命计算三、轴承静载荷计算机械设计基础——轴承设计轴承的基本方法：由工作条件定轴承类型结构定轴承直径初选型号→C、C0验算寿命：计算轴承载荷→查e、X、Y→计算P→计算Lh→分析轴承是否合格一、失效形式机械设计基础——轴承失效形式：疲劳点蚀——

最主要的失效形式，滚动体表面、套圈滚道都可能发生点蚀过大塑性变形——

低速轴承的主要失效形式，接触应力过大(载荷过大或冲击载荷)，元件表面出现较大塑性变形磨损、胶合、内外圈和保持架破损等——使用维护不当而引起的，属于非正常失效设计准则：保证轴承在预定期限内可靠工作。一般转速的轴承—进行寿命(额定动载荷)计算，防止疲劳点蚀破坏转速极低或仅作缓慢摆动的轴承

—按静强度(额定静载荷)计算，防止塑性变形二、轴承寿命计算机械设计基础——轴承1基本概念2寿命计算3当量动载荷P的计算4向心角接触轴承轴向载荷Fa的计算5推力球轴承的当量动载荷针对失效形式：疲劳点蚀1基本概念——寿命轴承寿命：(106r或h)轴承中任一元件出现疲劳点蚀前，所经历的总转数或总工作小时数基本额定寿命：用L10

表示一批相同的轴承，在相同的条件下运转，其中90％的轴承不发生疲劳点蚀前所经历的总转数或总工作小时数机械设计基础——轴承寓意：一批轴承中有90％的寿命将比其基本额定寿命长一个轴承在基本额定寿命期内正常工作的概率有90％，失效率为10％注意：额定寿命随运转条件而变化比如：外载荷增大，额定寿命降低因此，基本额定寿命并不能直接反映轴承的承载能力90％10％完好基本额定动载荷定义：规定轴承在基本额定寿命L10

为106转时，所能承受的最大载荷，用C表示即：在C的作用下，运转106转时，有10％的轴承出现点蚀，90％的轴承完好机械设计基础——轴承对于具体轴承，C为定值，按手册查取对向心轴承(0º

a

45º)，C为纯径向载荷——Cr对推力轴承(45º<a90º)，C为纯轴向载荷——Ca额定动载荷越大轴承的承载能力越大2寿命计算目的：根据工作条件和设计要求，选择合适的轴承尺寸载荷与额定寿命的关系曲线：PeL10=常数式中：P为当量动载荷L10为P作用下的额定寿命e为寿命指数，球轴承e=3，滚子轴承e=10/3机械设计基础——轴承当载荷为额定动载荷C时：L10

106rPCP11L1轴承的疲劳曲线L2P2小时数表示：或：－已知轴承的C，计算额定寿命－根据预期寿命Lh′，计算所需的C′

预期寿命所需额定动载荷轴承的额定寿命：3当量动载荷P的计算对于向心轴承，C为径向载荷Cr对于推力轴承，C为轴向载荷Ca但轴承可能同时承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa为了与C在相同的条件下进行比较，引入当量动载荷的概念当量动载荷：一假想载荷，与C同类型，它对轴承的作用与实际载荷的作用等效。用P表示实际载荷的条件不同时，按确定基本额定动载荷的条件进行换算后的载荷——即为纯（名义）径向力Pr、纯（名义）轴向力Pa计算式：机械设计基础——轴承X－径向载荷系数Y－轴向载荷系数见表13-7FaFr实际工作（机器在工作中的冲击、振动、零件运转不平稳等）条件下，需引入载荷系数fP(见表13-8)修正P：4向心角接触轴承轴向载荷Fa的计算Fr

、Fa

－轴承的径向、轴向力（注意区别与轴上载荷）对纯径向轴承：P=fPFr对纯轴向轴承：P=fPFa径向载荷Fr

的计算见轴受力分析，即：机械设计基础——轴承Fa并不是外界的轴向作用力，而应是轴承所受的轴向力，它应根据整个轴上的轴向载荷(对于向心推力轴承还应包括因径向载荷Fr产生的派生轴向力FS)之间的平衡条件得出RV1RV2RH1RH2FRFAFT而：⑴

角接触轴承的派生轴向力FS向心角接触轴承（角接触球轴承、圆锥滚子轴承）受纯径向载荷作用后，会产生派生轴向分力FS

机械设计基础——轴承派生轴向力FS

大小见表13-9派生轴向力FS的方向总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向FSFrQiRiFSiO角接触球轴承注意FS

的方向α表13-9内部轴向力FS3000070000Ca=15º70000ACa=25º70000B

a=40ºFS=Fr/(2Y)FS=eFrFS=0.68FrFS=1.14Fr⑵

角接触轴承的排列方法为使S得到平衡，角接触轴承一般成对使用正装

－面对面安装轴承外圈的窄边相对，即内部轴向力指向相对正装时跨距短，轴刚度大机械设计基础——轴承反装

－背靠背安装两轴承外圈的宽边相对即派生轴向力指向相背反装时跨距长，轴刚度小FRFRFr1Fr2FS1FS2Fr2Fr1FS1FS2为简化计算，可认为支反力作用于轴承宽度的中点⑶

角接触轴承的轴向载荷Fa当外载既有径向载荷又有轴向载荷时，角接触轴承的轴向载荷Fa＝？机械设计基础——轴承要同时考虑轴向外载Fa和派生轴向力FS

FRFr1Fr2FS1FS2FaFaFr2Fr1FS1FS2FR轴承正装时：圆锥滚子轴承的简图如下（将内圈与轴视为一体）：机械设计基础——轴承若FS1+Fa>FS2轴向合力向右，轴有向右移动的趋势，但外圈被固定，左轴承放松，右轴承被压紧，会产生反力FS2’，使轴向力平衡，得:FRFr1Fr2FS1FS2Fa合力FS2′右轴承被压紧,轴向力左轴承被放松,轴向力FRFr1Fr2FS1FS2Fa轴承正装时：圆锥滚子轴承的简图如下（将内圈与轴视为一体）：机械设计基础——轴承若FS1+Fa<FS2轴向合力向右，轴有向左移动的趋势，但外圈被固定，左轴承被压紧，会产生反力FS1’，使轴向力平衡，使得:合力FS1′左轴承被压紧,

轴向力右轴承被放松,

轴向力结论：轴承反装时，可得到与正装同样的结论结论总结如下：根据排列方式判明派生轴向力FS1、FS2

的方向判明轴向合力（外载荷和内部轴向力）指向及轴可能移动的方向，分析哪端轴承被“压紧”，哪端轴承被“放松”“放松”端的轴向载荷等于自身的内部轴向力“压紧”端的轴向载荷等于除去自身派生轴向力后其它轴向力的代数和机械设计基础——轴承对于能承受少量轴向力而a=0的向心轴承(如深沟球轴承)：FaFr1Fr2因为：a＝0,FS1＝0，FS2＝0所以：F合力＝Fa图中：Fa1＝0Fa2＝Fa5推力球轴承的当量动载荷对推力球轴承，不能承受径向力，只能承受轴向力，则：机械设计基础——轴承6例题机械设计基础——轴承一工程机械传动装置中的轴，根据工作条件决定采用一对角接触球轴承支承，型号暂定为7208AC。已知轴承载荷Fr1=1000N,Fr2=2060N,FA=800N,转速n=5000r/min，运转中受中等冲击，预期寿命为2000h，问所选轴承型号是否恰当？FA6例题机械设计基础——轴承一工程机械传动装置中的轴，根据工作条件决定采用一对角接触球轴承支承，型号暂定为7208AC。已知轴承载荷Fr1=1000N,Fr2=2060N,FA=800N,转速n=5000r/min，运转中受中等冲击，预期寿命为2000h，问所选轴承型号是否恰当？FA思路：1.2.3.4.6例题机械设计基础——轴承一工程机械传动装置中的轴，根据工作条件决定采用一对角接触球轴承支承，型号暂定为7208AC。已知轴承载荷Fr1=1000N,Fr2=2060N,FA=800N,转速n=5000r/min，运转中受中等冲击，预期寿命为2000h，问所选轴承型号是否恰当？FA三、轴承静载荷计算机械设计基础——轴承失效形式：过大塑性变形对象：低速或受较大冲击载荷作用的轴承目的：防止轴承元件发生塑性变形基本额定静载荷C0

：限制塑性变形的极限载荷值，由手册查取对向心轴承为C0r

－径向基本额定静载荷对推力轴承为C0a