《机械设计基础》第十一章滚动轴承

第十一章滚动轴承

(rollingbearing)§11-1概述一、滚动轴承的构造内圈(innerring)外圈(outerring)滚动体(rollingelement)保持架(cage)内圈装在轴颈上，外圈装在机座或零件的轴承孔内。内外圈上有滚道，当内外圈相对转动时，滚动体将沿着滚道滚动。保持架的作用是把滚动体均匀地隔开。二、滚动轴承的材料滚动体与内外圈的材料应具有较高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用含铬合金制造，经热处理后硬度可达61～65HRC，工作表面须经磨削和抛光。保持架一般用低碳钢板冲压制成，高速轴承的保持架多采用有色金属或塑料。三、滚动轴承的特点1、优点1）摩擦系数小、启动灵活、效率高（η＝0.98～0.99）2）轴承单位宽度的承载能力较强，结构紧凑3）极大地减小了有色金属的消耗4）易于互换、润滑，维护方便5）可同时承受径向载荷和轴向载荷2、缺点1）接触应力高，抗冲击能力差2）减振能力低，运转时有噪声3）径向外廓尺寸较大4）不能制成剖分式5）高速重载下寿命较低§11-2滚动轴承的类型与选择接触角α滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角。接触角是滚动轴承的一个主要参数，接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。按公称接触角的不同，滚动轴承分为：向心轴承推力轴承主要用于承受径向载荷，公称接触角α为0°～45°主要用于承受轴向载荷，公称接触角α为大于45°～90°按滚动体的形状，滚动轴承球轴承滚子轴承圆柱滚子圆锥滚子球面滚子滚针由于结构的不同，各类轴承的使用性能也不相同。1.承载能力在同样外形尺寸下，滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.5～3倍。在载荷较大或有冲击载荷时宜采用滚子轴承。但当轴承内径d≤20mm时，滚子轴承和球轴承的承载能力已相差不多，而球轴承的价格一般低于滚子轴承，故优先选用球轴承。2.极限转速滚动轴承转速过高会使摩擦面间产生高温，润滑失效，从而导致滚动体回火或胶合破坏。滚动轴承在一定载荷和润滑条件下，允许的最高转速——极限转速如果轴承极限转速不能满足要求，可采取提高轴承精度、适当加大间隙、改善润滑和冷却条件、选用青铜保持架等措施。由于接触角的存在，角接触轴承可同时承受径向载荷和轴向载荷。3.角偏差轴承由于安装误差或轴的变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜。其倾斜角称为角偏差。角偏差较大时会影响轴承正常运转，在这种场合下应采用调心轴承。调心轴承的外滚道表面是球面，能自动补偿两滚道轴心线的角偏差，从而保证轴承正常工作。滚针轴承对轴线偏斜最为敏感，应尽可能避免在轴线有偏斜的情况下使用。能承受很大的径向载荷和少量的轴向载荷，承载能力大，具有调心性能。能自动调心，能承受很大的径向载荷和少量的轴向载荷，抗振动、冲击。能同时承受较大的径向载荷和轴向载荷，外圈可分离，游隙可调，装拆方便，适用于刚性较大的轴。只能承受轴向载荷，且载荷作用线必须与轴线重合。因滚动体离心力大，滚动体与保持架摩擦发热严重，故用于轴向载荷大但转速不高的场合。单列——承受单向轴向载荷双列——承受双向轴向载荷主要承受径向载荷，同时也可承受一定量的轴向载荷。能同时承受径向、轴向联合载荷，公称接触角越大，轴向承载能力越大。公称接触角α有15º、25º、40º三种。能承受较大的径向载荷，不能承受轴向载荷。因系线接触，内外圈只允许有极小的相对偏转。只能承受径向载荷，承载能力大，径向尺寸特小，一般无保持架，因而滚针间有摩擦，轴承极限转速低。不允许有角偏差。§11-3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∣游隙代号∣保持架及材料代号∣密封与防尘代号∣内部结构代号∣公差等级代号1.基本代号表示轴承的基本类型、结构、尺寸，是轴承代号的基础。基本代号左起第一位——类型代号。若代号为“0”（双列角接触球轴承）则可省略。尺寸系列代号由轴承的宽度系列代号（基本代号左起第二位）和直径系列代号（基本代号左起第三位）组合而成。内径代号（基本代号左起第四、五位数字）表示轴承公称内径尺寸内径系列代号0001020304～99轴承内径尺寸(mm)10121517数字×5代号7890123456宽度系列---特窄---窄正常宽特宽直径系列超特轻超轻特轻轻中重------3.后置代号表示轴承的基本类型、结构、尺寸，是轴承代号的基础。轴承类型代号含义角接触球轴承BCACα＝40ºα＝15ºΑ＝25º圆锥滚子轴承B接触角α加大E加强型公差代号代号/P2、/P4、/P5、/P6、/P6X、/P0公差等级24566X0游隙代号C1、C2、C3、C4、C5分别表示轴承径向游隙，游隙量依次由小到大C0为基本组游隙，常被优先采用，在轴承代号中可不标出。2.前置代号用字母表示成套轴承的分部件。例11－1试说明滚动轴承代号62203和7312AC/P62的含义解：（1）6——深沟球轴承，22——轻宽系列，03——内径d＝17mm；（2）7——角接触球轴承，（0）3——中窄系列，12——内径d＝60mm，AC——接触角α＝25º，P6——6级公差，2——第2组游隙C2当游隙与公差同时表示时，符号C可省略Fr径向载荷的分布Fmaxδ0§11-4滚动轴承的选择计算滚动轴承在通过轴心线的轴向载荷（中心轴向载荷）Fa作用下，可认为各滚动体所承受的载荷是相等的。当轴承受纯径向载荷Fr作用时，内圈沿F方向下移一距离δ，上半圈滚动体不承载，而下半圈各滚动体承受不同的载荷。处于Fr作用线最下位置的滚动体承载最大（Fmax），而远离作用线的各滚动体，其承载就逐渐减小。对于α＝0º的向心轴承一、失效形式1.疲劳破坏滚动轴承工作过程中，滚动体相对内圈不断转动，滚动体与滚道接触表面受变应力。此变应力可近似看作载荷按脉动循环变化。由于脉动接触应力的反复作用，首先在滚动体或滚道的表面下一定深度处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面，形成疲劳点蚀。2.塑性变形当轴承转速很低或间歇摆动时，一般不会产生疲劳破坏。在很大载荷或冲击载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处产生永久变形→滚道表面形成变形凹坑，使轴承在运转中产生剧烈振动和噪声。此外，由于使用维护和保养不当或密封润滑不良等因素，也能引起轴承早期磨损、胶合、内外圈和保持架破坏等不正常失效。二、轴承寿命轴承的一个套圈或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展迹象前，一个套圈相对于另一个套圈的总转数，或在某一转速下的工作小时数。大量的轴承寿命试验表明，轴承的寿命和可靠度之间有一定的关系。一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分率——轴承寿命的可靠度单个轴承的可靠度为该轴承达到或超过规定寿命的概率一组同一型号轴承在同一条件下运转，其可靠度为90％时能达到或超过的寿命——基本额定寿命，记为L（106r）90％的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过的寿命——基本额定寿命。单个轴承，能够达到或超过此寿命的概率为90％。设计：潘存云2051015501000可靠度R/(%)L/(1×106r)轴承的寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，轴承的寿命越短。滚动轴承的基本额定动载荷（C）——轴承的基本额定寿命为100万转时，轴承所能承受的载荷。向心轴承径向基本额定动载荷推力轴承轴向基本额定动载荷CrCaε——寿命指数球轴承，ε＝3；滚子轴承，ε＝10/3C——基本额定动载荷向心轴承——Cr推力轴承——Ca用小时表示轴承寿命，用n代表轴的转速（r/min）P——当量动载荷一恒定径向载荷，在该载荷作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用下同样的寿命。轴承在温度高于100℃下工作时，基本额定动载荷C有所降低，故引进温度系数ft轴承工作温度100125150200250300温度系数ft10.950.900.800.700.60工作中的冲击和振动会使轴承寿命降低，故引进载荷系数fp载荷性质无冲击或轻微冲击中等冲击强烈冲击载荷系数fp1.0～1.21.2～1.81.8～3.0三、当量动载荷的计算如果作用在轴上的实际载荷是既有径向载荷又有轴向载荷，则必须将实际载荷换算成与试验条件相当的载荷后，才能和基本额定动载荷进行比较。换算后的载荷是一种假定的载荷——当量动载荷P＝XFr＋YFaFr、Fa——轴承的径向载荷及轴向载荷（N）；X、Y

——径向动载荷系数及轴向动载荷系数。Fa/Fr＞e，由表16－11查出X和Y的数值；Fa/Fr≤e时，轴向力的影响可忽略不计。向心轴承只承受径向载荷时，P＝Fr推力轴承只能承受轴向载荷，P＝Fa四、角接触向心轴承轴向载荷的计算角接触向心轴承的结构特点在滚动体和滚道接触处存在着接触角α当它承受径向载荷Fr时，作用在承载区内第i个滚动体上的法向力F可分为径向分力Fri和轴向分力Fai。各滚动体上所受轴向力的和——轴承的内部轴向力Fa。轴承类型角接触向心轴承圆锥滚子轴承α＝15°α＝25°α＝40°Fr/(2Y)Y是Fa/Fr＞e时的轴向系数FaeFr0.68Fr1.14FrFrF’iF”iF’Fi第i个滚动体α为了使角接触向心轴承的内部轴向力得到平衡，以免轴向窜动，通常这种轴承都要成对使用，对称安装。正装（外圈窄边相对安装）反装（外圈宽边相对安装）Fa——轴承的内部轴向力适合于传动零件位于两支承之间适合于传动零件处于外伸端1）当FA＋FS2＞FS1，由于轴承1的右端已固定，轴不能向右移动，即轴承1被压紧，由力的平衡条件得轴承1（压紧端）承受的轴向载荷：Fa1＝FA＋FS2轴承2（放松端）承受的轴向载荷：Fa2＝FS22）当FA＋FS2＜FS1，由于轴承2被压紧，由力的平衡条件得轴承1（压紧端）承受的轴向载荷：Fa1＝FS1轴承1（压紧端）承受的轴向载荷：Fa2＝FS1－FA放松端轴承的轴向载荷等于它本身的内部轴向力压紧端轴承的轴向载荷等于除本身的内部轴向力外其余轴向力的代数和五、滚动轴承的静强度校核对于转速很低(n≤10r/min)或缓慢摆动的滚动轴承，一般不会产生疲劳点蚀，为防止滚动体和内外圈产生过大的塑性变形，应进行静强度校核。受载最大的滚动体与内、外圈滚道接触处的接触应力达到某一定值的载荷——基本额定静载荷C0P0=X0Fr＋Y0Fa≤C0/S0X0—当量静载荷径向载荷系数Y0—当量静载荷轴向载荷系数轴承类型X0Y0深沟球轴承0.60.5角接触球轴承7000C0.50.47000AC0.387000B0.2圆锥滚子轴承0.5查设计手册例11－2试求NF207圆柱滚子轴承允许的最大径向载荷。已知工作转速n＝200r/min，工作温度t＜100℃，寿命Lh＝10000h，载荷平稳。解：向心轴承由机械设计手册查得，NF207圆柱滚子轴承的Cr＝28500N，fp＝1，ft＝1，对滚子轴承ε＝10/3。P＝6778N向心轴承只承受径向载荷时，P＝Fr＝6778N在本题规定的条件下，NF207轴承可承受的最大径向载荷为6778N。例11－3一水泵轴选用深沟球轴承支承。已知轴颈d＝35mm，工作转速n＝2900r/min，轴承所受径向载荷Fr＝2300N，轴向载荷Fa＝540N，要求使用寿命Lh＝5000h，试选用轴承型号。解：1）当量动载荷因该向心轴承承受Fr和Fa的作用，必须求出当量动载荷P。计算时用到的径向系数X、轴向系数Y要根据Fa/C0r值查取，而C0r是轴承的径向额定静载荷，在轴承型号未选出前暂不知道，故用试算法。暂取Fa/C0r＝0.028，则e＝0.22因Fa/Fr＝540/2300＝0.235＞e，由表查得X＝0.56，Y＝1.99P＝XFr＋YFa＝0.56×2300＋1.99×540＝2360N即轴承在Fr＝2300N和Fa＝540N作用下的使用寿命，相当于在纯径向载荷为2360N作用下的使用寿命2）计算所需的径向基本额定动载荷值式中fp＝1.1，ft＝1，对球轴承ε＝3。3）选择轴承型号查手册，选6207轴承，其Cr＝25500N＞24800N；C0r＝15200N，故6207轴承的Fa/C0r＝540/15200＝0.0355，与原估计接近，适用。例11－4一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，并暂定轴承型号为7208AC。已知轴承载荷Fr1＝1000N，Fr2＝2060N，FA＝880N，转速n＝5000r/min，运转中受中等冲击，预期寿命Lh＝2000h，试问所选轴承型号是否适当。解：1）先计算轴承1、2的轴向力Fa1、Fa2由表查得轴承的内部轴向力为：Fs1＝0.68Fr1＝0.68×1000＝680NFs2＝0.68Fr2＝0.68×2060＝14000NFs2＋FA＝1400＋880＝2280N＞Fs1轴承1为压紧端Fa1＝Fs2＋FA＝2280N轴承2为放松端Fa2＝Fs2＝1400N2）计算轴承1、2的当量动载荷由表查得e＝0.68由表查得X1＝0.41、Y1＝0.87、X2＝1、Y2＝0。当量动载荷P1＝X1Fr1＋Y1Fa1＝0.41×1000＋0.87×2280＝2394NP2＝X2Fr2＋Y2Fa2＝1×2060＋0×1400＝2060N3）计算所需的径向基本额定动载荷Cr因轴的结构要求两端选择同样尺寸的轴承，今P1＞P2，故应以轴承1的当量动载荷P1为计算依据。受中等冲击，fp＝1.5；工作温度正常，ft＝14）由手册查得Cr=35200N。Cr1＜Cr，故选用7208AC轴承适用§11-5滚动轴承的润滑和密封润滑目的：减小摩擦，减轻磨损密封目的：防止灰尘、水分等进入轴承，阻止润滑剂的流失一、滚动轴承的润滑轴承的润滑剂：润滑脂、润滑油、固体润滑剂一般情况，滚动轴承采用润滑脂润滑，但在轴承附近已经具有润滑油源时，也可采用润滑油润滑。速度因数dnd——轴承内径，mm；n——轴承套圈的转速，r/mindn＜（1.5～2）×105mm·r/min时，一般采用润滑脂润滑，超过这一范围宜采用润滑油润滑。脂润滑不易流失，便于密封和维护，一次填充润滑脂可运转较长时间油润滑比脂润滑摩擦阻力小，能散热，主要用于高速或工作温度较高的轴承二、滚动轴承的密封1、接触式密封1）毡圈密封矩形断面的毛毡圈被安装在梯形槽内，对轴产生一定的压力而起到密封作用。适用场合：脂润滑，要求环境清洁，轴颈圆周速度v不大于4～5m/s，工作温度不超过90℃2）密封圈密封密封圈是一种带有缺口的环状密封件，把它放置在套筒的环槽内，密封环靠缺口被压拢后所具有的弹性而抵紧在静止件的内壁上，起密封作用，密封圈用皮革、塑料或耐油橡胶制成，有的具有金属骨架。适用场合：脂或油润滑。轴颈圆周速度v＜7m/s，工作温度范围－40～100℃。密封唇朝外，防灰尘、杂质进入密封唇朝里，防漏油2、非接触式密封1）间隙密封在轴和轴承盖的通孔墙之间留一个极窄的间隙，间隙越小越长，效果越好，间隙通常取0.1～0.3mm，内填润滑脂。适用场合：脂润滑，要求环境清洁2）迷宫式密封将旋转件与静止件之间的间隙做成迷宫（曲路）形式，并在间隙中充填润滑油或润滑脂以加强密封效果。适用场合：脂润滑或油润滑，工作温度不高于密封用脂的滴点。轴向密封径向密封3）组合密封