机械设计课件 13第十三章滚动轴承2014ysm

第十九章

滚动轴承第二十章

滑动轴承轴承轴承按其外径尺寸大小，分为：

a)微型轴承——公称外径尺寸范围为26mm以下的轴承;

b)小型轴承——公称外径尺寸范围为28～55mm的轴承;

c)中小型轴承——公称外径尺寸范围为60～115mm的轴承;

d)中大型轴承——公称外径尺寸范围为120～190mm的轴承;

e)大型轴承——公称外径尺寸范围为200～430mm的轴承

f)特大型轴承——公称外径尺寸范围为440mm以上的轴承.第十三章

滚动轴承(rollingbearing)13-1概述

滚动轴承是各类机械中普遍使用的重要支承件，它是由专业厂大批量生产的一种标准件。因此应尽量选用之，本章是重点章节之一。由于滚动轴承的类型、尺寸及精度等级已有国家标准，因此，在机械设计中需要解决的主要问题是：

根据工作条件合理选择滚动轴承的类型；

滚动轴承的承载能力计算(寿命计算)；

滚动轴承部件的组合设计。我们的任务一、结构：滚动轴承由四部分组成。内圈、外圈（组成环形滚道）滚动体：球、圆柱滚子（短、长）、螺旋滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、滚针。保持架：将滚动体均匀隔开，避免直接接触、引起摩擦、磨损。所以滚动轴承分为球轴承和滚子轴承二、滚动轴承的特点优点：1）f小，起动力矩小，η高；2）运转精度较高（可用预紧方法消除游隙）；3）轴向尺寸小；4）某些轴承能同时承受Fr和Fa，使机器结构紧凑；5）润滑方便、简单、易于密封和维护；6）互换性好（标准零件）缺点：1）承受冲击载荷能力差；2）高速时噪音、振动较大；3）高速重载寿命较低；4）径向尺寸较大（相对于滑动轴承）应用：广泛应用于中速、中载和一般工作条件下运转的机械设备。三、游隙、接触角及调心性质1.游隙：两套圈间相对最大移动量：分为径向游隙、轴向游隙。

标准中规定：6个组游隙，应优先选用0组游隙的轴承。

角接触向心轴承的游隙依靠安装时调整套圈间的相对位置确定。2.接触角：滚动体与外圈接触点处的法线与半径方向的夹角越大，承受轴向载荷的能力越大。3.调心性能：滚动轴承的角偏差（角偏移）——内外圈轴线之间的夹角。

调心性能——轴承适应较大角偏差，保持正常工作的性能。即在较大角偏差时仍能正常工作。应用场合举例调心性能好的轴承称为：调心轴承按承受载荷的方向分：向心类轴承、推力类轴承。13-2滚动轴承的分类见了要认识它们。1——调心球轴承主要受径向力和不大的轴向力，能调心，速度较高，不耐冲击。2——调心滚子轴承常用主要受径向力和不大的轴向力，能调心，速度较低，耐冲击。FrFaFrFa我国滚动轴承的标准：将滚动轴承分为十二大类。注意：结构与承载方向、转速和调心等的关系。0-双列角接触球轴承3——圆锥滚子轴承（成对使用）能承受较大径向力和单方向轴向力，速度较低，耐冲击。=10º～18º、=27º～30º5——推力球轴承不能承受径向力仅能承受单方向轴向载荷，低速，不耐冲击。FaFrFa51×××52×××4-双列深沟球轴承6——深沟球轴承可承受较大的径向力和两个方向不大的轴向力，速度较高，不耐冲击。未承受载荷时=0；受轴向载荷时增至7——角接触球轴承（成对使用）主要承受径向力和单方向轴向力，速度较高，不耐冲击。

接触角：15º、25º、40º

FaFr价格低，用途广。FrFaN——圆柱滚子轴承承受较大的径向力，速度低，耐冲击。Fr8-推力圆柱滚子轴承0——双列角接触球轴承；2——调心滚子轴承，推力滚子轴承；4——双列深沟球轴承；8——推力滚子轴承；UC——带顶丝外球面球轴承；QJ——四点接触球轴承；NA、K——滚针轴承或滚针和保持架组。其它滚动轴承类型：几条基本原则：1）球轴承和滚子轴承：

n高，载荷小，要求旋转精度高→采用球轴承；

n低，载荷大，或有冲击载荷时→采用滚子轴承。但滚子轴承对轴线偏斜较敏感。2）考虑所受载荷方向：单一方向载荷：

主要受径向载荷Fr时→用向心轴承：6、N、1、2主要受轴向载荷Fa，n不高时用推力轴承：5

二.

滚动轴承类型的选择受混合载荷（受到径向力和轴向力共同作用）：同时受Fr和Fa均较大时——可采用角接触球轴承7类（n较高时）或圆锥滚子轴承3类（n较低时）

Fr较大，Fa较小时——深沟球轴承（6类）

Fa较大，Fr较小时——深沟球轴承+推力球轴承组合，或角接触推力轴承。谁能举例说明轴上有什么零件时轴承受混合载荷？3）要求n<nlim——极限转速

6、7、N——极限转速较高推力轴承——极限转速较低，∴只受Fa而n较高时——不用推力轴承而宁可用6、7两类。球轴承极限转速高于滚子轴承，轻系列极限转速高于中或重系列轴承。4）当轴的刚性较差或轴承孔不同心时宜用调心轴承，或带顶丝外球面球轴承5）为便于装拆和间隙调整，可选用内、外圈可分离的轴承。用3系列、N系列。FaFr6）3、7类轴承两支点一般应成对使用，对称安装；调心轴承一般应成对使用。7）旋转精度较高时，应选用较高的公差等级和较小的游隙；转速较高时，应选用较高的公差等级和较大的游隙。公差等级越高，轴承价格越贵；滚子轴承价格高于球轴承，深沟球轴承价格最低。8）优先考虑用普通公差等级的深沟球轴承。太空星系NGC3949五千万光年11-3滚动轴承的代号为使用时选择方便，采用“轴承代号”来表示轴承的类型、特点及结构尺寸、精度等级等。前置代号基本代号后置代号例：6204N231013227015C30334512247211c/P51、前置代号：用于表示轴承的分部件，用字母表示。如：L表示可分离轴承的可分离套圈，LUN207；

K表示滚针轴承的滚动体与保持架组件等。2、基本代号：五四三二一类型代号尺寸系列宽度系列（高度）直径系列内径系列右1、2位：内径系列规定组合22、28、32除外右3位：直径系列7、8、9、0、1、2、3、4、5常见代号及含义：1——特轻，2——轻3——中，4——重右4位：宽度系列：8、0、1、2、3、4、5、6表示特窄、窄、正常、宽、特宽。高度系列：7、9、1、2表示特低、低、正常1、正常2尺寸系列代号有时可以省略:除调心滚子轴承和圆锥滚子轴承外,其余各类轴承宽度系列代号"0",均省略;深沟球轴承和角接触球轴承的10尺寸系列代号中的"1"可以省略;双列深沟球轴承的宽度系列代号"2"可以省略.

3、后置代号：用字母和数字等表示轴承的内外部结构、公差及材料等特殊要求等等（无特殊要求不标）。材料改变：不锈钢、耐热钢、青铜、陶瓷合金、塑料等。特殊技术要求：热处理、噪声、振动、填充特殊润滑剂。内部结构和外部结构变化等：如角接触球轴承不同接触角总共包含8项2)轴承的公差等级分为2级、4级、5级、6级、6x级和0级，共6个组别，依次由高级到低级，其代号分别为/P2、/P4、/P5、/P6、/P6x和/P0。公差等级中，6x级仅适用于圆锥滚子轴承；0级为普通级，在轴承代号中不标出。如：6206/p51)内部结构代号是表示同一类型轴承的不同内部结构，用字母紧跟着基本代号表示。如：接触角为15º、25º和40º的角接触球轴承分别用C、AC和B表示内部结构的不同。如：7210C常用代号：3)常用的轴承径向游隙系列分为1组、2组、0组、3组、4组和5组，共6个组别，径向游隙依次由小到大。0组游隙是常用的游隙组别，在轴承代号中不标出，其余的游隙组别在轴承代号中分别用/C1、/C2、/C3、/C4、/C5表示。例：7211C/P5——表示内径为55mm，轻系列角接触球轴承，正常宽度，接触角=15º，5级公差，0组游隙。13-4滚动轴承的工作情况及设计准则分析：向心轴承与圆锥滚子轴承工作时载荷分布及其变化情况。一、向心轴承最多一半滚动体受力1、轴承工作时，元件上的载荷分布。

载荷工作时，各接触点所受的接触载荷FNi不同，产生的变形量亦不同，处于Fr作用线上的接触载荷最大，其他接触点依次减小。接触载荷Fi的向量和=径向载荷即：2、元件上载荷及应力的变化：轴承工作时，各个元件上所受的应力是时时变化的。滚动体上所受的载荷及应力为不稳定变化的。活动套圈上所受的载荷及应力变化情况与滚动体类似。通过承载区的时间通过非承载区的时间tP、H滚动体、活动套圈tP、H固定套圈固定套圈上Fr作用线上的接触点所受载荷最大，其载荷及应力是稳定变化的。当轴承为半周滚动体承受载荷时，应满足：二、角接触向心轴承

向心推力轴承由于存在接触角，在承受径向载荷Fr时，会产生轴向力Fdi，各滚动体的轴向力之和称为轴承的内部轴向力Fd或S。使滚动体与套圈分离，因此，必须承受轴向载荷与其平衡即Fa=Fd。S计算见表19-10

式中：——载荷角当时，开始使全部滚动体受载。Y为Fa/Fr>e时的值一半滚动体受力时的Fd三、滚动轴承的失效形式及设计准则1.失效形式正常情况塑性变形静载菏或冲击载荷较大多发生在低速、摆动。

点蚀常见形式非正常情况磨粒磨损（拖拉机）、粘着磨损、卡死、碎珠等

2.设计准则——针对主要失效形式对于正常使用的回转滚动轴承：应进行控制点蚀的寿命计算(尺寸选择计算)。对于不转动、摆动、转速低的轴承：应进行控制塑性变形的静强度计算。轴承寿命：轴承在点蚀破坏前所经历的转数或小时数。同一批相同的轴承在同样的工作条件下，其轴承寿命可相差20～40倍。因此，只能用数理统计的方法得出寿命规律。13-5滚动轴承尺寸的选择（寿命计算）尺寸选择计算：保证寿命条件下选择尺寸系列；寿命计算：确定载荷条件下，计算轴承寿命。轴承的基本额定寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，则接触应力越大，寿命越短。基本额定动载荷：轴承的基本额定寿命为L10=1（106）转时，轴承所能承受的特定方向的载荷值。——用来比较轴承抵抗点蚀破坏的承载能力。

各种轴承的基本额定动载荷C值查手册（或轴承样本）确定。一

基本额定寿命和基本额定动载荷：基本额定寿命：按90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数，作为轴承的寿命，记为L10。二.当量动载荷——进行寿命计算

对于仅承受径向载荷Fr的径向接触轴承：P=fpFr对于仅承受轴向载荷Fa的轴向接触轴承：P=fpFa

对于同时承受径向载荷Fr

及轴向载荷Fa

的轴承：P=fp（XFr+YFa）式中：X、Y分别为径向动载荷系数及轴向动载荷系数，查表19-6。，fp载荷系数,查表19-7

要记住。将实际载荷转换为与基本额定动载荷方向一致的假想载荷。在当量动载荷作用下，轴承寿命与实际复合载荷作用下的轴承寿命相同。三.轴承寿命的计算公式载荷——寿命曲线：0CPP1L(106)LPL=常数曲线方程：PL=常数式中：P——当量动载荷；L——基本额定寿命（106转）；——寿命指数：球轴承：=3

滚子轴承：=10/3按小时计的轴承寿命为：寿命计算尺寸选择计算由设备类型定

当P、n一定，预期计算寿命选定，则轴承所需额定动载荷为

对于高温轴承（温度高于120ºC），因材料、金属组织、硬度等的变化，额定动载荷值将降低为：

Ct=ftCfT——温度系数则上述公式为：会用fT见表19-8若可靠度不是10%的寿命计算见GB/T6390-2010四.角接触轴承（3、7类）的轴向载荷Fa的计算1）压力中心的确定

在计算角接触轴承的支反力时，首先要确定载荷作用点——即压力中心的位置。压力中心O与轴承外侧端面的距离a可直接从手册查出。2）安装方式：角接触轴承一般都是成对使用的，安装方式有两种：o正装（面对面）：压力中心靠近，增加轴系的刚度Fd2Fd1FaeAFr2Fr1FreFd2Fd1FaeS(Fd)计算见表19-10

反装（背对背）：压力中心远离，增大轴系的跨距（稳定）S2S1AAS1S2Fr1Fr2FaeFaeFd1Fd2Fd1Fd2Fre径向载荷Fr：可根据作用在轴上的径向力Fr按平衡条件求出。轴向载荷Fa

：设内部轴向力的方向与外加轴向力方向一致的轴承标号为1，另一轴承标号为2。3）轴承载荷计算（Fr、Fa）轴向力不平衡时：有两种情况：画图轴向力平衡时：——轴向外载荷，可根据已知条件确定。—内部轴向力a)2轴承被压紧、1轴承被放松FaeFd2Fd1b)1轴承被压紧、2轴承被放松AFaeFd2Fd1

现将计算角接触轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法总结如下：（1）根据轴承的安装（背靠背、面对面）及轴承类型，确定内部轴向力Fd1(S1)、Fd2(S2)（大小和方向）；（2）确定轴上外载荷的合力Fae；（3）根据内部轴向力和轴向外载荷，判断被“压紧”和被“放松”的轴承；（4）被“压紧”的轴承的轴向力等于除自身内部轴向力外所有轴向载荷的代数和，被“放松”的轴承的轴向力等于自身内部轴向力。13-6滚动轴承的静强度计算和极限转速一.静强度计算

基本额定静载荷C0：受载最大的滚动体与较弱的套圈滚边上产生的接触应力达到一定值时的载荷。（C0值查手册确定）

当量静载荷P0

：轴承上作用的径向载荷Fr和轴向载荷Fa，应合成一个当量静载荷。P0=X0Fr+Y0Fa式中：X0

、Y0—径向静载荷系数及轴向静载荷系数。见表19-11.求出的值如小于Fr，则取P0=Fr

静载荷计算公式：C0S0P0

式中：S0——静强度安全系数。（查表19-12）二、滚动轴承的极限转速n过高→产生高温→润滑剂性能（粘度↓）→使油膜破坏→滚动体回火磨损或胶合失效

——适用于0级公差，润滑冷却正常，轴承载荷P≤0.1C，向心轴承只受径向载荷，推力轴承只受轴向载荷的轴承。当P>0.1C、轴承受联合载荷时、润滑情况变坏，∴应对极限转速进行修正，这时轴承实际许用转速为f1——载荷系数，f2——载荷分布系数，

如果实际转速超过最大转速，措施：1.改进润滑；2.改善冷却条件；3.提高轴承精度；4.适当增大游隙；5.改变轴承和保持架的材料（采用特殊材料）三、可靠度大于90%时滚动轴承寿命计算当要求滚动轴承的可靠度大于90%时，其修正额定寿命Ln，

α1—寿命修正系数，见表13-9。13-7轴承组合的设计

为了保证轴承正常工作，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应合理地设计轴承组合。

在轴承组合设计时，应注意以下几个方面的问题：（1）轴系的固定；（2）轴系位置的调整；（3）轴承与轴、轴承孔的配合；（4）轴承的润滑和密封；

(5)轴承的装拆

（6）保证支承部分的刚性和同心度.

（7）预紧一.滚动轴承轴系的轴向位置确定(轴承配置）a)双支点单向固定：用于工作温度不高的短轴（l＜400mm）；注意：要留有必要的轴向间隙cb)一端固定，一端游动（固游式）：用于工作温度较高的长轴；一端固定，一端游动支承该轴承要能承受双向轴向力一端固定，一端游动支承方案c)两端均不固定（全游式）：一般用于主动人字齿轮轴，大齿轮对其起轴向限位作用。目的：弥补螺旋角误差引起的受力不均匀。两端游动支承滚动轴承的轴向紧固（保证相对位置，力的正确传递）

包括轴承内、外圈的紧固。轴承内圈的紧固方法a)弹性挡圈：用于深沟球轴承，所受轴向力不大，转速不高；b)螺钉及轴端压板：用于高转速及承受大的轴向力；c)圆螺母及止退垫圈。d)开口圆锥紧定套、止退垫圈和圆螺母：用于光轴，轴向力和转速都不大的球面轴承。

内圈的另一端，以轴肩作为轴向定位面。注意：为使端面贴紧，轴肩处圆角<轴承内圈圆角；轴肩高度<轴承内圈厚度。轴承外圈的紧固方法a)弹性挡圈：用于深沟球轴承，所受轴向力不大；b)止动环嵌入轴承外圈的止动槽内；c)轴承盖：用于高转速及很大轴向力的各类轴承；d)螺纹环：转速高、轴向力大且不宜使用轴承盖紧固的场合。二.便于调整轴承间隙及轴上零件的位置1.轴上零件位置调整靠加减衬筒端面与机件之间的垫片厚度调整。2.轴承（轴向）间隙调整：面对面安装：通过端盖下的调整垫片；背对背安装：通过圆螺母。悬臂较大，悬臂刚度差，轴承间隙方便调整。悬臂较小，悬臂刚度较大，轴承间隙调整不方便。三滚动轴承的配合及其选择研究配合的意义和作用:保证旋转圈正常旋转、保证适当间隙、保证不转圈方便安装、受力均匀、游动正常等轴承配合是指内圈与轴颈及外圈与座孔的配合。1.基准制：因为滚动轴承为标准件，因此：轴承内孔—轴：基孔制轴承外径—座孔：基轴制2.转动圈应比不动圈的配合紧些，且转速越高、载荷越大、振动越强烈时，配合应越紧。转动圈与旋转部分的配合：如n6,m6,k6,js6不动圈与不动部分的配合：如：J7,J6,H7,G7选取时，可参考同类型机器，或查设计手册。滚动轴承内、外圈均为零或负偏差。轴承与轴和轴承孔的配合3.剖分式机壳、游动圈或经常拆卸的轴承应选取较松的配合。

具体的配合公差、配合表面粗糙度和几何形状公差可按手册确定。四轴承的装拆1.润滑的目的：减小摩擦和磨损、噪音，防锈和散热。2.润滑的方法：油润滑、脂润滑五轴承的润滑非常重要3.润滑剂及润滑方法的选择

脂润滑：用于较低的dn值，不便经常添加润滑剂或不允许使用油润滑的场合，它能承受较大载荷，不易流失，容易密封。

油润滑：用于高速、高温、脂润滑不能满足要求时。

适用于脂润滑和油润滑的dn值界限(表值104)(mm·r/min)六.轴承的密封装置1.密封的目的：阻止灰尘、水、酸及其他杂物进入轴承；阻止润滑剂流失。

2.密封装置：分为两大类：接触式非接触式。

润滑油的粘度可根据工作温度t及dn值，查图13-26确定，然后，根据粘度查润滑油产品目录选出相应的润滑油牌号。

毡圈密封：结构简单但摩擦严重。用于v<4～5m/s处，主要用于脂润滑。（梯形槽、矩形毛毡）1）接触式：在轴承盖内放置软材料与转动轴直接接触密封（轴的表面粗糙度不能大1.6～0.8）。

唇形密封圈：安装方便，易于更换。v<10m/s（精车）；v<15m/s（磨光），要求轴颈淬硬，增强耐磨性。

注意：安装时密封唇应朝向密封部位。密封唇向内——防漏；向外——防尘；两个相反方向——既防尘又防漏。有带副唇的.2）非接触式密封，避免接触处产生滑动摩擦。

缝隙密封（图13-31）：间隙为0.1～0.3mm。主要用于脂润滑；

曲路密封组合密封

离心式密封

螺旋密封

七保证支承部分的刚性和同心度

与轴承接触的轴及机壳或轴承座，必须有足够的刚度和同心度，以免因其变形引起轴承提前损坏。1.机壳及轴承座孔：具有足够的壁厚；缩短其悬臂部分并设置加强筋；对于轻合金或非金属机壳应采用钢或铸铁衬筒。铝合金箱体2.一根轴上的两个轴承座孔，必须保证同心度，应一次镗出；轴承尺寸不同时可加衬筒。八滚动轴承的预紧1.预紧的目的：通过消除轴承的轴向游隙，使滚动体与内、外圈接触处产生变形，以提高轴承的旋转精度、刚度、减少振动。2.常用的预紧装置(1)、(2)、（3）、（4）1.预紧的目的：通过消除轴承的轴向游隙，使滚动体与内、外圈接触处产生变形，以提高轴承的旋转精度、刚度、减少振动。a)夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧（图13-25a）；b)