机械设计基础 第五版 课件 CH11 轴承

第十一章轴承——机械设计基础第十一章轴承§11-1滑动轴承概述§11-2滑动轴承的结构和材料§11-3滑动轴承的润滑§11-4

非液体摩擦滑动轴承的设计计算§11-5滚动轴承的构造、类型及特点§11-6滚动轴承的代号及类型选择§11-7滚动轴承的寿命计算§11-8滚动轴承的组合设计§11-9滚动轴承的维护和使用§11-10滚动轴承与滑动轴承的比较功用：机器中主要用来支承轴，用以保证轴的旋转精度，并减少轴与支承物间的摩擦和磨损。有时，轴承也被用来支承轴上的旋转零件。根据工作时的摩擦性质，轴承分为滑动轴承和滚动轴承两大类。

重点学习内容1.会选用滑动轴承的结构和材料。2.重点掌握非液体摩擦滑动轴承的设计计算。3.会选择滚动轴承的类型，熟练掌握轴承的寿命计算。4.重点掌握滚动轴承组合设计方法，并能正确进行设计。1.按承受的载荷方向分（1）径向滑动轴承—主要承受径向载荷FR（2）止推滑动轴承—主要承受轴向载荷Fa§11-1滑动轴承概述一、滑动轴承的分类2.按轴颈和轴瓦间的摩擦状态分（1）液体摩擦滑动轴承工作时，轴颈和轴承工作表面被一层润滑油膜隔开。由于两零件工作表面没有直接接触，轴承的阻力只是润滑油分子间的内摩擦力，所以摩擦系数小（0.001～0.008），寿命长，效率高，但是制造精度要求也高，并需在一定条件下才能实现液体摩擦。（2）非液体摩擦滑动轴承工作时，轴颈和轴承工作表面间虽有润滑油存在，但从微观上看，工作表面局部凸起部分仍发生金属的直接接触，因此，工作条件要求不高，故在机械中应用仍然较广泛。液体摩擦实例一：

1976年，广洲渔轮厂拆修渔轮上的柴油机，发现主轴上的轴承(巴氏合金)在加工时刮刀留下的刀痕还仍然存在。该柴油机已使用了l0多年，未更换过主轴承，这说明轴承已形成液体摩擦，否则会磨损，就看不到刀痕了。

液体摩擦实例二：

原“东方红”轮船上的齿轮减速器，在1975年检查时，发现齿面上在滚齿时滚刀留下的刀痕还存在。该减速器已使用了几十年，采用喷油润滑，这说明齿轮间也形成了液体摩擦，大大降低了磨损。液体摩擦实例三：

电风扇上叶片轮轴与机架采用的是滑动轴承，质量好时无噪声。用滚动轴承时噪声和发热都较严重。§11-2滑动轴承的结构形式和材料一、径向滑动轴承1.整体式由轴承座和轴瓦组成。轴承座用螺栓与机座联接，顶部设有装油杯的螺纹孔。轴套上开有油孔，并在内表面开油沟以输送润滑油。这种轴承结构简单，但当工作表面磨损后，间隙无法调整，轴颈只能从端部装入。多用于低速、轻载和间歇工作场合，如绞车、手动起重机等。2.对开（剖分）式由轴承盖、轴承座、对开轴瓦和双头螺柱组成。轴承盖和轴承座对开面常做成阶梯形，以便定位和防止工作时错动。安装时上下瓦分面间放有垫片，当轴瓦工作面磨损后，可抽去一些垫片，以此来调整轴承的间隙。这种结构可调整间隙，且轴承盖可打开安装轴，便于装拆维修，但结构复杂，价格较贵。3.自动调心式当轴的刚度小，轴颈较长（宽径比B/d>1.5），或由于两轴承不是安装在同一刚性机架上，同心度较难保证时，都会造成轴瓦端部的局部接触，使轴瓦局部磨损严重，此时可采用自动调心式滑动轴承。这种轴承将轴瓦外表面做成凸形，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。因此，轴瓦可随轴的弯曲或倾斜而自动调心，从而保证轴颈与轴瓦的均匀接触。二、止推滑动轴承由轴承座、套筒、径向轴瓦、止推轴瓦组成。这种轴承主要承受轴向载荷，借助于径向轴瓦也可承受部分径向载荷。实心端面止推轴颈由于工作时轴心与边缘磨损不均匀，以致轴心部分压强极高，所以极少采用。空心端面止推轴颈和环状轴颈工作情况较好。载荷很大时，可采用多环轴颈。它还能承受双向轴向载荷。三、轴承材料1.对材料的要求轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。由于轴瓦是轴承中与轴颈直接接触的零件，对其材料的主要要求是：(1)具有足够的抗压强度、抗疲劳能力和抗冲击能力。(2)具有良好的减摩性。材料要有较低的摩擦阻力。(3)具有良好的耐磨性。抗粘着磨损和磨粒磨损性能较好。(4)具有良好的跑合性。轴颈与轴瓦表面经短期轻载运转后，易于形成相互吻合的表面粗糙度。(5)良好的可塑性。具有适应因轴的弯曲和其他几何误差而使轴与轴承滑动表面初始配合不良的能力。(6)具有嵌藏性。轴承材料具有容纳金属碎屑和灰尘的能力。(7)良好的工艺性和导热性，并应具有抗腐蚀性能。2.材料（1）青铜（2）轴承合金（3）其它材料灰铸铁、粉末冶金四、轴瓦结构轴瓦可以由一种材料制成，也可以在高强度材料的轴瓦基体上浇注一层金属衬，称为轴承衬。常用轴瓦有整体式和对开式两种结构。整体式轴承采用整体式轴瓦。对开式轴承采用对开轴瓦。如在其内表面浇注一层或两层轴承合金为轴承衬，则称为双金属轴瓦或三金属轴瓦。为了使轴承衬与轴瓦结合牢固，可在轴瓦基体内表面做一些沟槽。为了使润滑油能流到轴瓦的整个工作表面上，轴瓦上要开出油沟，一般油孔和油槽应开在非承载区，由非承载区引入以保证承载区油膜的连续性，不降低其承载能力。下图所示为几种常见的油沟形式。§11-3滑动轴承的润滑润滑对减少滑动轴承的摩擦和磨损以及保证轴承正常工作具有重要意义。因此，在设计和使用轴承时，必须合理地采取措施，对轴承进行润滑。一、润滑剂1．润滑油2.润滑脂二、润滑方式在选定润滑剂之后，还要选用恰当的润滑方式。滑动轴承的润滑方式可按下式求得的k值选取：式中：p为轴颈的平均压强，MPa；v为轴颈的平均圆周速度，m／s。当k≤2时，若采用润滑脂润滑，则用旋盖式油杯手工加油，若采用润滑油润滑，则用压注油杯或旋套式注油油杯进行定期加油；当k＞2～16时，用针阀式注油油杯或油芯式油杯进行滴油润滑；当k＞16～32时，用油环带油方式，或采用飞溅、压力循环等连续供油方式进行润滑；当k＞32时，采用压力循环的供油方式进行润滑。§11-4非液体摩擦滑动轴承的设计计算一、主要失效形式1、磨损 2、胶合非液体摩擦滑动轴承的工作表面，在工作时有局部的金属接触，会产生不同程度的摩擦和磨损，使配合间隙增大，当间隙超过某一允许值时，机器正常运行受到破坏，噪声增大，旋转精度变低。当轴承在高速、重载且润滑不良时工作，摩擦加剧，发热过多，可能会发生胶合失效。严重时，甚至轴承与轴颈焊死。二、设计计算条件性计算。一般已知：轴颈直径d(mm)、转速n(r/min)和轴承承受的径向载荷FR（N）设计步骤：（1）根据轴承的工作条件和使用要求，确定轴承及相应的轴瓦的结构型式，并选定轴瓦材料。

（2）确定轴承的宽度B。一般由宽径比B/d及d值确定。

B/d↑承载↑但油不易从两端流出，散热性差。一般取B/d=0.8～1.5。1.径向滑动轴承1）磨损—校核平均压强p限制压强p是为了保证摩擦表面之间保留一定的润滑剂，（p大，润滑剂易被挤出），避免轴承过度磨损而缩短寿命。（3）验算轴承的工作能力2)胶合—校核pv值

限制pv值是为了防止轴承过热而发生胶合，因pv值大，轴承单位面积上的摩擦功也大。3)校核v值对于压强小的轴承，即使p和pv值验算合格，但由于轴产生弯曲或不同心，轴承的局部区域，可能产生相当高的压力，当速度v过高时，局部的pv值可能超过其许用值，轴承会加速磨损而使轴承报废。[p]、[pv]和[v]值见表11-12.止推滑动轴承止推滑动轴承的计算与径向滑动轴承的相同1）磨损—校核压强p2)胶合—校核pvm值三、实例分析（见P232）[p]和[pv]值见表11-4优点：摩擦阻力小、起动容易、效率高、润滑简便、更换方便

§14-5滚动轴承的构造、类型及特点一、滚动轴承的构造组成：外圈、内圈、滚动体、保持架。二、类型及特点公称接触角—滚动体与外圈接触处的法线与径向平面之间的夹角。越大，轴向承载能力越大按其所能承受的载荷方向可分为：向心轴承—主要承受径向载荷推力轴承—主要承受轴向载荷按照滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。而滚子又有圆柱滚子、鼓形滚子、圆锥滚子和滚针等。按其工作时能否调心，滚动轴承还可分为刚性轴承和调心轴承。熟练记住下面5类轴承的性能和特点圆锥滚子轴承和角接触球轴承，在成对使用时，一定要对称安装。轴承安装实例：

某校原港机系设计的5吨轮胎吊，在港机厂制造试车时，由于青年工人将一对圆锥滚子轴承装成同向，造成几次试车都使轴承烧掉。厂方认为轴承破坏是设计的问题，后来才发现是轴承安装不正确所致。§11-6滚动轴承的代号及类型选择一、滚动轴承的代号滚动轴承已标准化，为了便于生产和使用，国家有关标准规定了滚动轴承的代号。其代号由三部分组成。前置代号基本代号后置代号1.基本代号1)类型代号前述（右起4或5位）2)内径代号右起1-2位内孔直径d=代号数字×5,适用范围20～480mm,

但00，01，02，03例外，其他为：/内径3）尺寸系列代号右起3或3-4位内径d相同，D和B不同的组合2.前、后置代号轴承在结构形状、尺寸、公差、技术要求有改变时，在基本代号左右添加的补充代号。如公差/P0（省略），/P6等，分别表示0级和6级公差例：试说明轴承代号6206、33215E、7312C及52412/P6的含义6206：深沟球轴承，尺寸系列02，为(窄)轻系列，轴承内径d=30mm，公差等级为0级33215E：圆锥滚子轴承，尺寸系列32，为特宽轻系列，轴承内径d=75mm，加强型，公差等级为0级7312C：角接触球轴承，尺寸系列03，为(窄)中系列，轴承内径d=60mm，公称接触角，公差等级为0级。52412/P6：双向推力球轴承，尺寸系列24，为正常高、重系列，轴承内径d=60mm，公差等级为6级。

二、滚动轴承的类型选择（阅读）

主要根据载荷性质、大小、转速高低、调心性能、空间位置的要求选择。轴承选择实例一：

1975年某校教师在哈尔滨船厂进行柴油机的组合机床加工生产线设计。在箱体与缸头多头钻设计时，最头痛的是挑选轴承，由于钻杆之间位置紧张，不能采用一般轴承(3类、6类、7类)，而只能用NA类(滚针轴承)，位置问题解决了，但有时又不能承受大的轴向力，这就要对整个箱体与传动部分进行全面规划。轴承选择实例二：

湖北省先进小港兰溪港，工人自己制造土吊车，由于轴承两端同心度不高，选用的又不是调心轴承，造成轴承经常破坏，后来在轴的中间又加了一个轴承，结果还是破坏，工人们不知道是什么原因，后经武汉理工大学教师指点，将其换成调心轴承，问题得到了解决。

轴承选择实例三：火车的车箱很宽而且受载很大，在二车轴上需要两个轴承，由于载荷大，跨距大，因此就采用调心滚子轴承(2类)。现在新设计的齿轮箱(中硬齿面或硬齿面)也采用2类轴承，这样就可以使齿轮在相互啮合过程中，自动调整接触线的位置。§11-7滚动轴承的寿命计算一、失效形式与计算准则1.失效形式1）疲劳点蚀（一般转速）（轴承受变载荷）2）塑性变形（低速、不回转、摆动）3）磨损、内外圈和保持架破损、胶合疲劳点蚀→寿命计算塑性变形→静强度计算2.计算准则二、基本额定寿命和基本额定动载荷轴承寿命：出现疲劳点蚀前所经历的总转数或在一定转速下所经历的工作小时数。滚动轴承的寿命有很大的离散性，以可靠度衡量轴承寿命。可靠度：一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分率，称为轴承的可靠度。基本额定寿命：是指一批相同的轴承，在相同的使用条件下工作，其可靠度为90%时能达到或超过的寿命。可以用总转数L10表示，也可以用一定转速下工作的总小时数Lh表示。基本额定动载荷C：基本额定寿命L10=106转时，轴承所能承受的载荷。C值可查手册。三、当量动载荷基本额定动载荷C是在受纯径向载荷或纯轴向载荷下得到的，实际情况下可能同时受径向载荷和轴向载荷，要与基本额定动载荷作比较，通过实验将实际工作载荷转化为当量动载荷P，在当量动载荷作用下，轴承的寿命与实际复合载荷下轴承的寿命相同。X—径向系数Y—轴向系数fP—载荷系数FR—径向载荷FA—轴向载荷当量动载荷四、寿命计算公式轴承寿命与载荷有关，有载荷—寿命曲线（P-L曲线）试验表明：ε—寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3当L10=1（106转）

基本额定动载荷C例6305，D=62，B=17，C=19.5KN

6205，D=52，B=15，C=14.0KN当预期寿命已给定，则所需轴承应具有的基本额定动载荷C’为：轴承寿命计算实例：

轴承寿命计算公式：。如自行车载人(载荷增加一倍)，则其上球轴承寿命仅为单人用的1／8(即一人用可用8年，而载人仅能用一年)。五、角接触球轴承（7类）和圆锥滚子轴承（3类）轴向载荷FAi的计算。特点：在只承受径向载荷FR时，由于法向力方向与径向平面成一接触角，会产生内部轴向力FS，计算轴向载荷FAi时须将FS考虑进去。1.内部轴向力FS的大小及方向FS的大小：由弹性力学推导的公式计算，见表11-12。FS的方向：总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向2.轴向载荷FAi的计算这类轴承通常成对安装，有两种安装方式，外圈窄边相对，正安装（重点）外圈宽边相对，反安装FAS1S2正安装思路：轴的力平衡条件（轴、内圈、滚动体一起为分离体）如果轴还受到外部轴向力Fa

，则每个轴承所受的轴向力FAⅠ、FAⅡ应考虑Fa及FS的影响，最后确定。FAS1S2反安装（1）若Fa+FS1>FS2，轴有向右移动趋势，轴承Ⅱ“压紧”，

Ⅰ“放松”。由力平衡方程，有：Fa+FS1=FS2+FS’2=FAⅡ压紧端；FS1=FAⅠ放松端（2）若Fa+FS1<FS2，轴有向左移动趋势，轴承Ⅰ“压紧”，Ⅱ“放松”Fa+FS1+FS’1=FS2；FAⅡ

=FS2

放松端；

FAⅠ=FS2–Fa

压紧端小结：（1）判断全部轴向力（包括FA、FS1、FS2）合力的指向，确定“压紧端”和“放松端”（2）“放松”端轴承轴向力FAi等于其本身内部轴向力。（3）“压紧”端轴承轴向力FAi等于除本身内部轴向力外其它所有轴向力的代数和。解：下面求P，P=fP(XFR+YFA)轴承I：FR1=2000N FA1=Fa=600N查表：X=0.56Y=1.9 fP=1.2 得：P1=2712N轴承Ⅱ：FR2=1500N FA2=0查表：X=1Y=0fP=1.2P2=1800N∵P1>P2

故仅计算轴承I例题1求6307轴承的寿命。已知：FR1=2000N，FR2=1500N，Fa=600N，Cr=33.2kN，n=500r/minFaⅠⅡ例11-37208AC轴承。n=1450r/min

,Fa=1000N

,FR1=1500N，

FR2=750N，有中等冲击，要求预期寿命为6000h。解：例题2FR1=1000N，FR2=2000N，FA=800N，n=1440r/min，初选30207轴承，受中等冲击，预期寿命Lh’=50000～60000h，所选轴承合适否？查手册C=54.2KN，下面求当量动载荷P，P=fP(XFR+YFA)

，fP=1.51.由于是3类轴承,先求FAiFS1=FR1/2Y=1000/2×1.6=313NFS2=FR2/2Y=2000/2×1.6=625NFS1+FA=313+800=1113NFS1+FA

＞

FS2轴承I放松、轴承Ⅱ压紧由力的平衡方程FS1+FA=FS2+FS,2FA1=FS1=313NFA2=FS1+FA=1113N2.求当量动载荷P

轴承IP1=fP(XFR1+YFA1)=1500N

轴承ⅡP2=fP(XFR2+YFA2)=3871NP2>P1

以轴承Ⅱ作为寿命计算依据3.求Lh实际寿命比预期寿命大，轴承合格。六、滚动轴承的静强度计算对于在低转速(n＜10r/min)或在缓慢摆动条件下工作的滚动轴承，由于主要失效形式为塑性变形，这时滚动轴承应按静强度进行计算。对在重载荷或冲击载荷下转速较高的轴承，除按疲劳寿命计算外，为安全起见，也要按静强度对轴承进行验算。

轴承套圈间相对转速为零，使最大载荷滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值(向心和推力球轴承为4200MPa，滚子轴承为4000MPa)时的静载荷，称为滚动轴承的基本额定静载荷C。(向心轴承称为径向基本额定静载荷C0r，推力轴承称为轴向基本额定静载荷C0a对于同时承受径向和轴向载荷的轴承，应按当量静载荷P0进行计算，向心轴承的当量静载荷P0为下列两式中的较大值式中：X0，Y0分别为当量静载荷的径向和轴向系数对于的推力轴承当量静载荷为对于的推力轴承当量静载荷为按静强度选择轴承的计算式为

式中S0称为静强度安全系数，其值可查有关手册。§11-8滚动轴承的组合设计一、轴系的轴向定位1.两端单向固定（L≤350mm,t≤700）C=0.25～0.4mm2.一端双向固定，一端游动（L＞350mm）固定端轴承可承受双向轴向载荷，游动端可选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。选用深沟球轴承时，应在轴承外圈与端盖之间留有间隙，允许轴与机座作相对移动；选用圆柱滚子轴承时，则轴承外圈应作双向固定，以免外圈同时移动，造成过大错位。３.两端游动（L＞350mm）人字齿轮主动轴，由于轮齿两侧螺旋角不易做到完全对称，为了防止轮齿卡死或两侧受力不均匀，应采用轴系能有左右微量轴向游动的结构，图中两端都选用圆柱滚子轴承，滚动体与外圈间可轴向移动。与其相啮合的另一轴系则必须两端固定，以使该轴系在箱体中有固定位置。二、轴向位置的调整有时轴上零件在安装时要有准确的工作位置，如锥齿轮传动要求两齿轮的锥顶重合于一点，蜗杆传动要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线，这些都要求轴的轴向位置应能调整。三、提高轴承系统的刚度和同轴度

轴承不仅要求轴具有一定的刚性，而且也要求轴承座孔具有足够的刚性，这是因为轴或轴承座孔的变形都会使滚动体滚动受阻，降低轴承使用寿命。1.轴承座孔壁应有足够的厚度，或采用加强肋2.轴承采用正安装或反安装反安装正安装正安装刚度不好3.轴承的预紧四、配合和装拆配合内圈与轴—基孔制外圈与轴—基轴制2.装拆压力机热油4.同一轴上的轴承座孔保证同心用手锤安装轴承轴承的定位轴肩过高，轴承将无法拆出，定位轴肩的尺寸要查手册—轴承的安装尺寸§11-9滚动轴承的维护和使用一、滚动轴承的润滑1.目的：减少摩擦、磨损，冷却、吸振、防锈和减小噪声2.润滑方式：润滑脂、润滑油、固体润滑剂，可参看表11-15按dn值选择要延长轴承的使用寿命和保证旋转精度，应加强对轴承的维护，采用合理的润滑和密封，并应经常检查润滑和密封状况。二、滚动轴承的密封1.目的：阻止灰尘、水分等杂物进入，防止润滑剂的流失2.密封方法：接触式、非接触式、组合式接触式非接触式组合式：油环与油沟组合三、滚动轴承的检验机器设备在中修或大修时应将轴承彻底清洗干净，并逐个予以检验。检验内容主要有外观检视、空转检验、游隙测量三个方面。§11-10滚动轴承与滑动轴