《互换性与技术测量》课件第7章

第7章滚动轴承的互换性7.1滚动轴承的结构及分类

7.2滚动轴承的精度等级

7.3滚动轴承内径和外径的公差带

7.4轴颈和外壳孔的公差带

7.5滚动轴承配合的选择

7.6轴颈和外壳孔的形位公差与表面粗糙度

7.7滚动轴承配合选择实例本章导读:

(1)了解滚动轴承的结构、分类、精度等级和应用场合。

(2)熟悉滚动轴承配合采用的基准制,掌握滚动轴承内径、外径的公差带特点。

(3)掌握滚动轴承的选用及其在零件图中的标注。

滚动轴承被广泛运用于机械制造业中,它是一种标准部件,一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。如图7.1所示。其内圈内径d与轴颈配合,外圈外径D与外壳孔配合,是一种典型的光滑圆柱连接。由于它的结构特点和功能要求与一般的光滑圆柱连接不同,因此其公差配合的要求也有所不同。7.1滚动轴承的结构及分类

图7.1滚动轴承结构滚动轴承按可承受负荷的方向分为向心轴承、向心推力轴承和推力轴承等;按滚动体的形状分为球轴承、滚子轴承、滚针轴承等。滚动轴承工作时,内圈和外圈以一定的转速作相对转动。

滚动轴承的工作性能和使用寿命不仅取决于轴承本身的制造精度,而且与滚动轴承相配合的轴颈和外壳孔的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度以及正确安装与否等因素有关,设计时,应根据上述因素在国家标准中合理选用。

根据GB／T307.1－1994和GB／T307.4－2002规定,向心轴承的公差等级,由低到高依次分为0、6、5、4和2五级,圆锥滚子轴承的公差等级分为0、6x、5和4四级,推力轴承的公差等级分为0、6、5和4四级。7.2滚动轴承的精度等级

0级通常称为普通级,在机械制造业中应用最广。它用于旋转精度要求不高、中等负荷、中等转速的一般机构中,如普通机床的变速机构、进给机构,汽车和拖拉机的变速机构,普通电动机、水泵、压缩机等旋转机构中所用的轴承。0级轴承代号标注时不予注出。

6级称为高级,5级称为精密级,主要应用于旋转精度和转速要求较高的旋转机构中,如6级轴承一般用于普通机床主轴的后轴承,5级轴承一般用于普通机床主轴的前轴承等。

4级、2级称为超精密级,主要应用于旋转精度和转速要求高的旋转机构中,如4级轴承用于高精度机床、磨床、精密丝杠车床、滚齿机以及高速摄影机等的主轴轴承,2级轴承用于精密坐标镗床主轴、高精度齿轮磨床主轴、航空发动机涡轮轴等的轴承。

1.滚动轴承配合的基准制

由于滚动轴承是标准部件,因此轴承内圈与轴颈的配合采用基孔制,轴承外圈与外壳孔的配合采用基轴制。7.3滚动轴承内径和外径的公差带

2.滚动轴承内、外径公差带的特点

在滚动轴承与轴颈和外壳孔的配合中,滚动轴承的内圈通常是随轴一起旋转的。为防止内圈和轴颈的配合面之间相对滑动而导致磨损,影响轴承的工作性能,要求配合具有一定的过盈,但由于内圈是薄壁件,而且需要拆卸,因此其过盈量不能太大。若作为基准孔的轴承内圈内径仍采用基本偏差代号H的公差带布置,轴颈公差带从GB／T1801—1999中的优先、常用和一般公差带中选取,则这样的过渡配合的过盈量太小,而过盈配合的过盈量又太大,不能满足轴承工作的需要。若轴颈采用非标准的公差带,则违反了标准化和互换性原则。为此,滚动轴承国家标准规定:轴承内径为基准孔公差带,但位于以公称内径d为零线的下方,即上偏差为零,下偏差为负值,如图7.2所示。而这种特殊的基准孔公差带与GB／T1801—1999中基孔制的各种轴公差带构成的配合性质,有不同程度的变紧。它与基孔制过渡配合的轴公差带所组成的配合,便成为了过盈量较大的过渡配合或小过盈量的过盈配合,从而满足了轴承的内孔与轴颈的配合要求。

图7.2滚动轴承内、外径公差带滚动轴承的外圈安装在外壳孔中,通常不旋转。考虑到工作时由于温度升高会使轴受热膨胀而产生轴向移动,因此两端轴承中应有一端是游动支承,使外圈与外壳孔的配合稍为松一点,使之能补偿轴的热胀伸长量,以免造成轴弯曲时被卡住,而影响正常运转。为此,规定轴承外圈公差带位于公称外径D为零线的下方,如图7.2所示,与基本偏差为h的公差带相类似,但公差值不同。轴承外圈采取这样的基准轴公差带与GB／T1801－1999中基轴制的孔公差带所组成的配合,基本上保持了GB／T1801－1999的配合性质。

由于轴承内径和外径本身的公差带在轴承制造时已确定,因此,轴承内圈和轴颈、外圈和外壳孔的配合面间需要的配合性质要由轴颈和外壳孔的公差带决定。也就是说,轴承配合的选择就是确定轴颈和外壳孔的公差带。7.4轴颈和外壳孔的公差带国家标准GB／T275—1993《滚动轴承与轴和外壳孔的配合》对与0级和6(6x)级轴承配合的轴颈规定了17种公差带,外壳孔规定了16种公差带,如图7.3所示,它们选自GB／TIS01—1999中的轴、孔公差带。

图7.3中为国家标准推荐的外壳孔、轴颈的尺寸公差带,其适用范围如下:

(1)轴承的工作温度不超过100℃。

(2)对轴承的旋转精度和运转平稳性无特殊要求。

(3)轴颈与座孔的材料为钢或铸铁。

(4)轴颈为实体或厚壁空心。

图7.3轴承与轴颈、外壳孔配合的公差带

正确选择滚动轴承与轴颈、外壳孔的配合,对保证机器的正常运转,延长轴承的使用寿命,充分发挥轴承的承载能力以及满足轴承安装和拆卸等方面的要求都有其重大意义。设计时应主要考虑:滚动轴承套圈相对于负荷的状况、负荷的类型和大小、轴承的尺寸大小、轴承的游隙等因素。7.5滚动轴承配合的选择

1.负荷的类型

轴承承受负荷的类型根据作用于轴承套圈相对于径向负荷的运动关系,可分为定向负荷、旋转负荷以及摆动负荷,如图7.4所示。

图7.4轴承套圈承受的负荷类型(a)内圈：旋转负荷,外圈：定向负荷;(b)内圈：定向负荷,外圈：旋转负荷;(c)内圈:旋转负荷，外圈:摆动负荷;(d)内圈:摆动负荷，外圈:旋转负荷

1)定向负荷

轴承转动时,若合成径向负荷始终不变地作用在套圈滚道的某一局部区域上,则该套圈承受着定向负荷(如齿轮传动力、传动带拉力、车削时的径向切削力等)。如图7.4(a)中的外圈和图7.4(b)中的内圈,它们均受到一个定向的径向负荷F0作用。例如,减速器转轴两端轴承外圈、汽车与拖拉机前轮(从动轮)轴承内圈受力等均属于定向负荷。其特点是只有套圈的局部滚道受到定向负荷的作用,易产生磨损。承受定向负荷的套圈,一般选较松的过渡配合或较小的间隙配合,从而减少滚道的局部磨损,以延长轴承的使用寿命。

2)旋转负荷

轴承转动时,若作用在轴承上的合成径向负荷与套圈相对旋转,依次作用在套圈的整个圆周轨道上,则该套圈承受旋转负荷(如旋转零件上的惯性离心力、旋转镗杆上作用的径向切削力等)。如图7.4(a)中的内圈和图7.4(b)中的外圈,都承受旋转负荷。例如,减速器转轴两端轴承内圈、汽车与拖拉机前轮轮毂中轴承外圈的受力等均属于旋转负荷。其特点是套圈的整个滚道均匀受到负荷的作用,套圈滚道磨损均匀。承受旋转负荷的套圈与轴(或外壳孔)相配合,应选过盈配合或较紧的过渡配合,其过盈量的大小以不使套圈与轮或壳体孔配合表面间出现打滑现象为原则。

3)摆动负荷

轴承转动时,当由定向负荷与旋转负荷所组成的合成径向负荷作用在套圈的部分滚道上时,该套圈便相对于负荷方向摆动,承受摆动负荷。如图7.4(c)和图7.4(d)所示,轴承套圈同时受到定向负荷和旋转负荷的作用,两者的合成负荷将由小到大,再由大到小地周期性变化。当F0>F1时(见图7.5),合成负荷在轴承下方AB区域内摆动,不旋转的套圈承受摆动负荷,旋转的套圈承受旋转负荷。当F0<F1时,合成负荷沿整个圆周变动,不旋转的套圈承受旋转负荷,而旋转的套圈承受摆动负荷。承受摆动负荷的套圈,其配合要求与旋转负荷相同或略松一些。

图7.5摆动负荷由上述内容可知,套圈相对于负荷方向的状态不同(静止、旋转、摆动),负荷作用的性质亦不相同。相对静止状态呈局部负荷作用;相对旋转状态呈循环负荷作用;相对摆动状态则呈摆动负荷作用。

2.负荷的大小

GB／T275－1993规定,向心轴承负荷的大小可用当量径向负荷Pr与额定动负荷Cr的比值来区分。当Pr≤0.07Cr时为轻负荷;当0.07Cr<Pr≤0.15Cr时为正常负荷;当Pr>0.15Cr时为重负荷。负荷越大,配合过盈量应越大。由于轴承在负荷作用下,套圈会产生变形,使配合受力不均匀,引起松动,因此,承受较重的负荷或冲击负荷时,将会引起轴承较大的变形,使结合面间实际过盈减小和轴承内部的实际间隙增大。这时,为了使轴承运转正常,应选较大的过盈配合。同理,承受较轻的负荷时,可选用较小的过盈配合。

3.轴承尺寸大小

随着轴承尺寸的增大,选择的过盈配合的过盈量增大,间隙配合的间隙量也增大。但是对于重型机械上所使用的特别大尺寸的轴承,应采用较松的配合。

4.轴承游隙

GB/T4604－93规定,轴承的径向游隙由小到大分为1组、2组、0组、3组、4组、5组,共六个组别,其中0组为基本组。市场上供应的多为基本组轴承。轴承游隙大小的选择应适中,因为游隙过大会引起转轴较大的径向跳动和轴向窜动,而产生较大的振动和噪声;游隙过小,尤其是当轴承与轴颈或外壳孔采用过盈配合时,则会使轴承滚动体与套圈产生较大的接触应力,引起轴承的摩擦发热,以致降低寿命。

5.工作温度

轴承运转时,由于摩擦发热和其他热源的影响,使轴承套圈的温度经常高于轴颈和外壳孔的温度,因此,内圈因受热膨胀与轴颈的配合变松,外圈因受热膨胀与外壳孔的配合变紧,所以当轴承工作温度高于100℃时,应对所选择的配合进行修正(减小外圈与外壳孔的配合过盈,增加内圈与轴颈的配合过盈)。

6.滚动轴承配合精度的选择

轴颈和外壳孔的标准公差等级的选用与滚动轴承本身的精度等级密切相关。与0级和6级轴承配合的轴一般取IT6,外壳孔一般取IT7;对旋转精度和运转平稳有较高要求的场合,轴颈取IT5,外壳孔取IT6;与5级轴承配合的轴颈和外壳孔均取IT6,要求高的场合取IT5;与4级轴承配合的轴颈取IT5,外壳孔取IT6,要求更高的场合轴颈取IT4,外壳孔取IT5。

7.旋转精度和旋转速度

对于承受较大负荷且旋转精度要求较高的轴承,为了消除弹性变形和振动的影响,应避免采用间隙配合,但也不宜太紧。轴承的旋转速度越高,应选用越紧的配合。

8.轴颈和外壳孔的结构与材料

采用薄壁、轻合金外壳孔或薄壁空心轴颈时,为保证轴承有足够的支承刚度和强度,应采用较紧的配合。采用剖分式外壳体结构时,为避免外圈产生椭圆形变形,宜采用较松配合。对高于K7包括k7的配合或壳体孔的标准公差小于IT6级时,应选用整体式外壳体。

9.安装条件

如果要求拆卸,而又需较紧配合时,可采用分离型轴承或内圈带锥孔和紧定套或退卸套的轴承。为了便于安装、拆卸,特别对于重型机械,宜采用较松的配合。

除上述条件外,还应考虑当要求轴承的内圈或外圈能沿轴向移动时,该内圈与轴颈或外圈与外壳孔的配合应选较松的配合。此外,当轴承的两个套圈之一须采用特大过盈的过盈配合时,由于过盈配合使轴承径向游隙减小,因此应选择具有大于基本组的径向游隙的轴承。

滚动轴承与轴颈、座孔配合的选择方法有类比法和计算法,通常采用类比法。表7.1~表7.4分别列出了GB／T275－1993规定的向心轴承和推力轴承与轴颈、外壳孔配合的公差带,供选择时参考。配合初选后,还应考虑对有关影响因素进行修正。

表7.1向心轴承和轴的配合、轴的公差带代号

表7.2向心轴承和外壳孔的配合、孔公差带代号

表7.3推力轴承的轴颈公差带表7.4推力轴承的外壳孔公差带

为了保证滚动轴承正常工作,除了要正确选择配合之外,还应对轴颈及外壳孔配合的形位公差和表面粗糙度提出要求。为避免套圈安装后产生变形,轴颈和外壳孔的尺寸公差和形位公差应采用包容要求,并规定更严格的圆柱度公差,对轴肩和外壳孔端面还应规定端面圆跳动公差。轴颈和外壳孔的形位公差与表面粗糙度可参照表7.5和表7.6选择。7.6轴颈和外壳孔的形位公差与表面粗糙度

表7.5轴颈和外壳孔的形位公差(摘自GB／T275－93)

表7.6轴颈和外壳孔的表面粗糙度(摘自GB／T275－93)

由于滚动轴承是标准部件,在具体选择某一型号轴承时,其配合尺寸的公差带已确定,因此,在装配图中轴承内圈与轴颈配合处只标注轴颈的尺寸与公差带代号,轴承外圈与外壳孔配合处只标注孔的尺寸与公差带代号。同时,在轴颈及外壳孔的零件图中应标注出相应的配合尺寸、形位公差及表面粗糙度的要求。

例7.1图7.6(a)所示为直齿圆柱齿轮减速器输出轴轴颈的部分装配图。已知该减速器的功率为5kW,从动轴转速为83r/min,其两端的轴承为211深沟球轴承(d＝55mm,D＝100mm),齿轮的模数为3mm,齿数为79。试确定轴颈和外壳孔的公