第13章滚动轴承机械设计课件1.ppt

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1、第13章 滚动轴承,带传动和链传动都是通过中间挠性件传递运动和动力的，适用于两轴中心距较大的场合。与齿轮传动相比，它们具有结构简单，成本低廉等优点。,13-1 概述,13-2 滚动轴承的主要类型和代号,13-3 滚动轴承的类型选择,13-4 滚动轴承的工作情况,13-5 滚动轴承尺寸的选择,13-6 轴承装置的设计,13-7 滚动轴承与滑动轴承性能对照,13-8 滚动轴承例题分析,13-1 概 述,各零件的作用：,外圈：支撑零件或轴系；,保持架:将滚动体分开。,内圈：支撑轴；,滚动体：滑动滚动；,硬度和接触疲劳强度、耐磨性和冲击韧性 用含铬合金钢制造，经热处理后硬度达：6165HRC。工作表面

2、需经磨削或抛光。,保持架：低碳钢，冲压制成高速轴承：有色金属或塑料。,滚动轴承的组成：外圈、内圈、滚动体、保持架。,内外圈上有滚道，当内外圈相对旋转时，滚动体将沿着滚道滚动。,装在机座或零件轴孔内；,滚动副的材料要求：,优点：摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便、和易于互换等。,缺点：抗冲击能力差、高速时出现噪音。,滚动轴承按其承受载荷的方向（接触角）和滚动体的形状分类。,接触角：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称为公称接触角。,接触角,轴向承载能力,=0,它是滚动轴承的一个重要参数，轴承的受力分析和承载能力等都与接触角有关。,轴承类型,按载荷方向分,按滚动体形状

3、分,向心轴承,推力轴承,一、分类,向心推力轴承,13-2 滚动轴承的主要类型和代号,圆柱滚子,圆锥滚子,球面滚子,滚针,球轴承,滚子轴承,轴承类型,按载荷方向分,按滚动体形状分,向心轴承,推力轴承,一、分类,向心推力轴承,调心滚子轴承20000C,低,0.5 2 比10000小,能承受很大的径向载荷和少量轴向载荷。承载能力大，具有调性能。,圆锥滚子轴承30000,中,2,能同时承受较大的径向、轴向联合载荷。因线性接触，承载能力大，内外圈可分离，装拆方便，称对使用。,推力球轴承50000,低,不允许,只能承受轴向载荷，且作用线必需与轴线重合。分为单、双向两种。高速时，因滚动体离心力大，球与保持架

4、摩擦发热严重，寿命较低，可用于轴向载荷大、转速不高之处。,a)单向,推力球轴承50000,低,不允许,只能承受轴向载荷，且作用线必需与轴线重合。分为单、双向两种。高速时，因滚动体离心力大，球与保持架摩擦发热严重，寿命较低，可用于轴向载荷大、转速不高之处。,深沟球轴承60000,高,816,能同时承受较大的径向、轴向联合载荷。因线性接触，承载能力大，内外圈可分离，装拆方便，称对使用。,角接触球轴承70000C(=15)70000AC(=25)70000B(=40),较高,210,能同时承受较大的径向、轴向联合载荷。大，承载能力越大，有三种规格。称对使用。,滚动轴承的类型很多，而各类轴承又有不同的

5、结构、尺寸、公差等级、技术要求等，为便于组织生产和选用，规定了滚动轴承的代号，,二、滚动轴承的代号,宽(高)度系列代号,直径系列代号,类型代号,尺寸系列代号,2.基本代号：表示轴承的基本类型、结构和尺寸。,类型代号-左起第一位，为0（双列角接触球轴承）则省略。,是轴承代号的基础，有三项,成套轴承分部件代号,1.前置代号-成套轴承分部件代号。,推力球轴承50000,滚针轴承a)NA0000b)RNA0000,内径相同，而直径系列代号不同的四种轴承的比较。,尺寸系列代号-左起第二、三位。,内径代号-基本代号左起第四、五位。,3.后置代号-用字母（或加数字）表示。,注：公差等级中0级最低，向右依次增

6、高，2级最高。,三、滚动轴承代号示例,6 2 2 03,7(0)3 12 AC/P6,公差等级为0级;游隙组为0组；,游隙组为0组；,N 1 05/P5,游隙组为0组；,3 0 2 13,公差等级为0级;游隙组为0组；,13-3 滚动轴承的类型选择,滚动轴承是标准零件，要求设计者应能在机械设计过程中，根据使用的要求较合理地选择滚动轴承的类型与规格。,一、滚动轴承选择的一般过程,根据载荷性质选择轴承的类型和直径系列,1）轴承的载荷,由于结构不同，各类轴承的使用性能也不相同，现说明如下。,二、滚动轴承选择应考虑的问题,载荷方向：,向心轴承用于受径向力；,1）轴承的载荷,二、滚动轴承选择应考虑的问题

7、,载荷方向：,向心轴承用于受径向力；,向心推力轴承用于承受径向力和周向力联合作用。,1）轴承的载荷,二、滚动轴承选择应考虑的问题,载荷方向：,向心轴承用于受径向力；,推力轴承用于受轴向力；,向心推力轴承用于承受径向力和周向力联合作用。,载荷大小：,一般：滚子轴承(1.53)球轴承,当d 20 mm时，两者承载能力接近，宜采用球轴承。,因滚子轴承贵角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。,在同样的外形尺寸下，滚子轴承的承载能力大于球轴承。,承受径向载荷为主；,0 45,45 90,承受轴向载荷为主；,=0,=90,滚动体为滚子，则只能承受径向载荷；若滚动体为球，可承受一定的轴向载荷。,只能承

8、受轴向载荷。,2）轴承的转速,转速过高,温度,润滑失效,滚动体回火或胶合破坏。,极限转速-滚动轴承在一定载荷与润滑条件下，允许的最高转速。具体可查阅设计手册或轴承样本。,选用原则：1.球轴承比滚子轴承的极限转速高，应优先选用球轴承；,2.在高速时，以选用超轻、特轻及轻系列的轴承；内径相同时，外径越小，滚动体就越轻小，产生的离心惯性力也小，；,3）轴承的调心行性能,影响轴承正常运转。,角偏差,可采用调心轴承。,滚针轴承对轴线倾斜最敏感，应紧可能避免在轴线有倾斜的情况下使用。,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。,3.保持架的材料对轴承转速影响极大，实

9、体保持架比冲 压保持架允许有更高一些的转速；,4.推力轴承的极限转速很低，当工作转速高时，若轴向 载荷不是十分大，可以采用角接触球轴承来承受纯轴 向力；,5.若工作转速超过了轴承样本，可以用提高公差等级、适当增大游隙、选用循环冷却等方法。,13-4 滚动轴承的工作情况,一、滚动体的受力分析,受纯径向载荷Fr时，上半圈滚动体不受力；,下半圈各滚动体受力大小方向均不同。,可以导出：z为滚动体的总数。,所有水平分力相互抵销，铅垂分力与外载荷平衡。,受纯轴向载荷时，各滚动体受力相同；,二、滚动体的应力变化情况,-派生轴向力,FNi=Fdi+Fri,Fd=Fdi=Fri tg,第i个滚动体,当角接触球轴

10、承或圆锥滚子轴承承受径向载荷Fr时，由于存在接触角，第i个滚动体所受力为FNi。可分解为两个轴向和径向两个分力：,所有滚动体轴向力之和：,其中：Fdi=Fri tg,三、轴向载荷的计算,Fd将迫使内圈和轴径向右移动。可按下表来计算Fd,由于产生了派生轴向力，此时轴承所承受的实际轴向力不再等于外部轴向力，即：Fa Fae,假设作用在轴上的轴向外载荷为：Fae,当多个滚动体受载时有：,因为各Pi方向不同，它们的合力虽然与R平衡，但其代数和必然大于R，而派生力S=Si，是代数和，故有此结论。,2)当施加有外部轴向力Fae时,当只有一个滚动体受载时：,Fa=Fd,Fa=Fd=Fri tg,=Fr tg

11、,=Fr tg,Fr tg,轴承不会沿轴向窜动，实际轴向力应取决于Fd与Fac中较大的一个，即：,Fa=max Fd Fae,1)假设没有外部轴向力Fae,工作过程中，滚动体相对内外圈不断转动，因此滚动体和滚道接触表面受脉动循环变应力，产生疲劳点蚀。,13-5 滚动轴承尺寸的选择,滚动轴承的载荷,动载荷,静载荷,失效形式不同。,疲劳破坏,永久变形,当轴承转速很低或间歇摆动时，不会产生疲劳损坏。但很大的静载荷或冲击载荷作用下，会使滚道和滚动体产生永久变形，从而使轴承在运转过程中产生剧烈振动和噪音而失效。,早期磨损,胶合,轴承元件破裂,维护保养不当而造成。,一、滚动轴承的失效形式,失效形式,对一组

12、同一型号的轴承，由于材料、热处理和工艺等很多随机因素的影响，即使在相同条件下运转，寿命也不一样，有的甚至相差几十倍。因此，对一个具体的轴承，很难预知其确切的寿命。实验表明：寿命与可靠性有关。如图,定义：轴承在一定转速下，其中任何零件出现疲劳扩展迹象之前的工作小时数称为：,可靠度：一组相同轴承能达到或超过规定寿命的百分比.,基本额定寿命：一组同一型号轴承，在同一运转条件下，其可靠度R为90%时，能达到或超过的寿命L(Lh),在到达额定寿命时，有90%的轴承没坏，只损坏了10%。,对于单个轴承而言，其损坏的可能性只有90%,单位为百万转106 r，或小时.换句话说寿命为1百万转时.可靠度为90%，

13、寿命为5百万转时.可靠度只有50%，,轴承寿命,二、滚动轴承的寿命计算,短时间或间断使用，中断时不致引起严重后果 40008000,间断使用，中断时会引起严重后果 800012000,每天8h工作的机械 1200020000,每天24h连续工作的机械 4000060000,定义：当一套轴承运转达到一百万（106）转时，轴 承所能承受的载荷C。.,向心轴承记为：Cr，可查表,推力轴承记为：Ca,基本额定动载荷,不同的轴承该值不一样，它表征了轴承的承载特性。是在大量试验的基础上，通过理论分析得到，需要时可从设计手册或轴承样本中查得。.,寿命计算公式,通过试验得出如图所示6208轴承的载荷寿命曲线。

14、,曲线上对应于 Lh=106 的载荷为:29.5KN。,载荷-寿命曲线的公式：,寿命指数：,-球轴承,-滚子轴承,用小时表示：,基本额定动载荷：,P-动载荷,Lh-预期寿命,当 t100 时，C,引进温度系数 ft 进行修正。,Ct=ft C,修正后的计算公式：,最终计算公式：,工作中冲击振动 C,引进载荷系数 fP 进行修正。,三、当量动载荷的计算,滚动轴承的基本动载荷是在一定的实验条件下确定的。对于向心轴承是指轴承承受纯径向载荷；对于推力轴承是指承受中心轴向载荷。实际情况可能既受径向载荷又有轴向载荷，则必须将实际载荷换算成与实验条件相同的载荷后，才能和基本额定动载荷进行比较。换算后的载荷是

15、一种假定载荷，称为当量载荷。,含义：当量动载荷是一种考虑径向载荷与轴向载荷双重影响，经换算后的假想载荷。其效果与某一个基本额定动载荷相当。,计算公式：,P=X Fr+Y Fa,X-径向动载荷系数；,Y-轴向动载荷系数。见下页,向心轴承：,P=Fr,推力轴承：,P=Fa,理由：基本额定动载荷是单向载荷（径向或轴向）试验条件下得出的。实际情况可能受到双重载荷作用。很显然，单向载荷与双向载荷作用下，轴承的寿命是不一样的。,1.若 Fae+Fd2 Fd1,压紧端：Fa1=Fae+Fd2,放松端：Fa2=Fd2,2.若 Fae+Fd2 Fd1,放松端：Fa1=Fd1,压紧端：Fa2=Fd1-Fae,外圈

16、窄边相对安装(正装),结论：放松端轴承的轴向载荷=内部轴向力,压紧端轴承的轴向载荷=其余轴向力的代数和本身除外,轴承2(放松端)承受的轴向载荷：,由于轴承1的右端已固定，轴不能向右移动，轴承1被压紧。由平衡条件得轴承1(压紧端)承受的轴向载荷：,则轴承2被压紧。由平衡条件得：,四、向心推力轴承的轴向力计算,反装时选左边的轴承为1，右边的轴承为2。,1.若 Fae+Fd2 Fd1 则有：,压紧端：Fa1=Fae+Fd2,放松端：Fa2=Fd2,2.若 Fae+Fd2 Fd1,则有：,放松端：Fa1=Fd1,压紧端：Fa2=Fd1-Fae,结论与正装相同：放松端轴承的轴向载荷=内部轴向力,压紧端轴

17、承的轴向载荷=其余轴向力的代数和本身除外,五、滚动轴承的静承载能力,对于在工作载荷下基本不旋转或缓慢旋转或缓慢摆动的轴承，其失效形式不是疲劳点蚀，而是因滚动接触面上的接触应力过大而产生的过大的塑性变形。,在国家标准中，对每一种规格的滚动轴承规定了一个不应超过得载荷界限基本额定静载荷，用C0表示。,轴承上作用的径向载荷Fr与轴向载荷Fa应折合成一个当量静载荷P0，即：,P0=X0Fr+Y0Fa,按轴承静承载能力选择轴承的公式为：,式中：S0为静强度安全系数，可由设计手册查取。,C0 S0P0,六、滚动轴承尺寸选择的过程,由力分析确定轴承所承受的Fr与Fa,七、滚动轴承的可靠度,在一般工程问题中，

18、均以轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命来衡量轴承的承载能力，这时对应的可靠度均为90%。但是，对于航空航天产品、国防装备等，对于轴承的可靠度有更高的要求。这时滚动轴承寿命的计算须引入可靠性系数a1，即修正寿命为：,a1也可按下式计算确定：,R-为预期可靠度。,13-6 轴承装置的设计,设计内容:,轴承的定位和紧固,轴承的配置设计,轴承位置的调节,轴承的润滑与密封,轴承的配合,轴承的装拆,一、滚动轴承的定位和紧固,滚动轴承的轴向紧固是指将轴承的内圈或外圈相对于轴或轴承座实施紧固。具体的紧固方法有很多，下面列举常用的方法。,内圈的紧固方法：,弹性挡圈固定,圆螺母与止动垫圈固定,轴端挡圈固定,紧定衬

19、套、圆螺母、止动垫圈与锥孔内圈固定。,外圈的紧固方法：,端盖固定,孔用挡圈,轴承外圈止动槽,螺纹环紧固,二、滚动轴承的配置,轴承配置-指对于一个轴系应采用几个轴承支承、如何支承、如何配置等问题。,常用配制方案,双支点各单向固定,一个支点双向固定、另一端游动。,常用的轴承配置方案有以下三类，每一类又有若干具体方案。,两端均游动,两端固定支承,双支点各单向固定,二、滚动轴承的配置,轴承配置-指对于一个轴系应采用几个轴承支承、如何支承、如何配置等问题。,常用配制方案,双支点各单向固定,一个支点双向固定、另一端游动。,两端均游动,固定支承,游动支承,选用深沟球轴承时，外圈与端盖间应留有间隙。,适用于温

20、度变化较大的长轴。,二、滚动轴承的配置,轴承配置-指对于一个轴系应采用几个轴承支承、如何支承、如何配置等问题。,常用配制方案,双支点各单向固定,一个支点双向固定、另一端游动。,两端均游动,人字齿轮由于本身的轴向限位作用，其中一根轴设计成两端固定的形式，另外一根轴必须游动，否则会卡死。,两端游动,螺钉调整,三、轴系部件的调整,加减垫片的厚度,1.轴承间隙的调整,螺钉调整,方法：,2.轴承的预紧,对于某些可调游隙的轴承，在安装时给与一定的轴向压紧力，使得内外圈产生相对移动而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，借此提高轴的旋转精度和刚度。这种方法称为轴承的预紧。,方法,加金属垫片,磨窄套

21、圈,3.轴承组合位置的调整,对于某些可调游隙的轴承，在安装时给与一定的轴向压紧力，使得内外圈产生相对移动而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，借此提高轴的旋转精度和刚度。这种方法称为轴承的预紧。,目的：使轴上的零件具有准确的工作位置。如齿轮、带轮等,例如：圆锥齿轮传动，要求两个节锥顶点相重合。,对于蜗杆传动，要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线。,才能保证正确啮合。,方法：套杯+调整垫片,轴承组合位置调整的方法：,套杯+调整垫片,润滑的目的降低滚动轴承内部的摩擦，减少磨损和发热量；,四、滚动轴承的润滑和密封,轴承的摩擦发热使轴承升温，油润滑可以到起冷却 作用，从而降低轴承的工作温度，延长

22、使用寿命；,良好的润滑状态，可在滚动体与滚道间形成一层使 两者隔开的油膜，减小接触压力；,轴承零件表面覆盖一层润滑剂，可以防止表面氧化 生锈；,润滑剂还能吸收振动，并降低噪音。,1、滚动轴承的润滑,密封目的-防止灰尘、水分进入轴承，阻止润滑剂流失。,润滑剂,润滑脂,润滑油,固体润滑剂 用于特殊场合,用速度因素dn 值作为选择润滑剂的条件:,-常用,-高速、高温,脂润滑优点：不容易流失、便于密封和维护，充填一 次，可运转较长时间。,油润滑优点：摩擦阻力小、能散热，可在高速、高温环 境下使用。,dn间接反映了轴颈的圆周速度。,d-滚动轴承的内径，单位：mm；n-轴承转速，单位：r/min。,对于不

23、同类型的轴承，润滑剂和润滑方式的选择可参照下表进行。,轴承的常用润滑方式,2、滚动承的密封,润滑油的选择：,润滑油的粘度根据速度因素dn和工作温度t来确定。,滚动承的密封方式的选择与润滑的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度有关。,分类,接触式,非接触式,组合式密封,毛毡圈密封,密封圈密封,间隙密封,迷宫式密封,-毛毡迷宫式密封,例如：dn=100000，t=90,可用 110 号润滑油,适用场合：脂润滑，要求环境清洁，轴颈圆周轴速度v45 m/s，工作温度不超过90,矩形断面的毛毡圈被安装在梯形槽内，它对轴产生一定的压力而起到密封作用。,适用场合：脂或油润滑，轴颈圆周轴速度v45 m/s

24、，工作温度:-40100,防漏油,防灰尘,密封唇朝外，主要目的是防灰尘、杂质,接触式密封：,适用场合：脂润滑，要求环境干燥清洁。,靠轴与端盖之间的细小环形间隙密封，间隙愈小愈长，效果愈好，间隙取0.10.3 mm。,间隙封圈,=0.10.3 mm,非接触式密封：,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。密封效果可靠。,图b为轴向曲路，因考虑到轴受热后会变长，间隙取=1.52 mm。,迷宫式封圈,=0.10.2 mm,=1.52 mm,将旋转件与静止件之间的间隙做成迷宫形式，并在间隙中充填润滑油或润滑脂以加强密封效果。分为径向和轴向两种结构。,适用场合：适用于脂润滑或油润滑，密

25、封效果可靠。,也可以把多种密封形式组合在一起。这是组合密封的一种型式-毛毡加迷宫，可充分发挥各自的优点，提高密封效果。组合密封的方式很多，不一一列举。,组合式密封：,五、轴承组合的配合,内圈孔-轴,基孔制,外圈-轴承座孔,基轴制,配合是指内圈与轴颈、外圈与外壳孔的配合。,除了对轴承的内外颈规定了直径公差外，还规定了 平均内径和平均外经(dm，Dm)的公差。,因为轴承的内、外圈属于薄壁零件，容易变形。当它装入外壳孔或装在轴上后，其内外圈的不圆度将受到外壳孔及轴颈形状的影响。,标准规定，0 6 5 4 2各级公差等级的轴承的的内径dm和外经Dm均采用单向制，且统一采用上偏差为零，下偏差为负的分布。

26、,滚动轴承作为一种通用的标准件，规定采用以下配合类型：,滚动轴承内孔与轴的配合采用基孔制。当按国家标准选取时，其配合要比圆柱公差的同类配合要稍紧一些。,常用的轴公差代号有：k6、m6,滚动轴承外经与外壳孔的配合采用基轴制。当按国家标准选取时，其配合要比圆柱公差的同类配合要稍紧一些。,常用的孔公差代号有：H7、J7、Js7,游动支点：G7,装拆滚动轴承时，要特别注意以下两点：,六、滚动轴承的安装与拆卸,1)不允许通过滚动体来传力，以免使滚道或滚动体造 成损伤。,2)由于轴承的配合较紧，装拆时应使用专门的工具。,错误的施力,正确的施力,错误,正确,内圈的拆卸,外圈的拆卸,滚动轴承的安装,装内圈于轴上,内外圈上同时受力,对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持 同心。最好的办法是采用整体结构的外壳，并把两 轴承孔一次镗出；,正确选择轴承的配合，保证轴承正常运转，防止内 圈与轴、外圈与外壳孔在工作时发生相对转动；,在安装轴承的过程中，应确保实施安装轴承的力不 作用的滚动体上，否则将使轴承损坏；,对轴承适当地预紧，以此提高轴承的旋转精度，增 加轴承装置的刚度、减小机器工作时轴的振动。,滚动轴承的组合设计注意事项：,应尽量保证轴及轴承座有足够的刚度，以避免过大 的变形使滚动体受阻滞而使轴承提前损坏；,13-7 滚动轴承与滑动轴承性能对照,续表,