13机械设计13

第十三章滚动轴承§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轴承装置的设计概述滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的（例如：转动的齿轮与轴）。13-1概述滚动轴承的特点：摩擦阻力小、功率消耗少、起动容易以及已标准化。滚动轴承的构成：内圈、外圈、滚动体、保持架等虚拟演示(各类滚动体)保持架作用：均匀隔开滚动体，避免磨损。有冲压的和实体的两种，前者一般用低碳钢板冲压制成，与滚动体间有较大间隙。后者用铜合金、铝合金或塑料加工，有较好的定心作用。由于滚动轴承是标准件，本章主要介绍：滚动轴承的类型和特点（认识轴承）；滚动轴承的相关标准；滚动轴承的正确选用（包括类型选择、尺寸选择、承载能力验算）；与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承的装置设计”问题。13-1概述内外圈和滚动体，一般用高碳鉻轴承钢或渗碳轴承钢制成。热处理后硬度一般不低于60HRC。当滚动体是圆柱滚子和滚针时，在某些情况下，可以没有内圈或外圈，这时轴颈或轴承座就起到内圈或外圈的作用，工作表面应具有相应的硬度和粗糙度。为适应某些特殊要求，有些滚动轴承还要附加其他特殊元件或采用特殊结构，如轴承无内圈或外圈、带有防尘密封结构或在外圈上加止动环等。类型和代号113-2滚动轴承的主要类型和代号一、滚动轴承的分类向心推力轴承的滚动体与外圈滚道接触点处法线N－N与半径方向夹角α叫作轴承的接触角；轴承实际承受径向载荷与轴向载荷的合力与半径方向夹角β叫作载荷角。◆按滚动体的不同分类：球轴承、滚子轴承；◆按可承受的外载荷分类：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承；◆按轴承的结构形式不同分类：类型和代号213-2滚动轴承的主要类型和代号在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准的滚动轴承，在国家标准中分为13类，其中，最为常用的轴承大约有下列６类:深沟球轴承推力球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承调心球轴承更多的滚动轴承虚拟现实中的滚动轴承圆柱滚子轴承类型和代号3二、滚动轴承的代号13-2滚动轴承的主要类型和代号前置代号基本代号后置代号轴承的分部件代号内部结构代号密封与防尘结构代号保持架及其材料代号特殊轴承材料代号公差等级代号游隙代号多轴承配置代号其它代号五四三二一类型代号尺寸系列代号内径代号宽度系列代号直径系列代号滚动轴承代号构成：代号用于表征滚动轴承的结构、尺寸、类型、精度等，由GB/T272规定。前置代号——表示轴承的分部件，用字母表示。基本代号——表示轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型等主要特征。后置代号——表示轴承的结构、公差和材料的特殊要求。类型和代号4◆内径代号：内径代号×5=内径，如：08表示轴承内径d=5×08=40mm。（d＝20～480mm）◆类型代号：常用轴承代号为3、5、6、7、N五类，详细代号查阅类型代号表。13-2滚动轴承的主要类型和代号内径d10121517代号00010203特殊情况：◆尺寸系列代号：表达相同内径但外径和宽度不同的轴承。但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。直径系列代号：7、8、9、0、1、2、3、4和5。对应于相同内径轴承的外径尺寸依次递增，如右图所示。一般情况下，特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。宽度系列代号：8、0、1、2、3、4、5和6，同一直径系列宽度依次增加。一般正常宽度为“0”，通常不标注。基本代号——表示轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型等主要特征。◆公差等级代号：公差分2、4、5、6(6x)、0级，共五个级别。以/P2、/P4、/P5、/P6(/P6x)为代号，0级不标注。◆径向游隙代号：游隙分1、2、0、3、4、5共六个组别。以/C1、/C2、/C3、/C4、/C5为代号，0组不标注。高级低级游隙值：小大前置代号——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；K表示轴承的滚动体与保持架组件等。13-2滚动轴承的主要类型和代号◆内部结构代号，如接触角为15、25、40度的角接触球轴承分别用C、AC和B表示。后置代号——表示轴承的结构、公差和材料的特殊要求。类型和代号513-2滚动轴承的主要类型和代号三、轴承代号示例6308：6─深沟球轴承，3─尺寸系列03，08─内径d=40mm，公差等级为0级，游隙组为0组；N105/P5：N─圆柱滚子轴承，1─尺寸系列01，05─内径d=20mm，公差等级为5级，游隙组为0组；7214AC/P4：7─角接触球轴承，2─尺寸系列02，14─内径d=70mm，公差等级为4级，游隙组为0组，公称接触角α=25°；30213：3─圆锥滚子轴承，2─尺寸系列02，13─内径d=65mm，0─正常宽度(0不可省略)，公差等级为0级，游隙组为0组；6103：6─深沟球轴承，1─尺寸系列01，03─内径d=17mm，公差等级为0级，游隙组为0组；注：滚动轴承代号比较复杂，上述代号仅为最常用的、最有规律的部分。具体应用时，若遇到看不懂的代号时，应查阅GB/T272-93。类型选择113-3滚动轴承的类型选择选择轴承的类型和直径系列按轴径确定轴承内径滚动轴承是标准零件，我们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如下：对没有严格要求的轴承可不进行承载能力验算END进行承载能力验算合格不合格对有较严格要求的轴承(1)、载荷大小：球轴承为点接触、滚子轴承为线接触。承载能力：球轴承＜滚子轴承耐冲击：球轴承＜滚子轴承(2)、载荷性质同时Fa、Fr：1）Fr大、Fa小：深沟球轴承、接触角不大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承；2）Fa大、Fr小：选接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或向心轴承和推力轴承组合在一起的结构。∴载荷大、有冲击时选滚子轴承，反之选球轴承。13-3滚动轴承的类型选择二、滚动轴承类型选择应考虑的问题纯Fa：推力轴承，Fa较小选推力球轴承；Fa较大选推力滚子轴承；纯Fr：向心轴承，一般选深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；1．承受载荷情况2．转速的限制球轴承和轻系列（相同内径时外径较小）的轴承能适应较高的转速，滚子轴承和重系列（相同内径时外径较大）的轴承则反之；实体保持架允许转速较高，冲压保持架允许转速较低；青铜实体保持架允许更高的转速；推力轴承的极限转速很低，当工作转速较高时，若轴向载荷不太大，可采用角接触球轴承承受纯轴向载荷；若工作转速略高于样本中规定的极限转速，可选用较高公差等级的轴承，或用较大游隙的轴承，采用循环润滑或油雾润滑，加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能。13-3滚动轴承的类型选择3．调心性要求当轴的中心线与轴承座中心线不重合有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承内外圈轴线发生偏斜，此时应选用有调心功能的调心轴承或带座外球面球轴承。滚子轴承对轴承偏斜最敏感，有偏斜时承载能力可能低于球轴承，因此应避免使用。13-3滚动轴承的类型选择4．安装和拆卸要求当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承（如N0000、NA0000、30000等）。当轴承在长轴上安装时，为了便于拆装，可选内圈孔为1：12的圆锥孔的轴承。13-4滚动轴承的工作情况以向心轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承为例，分析元件上的载荷及变化情况。（一）轴承工作时轴承元件上的载荷分布以向心轴承为例。滚动轴承工作时，并非所有滚动体都同时受载。滚动体同时受载的程度与轴承所受的径向力和轴向力的大小有关，一般以控制约半圈滚动体同时受载为宜。真实变形量的分布：中间最大，向两边逐渐减小。因此，接触载荷也是处于Fr作用线上最大。各滚动体从开始受载到受载终止对应的区域叫承载区。根据力的平衡原理，所有滚动体作用在内圈上的反力Fi的向量和等于径向载荷Fr。工作情况113-4滚动轴承的工作情况工作时，轴承各个元件上载荷及产生的应力是时时变化的，而固定套圈受载最大处的工作状态最为恶劣。详细分析（二）轴承工作时轴承元件上的载荷及应力变化（三）轴向载荷对载荷分布的影响β——载荷角，Fa与Fr的合力F与半径方向的夹角当角接触球轴承或圆锥滚子轴承承受径向载荷Fr(图示R)时，由于存在接触角α，各滚动体的反力不沿半径方向，可分解为轴向和径向两个分力Fdi、FNi：其中：Fdi=FNitgα根据力的平衡，所有径向分力FNi的分量与径向载荷Fr相平衡，所有轴向分力Fdi之和组成派生轴向力Fd。应由轴向力Fa（即图示A）与之平衡。13-4滚动轴承的工作情况②受载滚动体增多时在同样Fr作用下，派生轴向力Fd↑轴向力单个滚动体受载产生的派生轴向力——多个滚动体受载的条件①当只有最下面一个滚动体受载时13-4滚动轴承的工作情况结论：1）角接触球轴承和圆锥滚子轴承总是在径向力和轴向力联合作用下工作，为使较多滚动体同时受载，应使FaFrtgα;2)对于同一轴承，相同径向载荷条件下，Fa增大，同时受载的滚动体数目增多，当Fd≈1.25Frtgα会有半数滚动体同时受载，当Fd≈1.7Frtgα开始使全部滚动体同时受载。13-4滚动轴承的工作情况滚动轴承尺寸的选择113-5滚动轴承尺寸的选择滚动轴承尺寸的选择取决于轴承承受的载荷、对轴承寿命要求以及可靠性的要求等。滚动轴承的载荷有动载荷与静载荷之分，不同的载荷对应着不同的失效形式。载荷及失效形式的分析是本节的重要内容。滚动轴承的寿命主要是指轴承的疲劳寿命，由于疲劳寿命与概率密切相关率，因此轴承的寿命必然与可靠性问题相关。本节从以下方面讲述滚动轴承尺寸的选择：滚动轴承的失效形式滚动轴承的寿命计算滚动轴承的当量动载荷向心推力轴承的载荷计算滚动轴承的静承载能力滚动轴承尺寸选择的过程滚动轴承的可靠度滚动轴承的基本额定动载荷滚动轴承尺寸的选择213-5滚动轴承尺寸的选择一、滚动轴承的失效形式及基本额定寿命套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式，是作为滚动轴承寿命计算的依据。点蚀胶合断裂转速较高而润滑油不足时引起轴承烧伤；润滑油不清洁而使滚动体和滚道过度磨损；装配不当而使轴承卡死、胀破内圈、挤碎内外圈和保持架等。滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效，下列为常见的失效形式：磨损除了点蚀以外，轴承还可能发生其它多种的失效形式。例如：这些失效形式可以通过加强装配过程管理等措施来克服。更多的失效滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。显然，通常谈的滚动轴承寿命是指滚动轴承的疲劳寿命。13-5滚动轴承尺寸的选择与一般结构件的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的（见右图）。1009080706050403020100151020未失效轴承数量／%轴承的寿命/（106r）基本额定寿命：具有90％可靠度时轴承的寿命，用L10表示。即一批相同轴承在同样工作条件下运转，其中10%的轴承发生疲劳点蚀，90%的轴承不发生疲劳点蚀前运转的总转数（以106转为单位），或一定工作转速下工作的小时数（L10h）。同型号轴承：寿命相差数十倍。最长寿命：不安全计算时，若按最低寿命：过于保守1）对一批轴承而言：指90%轴承能达到或超过的寿命。2）对一个具体轴承而言：该轴承能达到或超过该寿命的概率为90%。L10的物理意义：13-5滚动轴承尺寸的选择基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。在做轴承寿命计算时，必须先根据机器的类型、使用条件及可靠性要求，确定一个恰当的预期计算寿命。表13-3给出了根据机器的使用经验推荐的预期计算寿命值。二、滚动轴承的基本额定动载荷即：在C作用下，轴承工作106r而不点蚀失效的R=90%。1）C由试验得出，查手册；2）C↑—轴承抗疲劳承载能力↑；同类不同型号轴承，C不同。3）设计时需满足：一定工况下的轴承所需的C′≤C说明：对推力轴承：Ca—纯轴向载荷，即轴向基本额定动载荷对向心轴承：