滚动轴承基本知识入门

第7章滚动轴承第7章滚动轴承教学基本要求1.了解滚动轴承的结构、材料、特点和应用；2.掌握滚动轴承的类型、代号和选择；3.掌握滚动轴承的失效形式、设计准则及校核计算方法；4.能正确进行滚动轴承的组合设计。重点与难点1.滚动轴承的失效形式、设计准则及滚动轴承的选择；2.角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷的计算以及滚动轴承基本额定寿命的计算；3.滚动轴承的组合设计。轴承是支承轴颈的部件，有时也用来支承轴上的回转零件。根据其工作时接触面间的摩擦性质，分为滑动轴承和滚动轴承两大类。本章只讨论滚动轴承。7.1概述滚动轴承设计的内容一般为：①根据工作条件合理选用滚动轴承的类型和尺寸，验算轴承的承载能力；②综合考虑滚动轴承的定位、装拆、调整、润滑和密封等问题，进行轴承的组合结构设计。7.1.1滚动轴承的构造1-内圈2-外圈3-滚动体4-保持架滚动轴承通常由内圈1、外圈2、滚动体3和保持架4组成。滚动体是滚动轴承中不可缺少的重要元件。内圈与轴颈配合，外圈与轴承座配合。外圈内圈滚动体保持架7.1.2轴承的材料轴承内、外圈和滚动体的材料应具有较高的接触疲劳强度和硬度、良好的耐磨性和冲击韧性。一般用特殊轴承钢如GCr15、GCr15SiMn等制造，热处理后硬度一般不低于60HRC，工作表面要求磨削和抛光。由于一般轴承的这些元件都经过150℃的回火处理，所以通常当轴承的工作温度不高于120℃时，零件的硬度不会下降。保持架可以是用低碳钢薄板冲压结构，也可以是实体式结构。冲压结构保持架生产率高，价格便宜，但制造精度差，保持架与滚动体之间的间隙较大。实体保持架可以使用铜合金，铝合金，塑料，树脂等材料制成，金属材料实体保持架须经切削加工，价格较高，由于形状准确，与滚动体配合良好，因而性能较好。7.1.3滚动轴承的优缺点及应用与滑动轴承相比，滚动轴承的主要优点是：摩擦力矩和发热较小，在通常的速度范围内，摩擦力矩很少随速度而改变；启动转矩比滑动轴承小；消耗润滑剂少，便于密封，易于维护；大大地减少了有色金属的消耗；轴承单位宽度的承载能力较大；标准化程度高，成批生产，成本较低。滚动轴承的缺点是：接触应力高，承受冲击载荷的能力较差，高速重载荷下轴承的寿命较低；径向尺寸比滑动轴承大；减振性能比滑动轴承差，工作时振动和噪音较大；小批生产特殊的滚动轴承时成本较高。滚动轴承在海上钻井平台上的应用滚动轴承在火车车轮轴中的应用滚动轴承在减速器中的应用7.2滚动轴承的类型、代号和选择7.2.1滚动轴承的主要类型、性能与特点公称接触角a公称接触角是滚动轴承的一个主要参数，它是指滚动轴承中滚动体与外圈接触处的法线和垂直于轴承轴心线的平面间的夹角，用α表示。注意：公称接触角越大，滚动轴承承受轴向载荷的能力越大。按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角a的不同分按滚动体形状分球轴承和滚子轴承球轴承滚子轴承常用滚动轴承的类型及结构（表7-1）7.2.2滚动轴承的代号国标GB/T272—93规定滚动轴承代号由三部分组成：前置代号基本代号后置代号滚动轴承代号的构成前置代号基本代号后置代号轴承分部件代号五四三二一内部结构代号密封和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他代号类型代号尺寸系列代号内径系列代号宽度系列代号直径系列代号1.基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础。包括：1）类型代号用数字或字母表示不同类型的轴承，见下表。2）尺寸系列代号由两位数字组成。前一位数字表示宽度系列（向心轴承）或高度系列（推力轴承），后一位数字表示直径系列。宽度系列或高度系列是指结构、内径和直径系列都相同的轴承，在宽度或高度方面的变化系列。直径系列的对比图向心轴承尺寸系列图表0窄1正常2宽3特宽4特宽5特宽6特宽7超特轻--17--37------8超轻081828384858689超轻091929394959690特轻001020304050601特轻011121314151612轻021222324252623中03132333----634重04--24--------宽度系列代号直径系列代号0系列（窄系列）多数可省略，圆锥滚子轴承不能省略。3）内径代号基本代号举例2.前置代号3.后置代号后置代号:用字母和数字表示——轴承的结构、公差、游隙及材料的特殊要求等1）内部结构代号C、AC、B——角接触球轴承的公称接触角15a402）轴承的公差等级精度高————————————→低代号/P2、/P4、/P5、/P6、/P6X、/P0公差等级24566X0—普通级可省略402515，，a3）轴承的径向游隙1组2组0组3组4组5组(径向游隙由小到大)/C1/C2/C3/C4/C5表示4）轴承的配置代号a)面对面b)背对背c)串联7.2.3滚动轴承的选择滚动轴承的选择内容滚动轴承的选择包括：轴承类型、尺寸系列、内径和公差等级等的选择。类型的选择是指从具体使用条件出发，结合轴承本身的特点，经过分析比较，选出比较合适的类型和型号。类型的选择1.滚动轴承类型的选择原则1）转速较高，载荷不大，旋转精度又有较高要求时，宜用点接触的单列向心球轴承或向心角接触球轴承。滚子轴承多用于转速不太高、载荷较大的场合。2）有冲击载荷时，宜用滚子轴承。3）径向和轴向载荷都较大，转速又高，宜用向心角接触球轴承；转速不太高，则可用圆锥滚子轴承；当轴向载荷比径向载荷大得多时，且转速不太高，一个支点上可用两种不同类型的轴承组合，例如推力轴承和向心球轴承组合，以分别承受轴向载荷和径向载荷。4）当要求支承有较大刚度时，宜用滚子轴承；5）支点跨距大，轴的弯曲变形较大时，可选用调心轴承；6）从价格上考虑，一般来说，球轴承比滚子轴承便宜。直径系列：选轻系列或中系列宽度系列：正常系列公差等级：选０级优先考虑用普通公差等级的轴承2.尺寸系列、内径的选择7.3滚动轴承的受力分析、失效形式和计算准则7.3.1受力分析1.向心轴承的载荷分布载荷通过轴颈作用于轴承内圈，假设轴承内外圈在载荷的作用下保持原有形状，在载荷的作用下内圈相对于外圈在载荷作用方向上位移为δ，上半圈的滚动体仍然不受力，下半圈的滚动体与内外圈的接触点处发生接触变形δi。当滚动体在不同位置与座圈接触时，由于变形量不同，因而接触载荷也不同。线接触轴承）点接触轴承）(6.408.4(537.4rr0rr0FzFzFFzFzF根据力的平衡条件可求出受载最大的滚动体所受的载荷为轴承工作时，滚动体上一点当进入接触区时开始受载荷，应力从零开始逐渐增大到最大值，这个最大值与载荷正比，当接触区离开该点后该点受力为零，直到滚动体旋转到下一次的接触位置，滚动体上的该点又一次开始受力，但是这一次的接触位置改变了，载荷不同了，因而最大接触应力也不同了。滚动体上一点的受力变化情况如上图所示，固定座圈上一点(中心线以下)处的受力如下图所示，座圈上的不同点处的最大应力值不同。2.轴承元件上载荷及应力的变化轴承工作时轴承元件上载荷与应力的变化滚动体——不稳定脉动循环变应力固定套圈——稳定的脉动循环变应力进入非承载区进入承载区Q,HQ,HTT7.3.2滚动轴承的失效形式1.疲劳点蚀2.塑性变形3.磨损其它还有锈蚀、电腐蚀和由于操作、维护不当而引起的元件破裂等失效形式。4.胶合滚动轴承工作过程中，滚动体和内、外圈滚道分别受到脉动循环交变应力的作用。在载荷的反复作用下，首先在表面下一定深度处产生疲劳裂纹，继而扩展到接触表面，形成疲劳点蚀，使轴承不能正常工作。通常，疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式。1．疲劳点蚀疲劳点蚀的形成疲劳点蚀的实例疲劳点蚀的实例当轴承转速很低或间歇摆动时，一般不会产生疲劳破坏。但在很大的静载荷或冲击载荷作用下，会使轴承滚道和滚动体接触处产生永久变形（滚道表面形成塑性变形凹坑），而使轴承在运转中产生剧烈振动和噪声，运转精度的下降，以至轴承不能正常工作。2．塑性变形塑性变形实例磨粒磨损滚动轴承在密封不可靠以及多尘的运转条件下工作时，容易发生磨粒磨损。3.磨损4.胶合通常在滚动体和套圈之间，特别是滚动体和保持架之间有滑动摩擦，如果润滑不充分，发热严重时，可能使滚动体回火，甚至产生胶合现象。转速越高，发热越大，发生胶合的可能性就越高。内、外圈破裂实例7.3.3滚动轴承的计算准则1）一般，在正常安装和维护下，转速较高的轴承主要失效形式是疲劳点蚀，需进行寿命计算。2）高速轴承除要进行寿命计算外，还需使其转速不得超过极限转速。3）对于缓慢摆动或低速回转的轴承，一般是塑性变形失效，需进行静强度计算。7.4.1滚动轴承的基本额定寿命计算一些基本概念：滚动轴承的寿命滚动轴承的基本额定寿命滚动轴承的基本额定动载荷滚动轴承的当量动载荷7.4滚动轴承的校核计算1.基本额定寿命和基本额定动载荷滚动轴承的寿命：轴承中任一元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数，或在一定转速下的总工作小时数。轴承寿命相当离散，应与一定的可靠度相联系。滚动轴承的基本额定寿命：一批型号相同的轴承在相同条件下运转，有10％的轴承产生疲劳点蚀前的总转数或在一定转速下的总工作小时数。即可靠度为90%（失效概率为10%）时轴承的寿命。基本额定动载荷滚动轴承的基本额定寿命与所受载荷的大小有关，载荷越大，轴承的基本额定寿命越短。实验条件：120T对于向心轴承，是一个方向、大小恒定的径向载荷，称径向基本额定动载荷，用Cr表示。标准中规定：轴承的基本额定寿命为106转时，轴承所能承受的载荷值，称为轴承的基本额定动载荷，用C表示。对于推力轴承，是一个恒定的中心轴向载荷，称轴向基本额定动载荷，用Ca表示。2.滚动轴承基本额定寿命计算实验表明：对于相同型号的轴承，在不同的载荷P1、P2、P3、……作用下，若轴承的额定寿命为L1、L2、L3、……，则：.ContLPLPLP332211寿命计算公式的推导当L10=1（106转）时，其对应的载荷为基本额定动载荷C（N）于是可得：(106)110CLP)(10PCL)(6010610hPCnL(h)公式修正引入温度修正系数ft，则可得寿命的修正公式：如P和n已知，该轴承的预期寿命已定，则可得滚动轴承设计公式：PCfnLt610h6010(h)hL16ht1060nLfPC3.滚动轴承的当量动载荷P以向心轴承为例，它的额定动载荷Cr值是在受纯径向载荷条件下确定的。折算后的当量动载荷是一个假想载荷，在这个载荷作用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，这种折算后的载荷称为当量动载荷。假设作用在轴承上的实际载荷并非纯径向载荷，还有轴向载荷。为了与基本额定动载荷在相同载荷条件下进行比较，在计算轴承寿命时，应将实际载荷折算成当量动载荷。当量动载荷P对于向心轴承，是一个方向、大小恒定的径向载荷，称径向当量动载荷，用P表示。对于推力轴承，是一个恒定的中心轴向载荷，称轴向当量动载荷，用P表示。当量动载荷计算的统一表示raPXFYF=+常用轴承的X、Y值查取表7-9)(arPYFXFfP上式求得的当量动载荷只是一个理论值。实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，这些因素很难从理论上精确计算。为了计及这些影响，应对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数Pf小节一（校核轴承过程）根据已知轴承从手册中查取有关数据，比如C计算轴承所受的载荷（Fa、Fr）计算轴承的当量动载荷（P）确定X、Y比较轴承实际寿命与预期寿命小节二（选择轴承过程）根据C值从手册中查取合适大小的轴承计算轴承所受的载荷（Fa、Fr）计算轴承的当量动载荷（P）确定X、Y选择轴承类型，估计所需轴承的预期寿命Lhˊ深沟球轴承的轴向载荷Fa的计算由外界作用在轴上的总的轴向力FA决定FA所指向的轴承承担全部轴向力另一轴承承担的轴向力为零4.角接触轴承的轴向载荷的计算角接触轴承由于结构上的特点，支承面与轴线成一接触角，因此，在承受径向载荷Fr时要产生内部轴