轴承选型计算

第十章滚动轴承一.主要内容滚动轴承是各类机械中普遍使用的重要支撑标准件，并由专业厂大批量生产。本章是本课程的重点章节之一，由于滚动轴承的类型，尺寸以及精度等级等已有国家标准，因此，在机械设计中需要解决的问题主要有：（1）根据工作条件合理选择滚动轴承的类型；（2）滚动轴承的承载能力计算；（3）滚动轴承部件的组合设计。1．滚动轴承类型的选择选择滚动轴承的类型时，首先应熟悉轴承的结构，特点，并与十一章滑动轴承的特点比较，借以区别良种轴承的适用场合。此外，还应熟悉表征滚动轴承工作性能的三要素，即游隙，接触角，偏位角，以及它们的含义和对轴承工作性能的影响。还应掌握滚动轴承的分类，特点及代号表示法，以及滚动轴承的选择原则。按轴承内部结构和所承受的载荷方向不同，滚动轴承可分为三大类：（1）向心轴承——主要承受径向载荷；（2）向心推力轴承——可同时承受较大的径向及轴向载荷；（3）推力轴承——只能承受轴向载荷；推力向心轴承——可在承受轴向载荷的同时，还可承受较小的径向载荷。国家标准规定我国生产的滚动轴承分为十个标准类型，其中常用的标准类型有：单列向心轴承（0000系列），双列向心球面球轴承（1000系列），单列向心短圆柱滚子轴承（2000系列），单列向心推力球轴承（6000系列），单列圆锥滚子（7000系列）和单向推力球轴承（8000系列）。滚动轴承的代号表示法，是为了便于选择和使用而规定的。学习时特别是上述几种轴承的代号中段从右数四位数字和精度等级的表示方法要熟悉。应能根据给出的轴承代号，正确判断出轴承的精度等级，类型，直径系列和内径尺寸，并能指出该轴承的结构，特点及应用场合。通常在机械设计中，滚动轴承类型的选择，要根据轴承所承受的载荷大小，方向，性质，工作转速的高低，轴颈的偏转情况等要求，并结合不同轴承的类型特点进行。选择轴承时的参考原则见教科书。2．滚动轴承的计算根据轴承工作条件确定轴承类型后，需要进行轴承的承载能力计算。这一部分是本章的核心内容，要求能够根据轴承主要失效形式，引出其设计根据，并能熟练掌握相应的计算方法。（1）主要失效形式及相应计算方法一般长期使用的滚动轴承，在交变应力作用下，主要失效形式为疲劳点蚀。相应的计算方法为“寿命计算”。对于极低速轴承或间歇摆动的轴承，在过大的冲击或静载荷作用下，主要失效形式为塑性变形。相应的计算方法为“静载荷计算”。此外，由于润滑，密封不良时产生磨损；制造及安装使用不当时会出现断裂等。对于这些失效形式可采取相应的措施加以防止。（2）滚动轴承的寿命计算轴承的疲劳寿命——轴承在发生疲劳点蚀前的实际回转总次数（或在一定转速下的工作小时数）。额定寿命L——一批相同的轴承，在相同的条件下运转，按90%的轴承不发生疲劳点蚀破损的寿命。平均寿命——一批轴承允许有50%的完好率，不发生点蚀的寿命。额定动载荷C——额定寿命L=1（610转），90%的轴承完好时，轴承所承受的载荷。滚动轴承寿命曲线（既轴承载荷P与额定寿命L的关系曲线）见图10-1，其关系式为：常数1CLP或PCL图10-1换算为按小时计的寿命hL则有nLLh60106式中P——当量动载荷——寿命指数，对于球轴承=3，对于滚子轴承=10/3n——轴承的转速。轴承寿命计算公式：PffffCTnFL式中：Lf——寿命系数Ff——载荷性质系数nf——速度系数Tf——温度系数当量动载荷P——是一种假定载荷，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。当量动载荷的计算公式为：XFXFPr式中：rF——径向载荷F——轴向载荷X，Y分别为径向系数和轴向系数，由教科书表10-14（或有关手册）中查出。向心推力轴承轴向力F的计算：向心推力轴承应成对使用，它的安装方式有两种如图10-2所示，图10-2（a）为正装，图10-2（b）为反装。向心推力轴承轴的轴向载荷F，对于两个轴承来说，都必须同时满足两个条件：（1）力的平衡条件；（2）保证半圈滚动体受力的条件。对于轴承1来说，满足力的平衡条件，轴承1承受的轴向载荷显然是21SKFaa。满足半圈滚动体受力的条件，轴承1上的轴向载荷1aF必须满足11SFa；其中是由径向载荷引起的内部轴向力，各类向心推力轴承的内部轴向力S的近似值，可查教科书表10-17。因此，轴承1的轴向载荷1aF应取下列两值中的较大值，即1211SFSKFaaa用同样的方法分析，可得轴承2的轴向载荷2aF应取下列两值中的较大值：2222SFKSFaaa式中aK为轴向外载荷。注意：1)上述计算轴向载荷的公式，不必死记硬背，应根据实际情况，按照同时应满足的两个条件，自己推倒出来。2)如用上式计算轴向载荷时，与安装方式所对应的轴承编号，应与图10-2所标的一致3)如用上式计算时，轴向外载荷方向与图10-2所标方向相同为正，相反为负，代入公式计算。（3）滚动轴承的静载荷计算额定动载荷0C——轴承受载最大的滚动体与滾动体与较弱座圈滚道上产生的永久塑性变形量之和等于直径的万分之一的载荷。当量动载荷0P——是一种假定载荷，在这个载荷作用下所产生的塑性变形与实际径向载荷所产生的塑性变形量相等。当量静载荷的计算式为：arFYFXP0001S！rF式中：0X——径向系数0Y——轴向悉数。各类轴承的0X和0Y值，由教科书表10－15查出。滚动轴承额定动载荷计算公式000PnC式中：0n——安全系数，由表10－16查出。注意：1)对于转速较低并对运转平稳及摩擦力矩要求不高时可选取0n12)对于刚性较低的轴承座，应选取较大的安全系数；反之可选取较小的安全系数。此外，如所求出的rFP0，则应取：rFP0。（4）滚动轴承的极限转速极限转速——滚动轴承在一定载荷和润滑条件下所允许的最高转速。滚动轴承转速过高会使摩擦面产生高温，影响润滑及性能，破坏油膜，从而导致滾动体回火或元件胶合失效。对于工作转速较高的轴承还应校核极限转速。即lim'nn式中：n——轴承实际工作转速；lim'n——修正后的轴承极限转速。lim21lim'nffn如修正后的极限转速lim'n不能满足使用要求，可采取以下措施提高极限转速：提高轴承的精确等级;选用较大的游隙；采用油雾润滑或喷射润滑；采用特殊材料及结构的保持架；设置冷却系统；选用高速轴承等等。3．滚动轴承部件的组合设计为了保证轴承正常工作，除正确选用轴承的类型，进行必要的设计计算外，还应合理的轴承部件的组合设计，轴承部件的组合设计包括：轴承的布置核固定；轴承的安装和调整；轴承的预紧；轴承的公差及配合的选择；轴承的润滑和密封等。（1）轴承的布置和固定一般在机器中，轴系的位置是靠轴承来固定的，在双轴承（支点）的轴系中，常见的轴承固定方式有以下几种：(i)固游式〈一个轴承固定，另一个轴承游动〉：用于工作温度较高的长轴。(ii)全固式(每一个轴承都能限制轴的单向移动,两个轴承合在一起限制铀的双向移动)：用于工作温度不高的短轴。轴承外圈处留出膨胀间隙约为C=0.2-0.3mm。(iii)全游式(两个轴承都游动)：用于要求轴能轴向游动的场合。轴承内圈或外圈的固定形式，可参见教科书或有关资料。（2）轴承的安装，调整，预紧和装拆成对使用的向心推力轴承，一般有三种安装方式：正装、反装、同向安装。一般机器多采用正装，因为正装的安装和调整都比较方便。轴承的调整包括：1)轴承间隙的调整：保证膨胀间隙；2)轴承组合位置的调整：使轴上传动零件（如齿轮，涡轮等）具有准确的工作位置。轴承的预紧就是在安装时，使轴承内保持适当的轴向力，以消除间隙并使滾动体和内外套圈之间产生预变形，用以提高轴承的刚度和旋转精度,减少工作时轴的振动。设计轴承组合时，要考虑轴承拆卸的可能，以便在拆卸时不致损坏轴承或其它零件。(3)轴承的公差与配合轴承的公差与配合，在“公差与技术测量”课中已经学过，就不再重复了，这里只是着重说明几点：(i)基准制：由于滚动轴承是标准件，选择配合时把它作为基准件。因此轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴承外圈与轴承座孔的配合采用基轴制。(ii)配合选择：通常，轴承的旋转圈与转动件的配合一般用n6、m6、k6、js6；而固定圈与机器不动部分的配合则用J7、J6、H7、G7、H8等(指一般机器的转轴轴承,内圈旋转,外圈固定)。旋转圈的转速越高，载荷越大，振动越大，工作温度越高，用应采用紧一些的配合；游动圈及需经常拆卸的轴承则采用较松的配合。(4)轴承的润滑和密封(i)轴承的润滑润滑的作用：主要在于降低轴承的摩擦阻力和减轻磨损，也存吸振、冷却、防锈、密封等作用。具体选用润滑剂时可参考速度因数dn来定，d为轴承内径（mm）,n为轴承的工作转速（1min）。当dn=200000-300000mm1min时，一般轴承采用脂润滑，超过这一范围宜采用油润滑。(ii)轴承的密封密封的作用：主要时为了防止灰尘、水分等侵入轴承和阻止润滑剂漏失。密封方法：可分为两大类：1)接触式密封（毡圈密封、皮圈密封）一般用于速度不很高的场合；2)非接触式密封（油沟密封、甩油环密封、迷宫式密封）一般用于速度较高的场合。二.复习思考题10－1滚动轴承与滑动轴承比较，主要有哪些优缺点？10－2什么是滚动轴承的“游隙”“接触翁”“偏位角”?10－3根据以下滚动轴承代号分析轴承的类型、内径尺寸、直径系列和精度等：7311、101、8206、210、D36305、120810－4写出下列轴承的代号(1)单列向心短圆柱滚子轴承，轻窄系列，内径d=3Omm(2)单列向心球轴承，重系列，内径d=17mm(3)单列向心推力球轴承，特轻系列，内径d＝2Omm(4)单列圆锥滚子，中窄系列，内径d=150mm(5)双列向心球轴承，中宽系列，内径d=5Omm10－5在机械设计中，应如何选择滚动轴承的类型？球轴承、推力轴承、滚子轴承、向心推力轴承、球面调心轴承各用在什么场合？10－6如何解说滚动轴承的“疲劳寿命”、“额定寿命”和“平均寿命”。42日苦.10-7何谓滚动轴承的“额定动载荷”？双列轴承的额定动载荷与单列轴承的额定动载荷之间大致存在什么比例关系？10-8何谓滚动轴承的“当量动载荷”？当量动载荷P、额定动载荷C与寿命L之间的美系是什么？10-9分析当轴承载荷增大1倍时，轴承的预期寿命将下降多少倍？如轴承转速增大一倍时，轴承的预期寿命将下降多少倍?10-10作图并叙明“等当量动载荷曲线”的特点以及当量动载荷与轴承的径向载荷和轴向载荷之间的关系?10-11如何解说滚动抽承的“额定静载荷”，“当量静载荷”？10-12计算滚动轴承的静力强度时，如何选取安全系数的值?10-13滚动轴承的主要失效形式有哪些？在选择轴承型号时，进行寿命计算，静载荷计算和校核极限转速分别针对什么失效？以下轴承根据工作要求主要应进行哪些计算?(1)n101min的悬链轮轴轴承；(2)n100001min的高速磨头轴轴承；(3)1n=15401min，P=7.5KW的减速器高速轴轴承。10-14向心推力轴承的内部轴向力是如何产生的?10-15对于成对使用的向心推力轴承，在径向载荷及轴向载荷的联合作用下，应如何确定轴承的轴向载荷作为设计轴承的依据？10-16常见的两支点轴系，轴承的轴向安装及固定有哪儿种形式？各有何特点？各适用于何种情况?10-17轴承的内圈固定形式有哪些？轴承的外圈固定形式有哪些？10-18成对使用的向心推力轴承，“正装”，“反装”和“同向安装”各用在什么情况下？10-19轴承预紧的目的是什么？常见的预紧方式有哪几种？10-20滚动轴承内圈和轴、外圈和机座孔分别采用何种基准制？若内圈与轴配合标为6735KH，外圈与机座孔配合标为6790hJ有何错误？应如何改正？回转圈与不回转圈的配合性质相同吗？10-21如何选择滚动轴承的润滑方式及相应的密封装置？三.典型例题例10-1分析齿轮轴轴系[图10-3（a）]上的错误并改正。轴承采用脂润滑。图10-3解：此轴系有以下四方面的错误结构：1.静止件接触(1)轴与轴端盖；(2)套筒与轴