机械设计之滚动轴承概述

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,1,13-2 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NN与半径方向夹角,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,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,2,13-2 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,。,（d20480mm）,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,d,10,12,15,17,代 号,00,01,02,03,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5,13-2 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=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,=,17,mm，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,。,类型代号,表,滚动轴承主要类型代号表,6,深沟球轴承,L,直线轴承,5,推力球轴承,U,外球面球轴承,4,双列深沟球轴承,NA,滚针轴承,3,圆锥滚子轴承,N,圆柱滚子轴承,29,推力调心滚子轴承,9,推力圆锥滚子轴承,2,调心滚子轴承,8,推力滚子轴承,1,调心球轴承,7,角接触球轴承,0,双列角接触球轴承,代号,轴承类型,代号,轴承类型,类型选择1,13-3 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F,a,、F,r,：,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）F,a,大、F,r,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F,a,：推力轴承，,Fa,较小,选推力球轴承；,Fa较大,选推力,滚子轴承,；,纯F,r,：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F,r,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F,i,的向量和等于径向载荷F,r,。,工作情况1,13-4 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,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F,r,(图示R)时，由于存在接触角，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,F,di,、F,N,i,：,其中：,F,di,=,F,N,i,tg,根据力的平衡，所有径向分力F,N,i,的分量与径向载荷F,r,相平衡，所有轴向分力,F,di,之和组成派生轴向力,F,d,。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, 受载滚动体增多时,在同样F,r,作用下，派生轴向力F,d,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, 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FaFr tg;,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,Fd1.25Fr tg,会有半数滚动体同时受载，当Fd1.7Fr tg,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1,13-5 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2,13-5 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）。,轴承的寿命/（10,6,r）,基本额定寿命,：具有,90,可靠度时轴承的寿命，用,L,10,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,10,6,转为单位），或一定工作转速下工作的小时数（,L,10h,）。,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%。,L,10,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,10,6,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10,6,r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：C,a,纯轴向载荷，即,轴向,基本额定动载荷,对向心轴承：C,r,纯径向载荷，即,径向,基本额定动载荷,对角接触球轴承或圆锥滚子轴承：使套圈间产生纯径向位移的载荷,的径向分量。,三、滚动轴承寿命的计算公式,13-5 滚动轴承尺寸的选择,当滚动轴承所受载荷,P=C（P为当量动载荷）时，L,10,10,6,r。,1）当所受载荷PC时，轴承的寿命是多少？,2）当轴承所受载荷为P，且要求轴承具有的预期计算寿命为L,h,时，需选用具有多大的基本额定动载荷的轴承？,图13-12 PL曲线,图,13-12,为在大量试验基础上得出的代号为,6207,的轴承的载荷寿命（,PL,）曲线。曲线公式：,寿命指数,球轴承：=3,滚子轴承：=10/3,工程中常用小时数表示寿命：,n轴承转速r/min,注意：,L,h,与n有关，L,10,与n无关,。,如果载荷P和转速n已知，预期寿命L,h,取定，则所需轴承应具有的基本额定动载荷C为,轴承样本中的,C,是对一般轴承而言，如果要用于高温轴承，需将,C,值乘以温度系数,f,t,，即 ，其中,C,t,为高温轴承的修正额定动载荷。,则上面三式变为：,温度系数,f,t,可查表13-4。,13-5 滚动轴承尺寸的选择,滚动轴承尺寸的选择4,13-5 滚动轴承尺寸的选择,四、滚动轴承的当量动载荷,在进行轴承寿命计算时，应把作用在轴承上的实际载荷转换为与确定轴承,C,值的载荷条件相一致的,当量动载荷,（用字母,P,表示）。,各类轴承的当量动载荷可按下式计算：,式中：,F,r,与,F,a,分别为轴承实际承受的径向载荷与轴向载荷,X,、,Y,分别为轴承的径向动载荷系数与轴向动载荷系数(,查表13-5,）,对仅能承受径向载荷的轴承,如圆柱滚子、滚针滚子轴承：,对仅能承受轴向载荷的轴承，如推力球轴承：,滚动轴承尺寸的选择4,13-5 滚动轴承尺寸的选择,为了计及实际载荷波动的影响，可对当量动载荷乘上一个载荷系数,f,p,。,载荷性质,载荷系数,f,p,举例,无冲击或轻微冲击,1.01.2,电机、汽轮机、通风机、水泵等,中等冲击或中等惯性力,1.21.8,机床、车辆、动力机械、起重机、造纸机、选矿机、冶金机械、卷扬机械等,强大冲击,1.83.0,碎石机、轧钢机、钻探机、振动筛等,滚动轴承尺寸的选择5,13-5 滚动轴承尺寸的选择,五、角接触球轴承和圆锥滚子轴承（向心推力轴承）的径向与轴向载荷计算,当,F,ae,F,d2,F,d1,时，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”，,轴承1的轴向力为,F,a1,F,ae,F,d2,轴承2的轴向力为,F,a2,F,d2,当,F,ae,F,d2,F,d1,时，相当于轴承1被“放松”，轴承2被“压紧”，,轴承1的轴向力为,F,a1,F,d1,轴承2的轴向力为,F,a2,F,d1,F,ae,滚动轴承尺寸的选择6,13-5 滚动轴承尺寸的选择,向心推力轴承所受轴向力,F,a,的计算方法可以归纳为：,由派生轴向力及外加轴向力的计算与分析，判断被“放松”或被“压紧”的轴承；,确定被“放松”轴承的轴向力仅为其本身派生的轴向力；,被“压紧”轴承的轴向力则为除去本身派生的轴向力后其余各轴向力之合力。,正安装时：“,”,型,正安装,：合力指向端为“压紧端”,反安装时：“,”,型,反安装：,合力指向端为“放松端”,滚动轴承尺寸的选择7,13-5 滚动轴承尺寸的选择,七、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,C,0,表示。,轴承上作用的径向载荷,F,r,与轴向载荷,F,a,应折合成一个当量静载荷,P,0,即：,P,0,=,X,0,F,r,+,Y,0,F,a,式中：,X,0,、,Y,0,分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，可由轴承,手册查取。,按轴承静承载能力选择轴承的公式为：,式中：,S,0,为静强度安全系数，可由设计手册查取。,滚动轴承尺寸的选择9,13-5 滚动轴承尺寸的选择,在一般的工程问题中，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,a,1,，即修正寿命为：,可靠度%,90,95,96,97,98,99,L,n,L,10,L,5,L,4,L,3,L,2,L,1,a,1,1.0,0.62,0.53,0.44,0.3,0.21,可靠度不为90%时的额定寿命修正系数,a,1,(GB/T6391-1995),a,1,也可按下式计算确定：,式中,R,为要求达到的可靠度。,L,n,可靠度为（100n）时的寿命，即修正额定寿命。,a,1,可靠度不为90的寿命修正系数，可查表13-9。,八、不同可靠度时滚动轴承寿命的计算,滚动轴承尺寸的选择8,13-5 滚动轴承尺寸的选择,九、滚动轴承尺寸选择的过程,由力分析确定轴承所承受的,F,r,与,F,a,计算当量动载荷,P,=,f,P,(,XF,r,+,YF,a,),明确轴承的工作转速,n,与预计寿命,L,10,计算轴承应满足的基本额定动载荷,由轴承样本（手册）查取合适的轴承,轴承装置的设计1,轴承装置的设计,轴承的装置设计的内容包括：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、轴承的配合以及轴承的装拆等问题。,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。,轴承装置的设计2,轴承装置的设计,一、滚动轴承的配置,轴承的配置问题是指：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。常用的轴承配置方案有以下三类，每一类又有若干具体方案。,轴承装置的设计3,轴承装置的设计,三、轴系部件的位置调整,锥齿轮或蜗杆在装配时，通常需要进行轴向位置的调整。为了便于调整，,可将确定其轴向位置的轴承装在一个套杯中，改变套杯在外壳孔中的位置即可,方便地对轴系部件进行整体调整。,轴承装置的设计4,轴承装置的设计,四、滚动轴承的润滑与密封,1润滑的目的,润滑可以降低滚动轴承内部的摩擦，减少磨损和发热量；,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，可以,使接触压力减小；,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,润滑脂,润滑油,固体润滑剂 用于特殊场合,- 常用,- 高速、高温,2润滑方式的选择,用速度因素,dn,值作为选择润滑剂的条件:,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。,对于不同类型的轴承，润滑剂和润滑方式的选择可参照下表进行。,3密封,作用：阻止灰尘、水、酸气和其它杂物进入轴承，防止润滑剂流失。,密封装置可分为：,非接触式密封,和,接触式密封,。,轴承装置的设计,滚动轴承的密封,轴承装置的设计5,轴承装置的设计,五、滚动轴承的配合与装拆,滚动轴承的配合是指内圈与轴颈、外圈与外壳孔的配合。,装拆滚动轴承时，不能通过滚动体来传力，以免使滚道或滚动体造成损伤。由于轴承的配合较紧，装拆时以使用专门的工具为宜。,1滚动轴承的配合,2滚动轴承的安装与拆卸,详细说明,更多图片,选择配合时，应考虑载荷的方向、大小和性质，以及轴承类型、转速和使用条件等因素。,尺寸大、载荷大、振动大、转速高，工作温度高：选紧一点的配合。,当外载荷方向不变时，转动套圈应比固定套圈的配合紧一些。一般情况下是内圈随轴一起转动、外圈固定不转，故内圈常取具有过盈的过渡配合；外圈常取较松的过渡配合。,当轴承经常拆卸或作游动支承时，外圈应取保证有间隙的配合。,轴承装置的设计6,轴承装置的设计,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；,更多说明,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。,在进行滚动轴承的安装设计时，应注意以下问题：,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；,更多说明,