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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 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 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 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 滚动轴承代号的构成 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 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 2 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 3 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 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 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 i 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 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 7 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 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 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 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 h 3 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 常用轴承的X Y值查取表7 9 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 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Lh 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时要产生内部轴向力S 内部轴向力S等于轴承承受载荷的各滚动体产生的轴向分力之和 a 正装b 反装 角接触球轴承两种不同的安装方式 适合于传动零件位于两支承之间 适合于传动零件处于外伸端 内部轴向力方向的判断 不同的安装方式所产生的内部轴向力S的方向不同 但其方向总是由轴承外圈的宽边一端指向窄边一端 有迫使轴承内圈与外圈脱开的趋势 内部轴向力大小的计算见表7 11 内部轴向力的的影响 在使用时 须成对使用 反向安装 分正装和反装 在计算轴向载荷时 除了考虑作用在轴上的外部轴向力外 还必须把内部轴向力考虑进去 实际轴承所受轴向载荷Fa的确定 1 若 则轴有向右运动趋势 此时轴承 被压紧 为保持轴的平衡 轴承 将受到一个向左的平衡反力 S2 S2 就是作用在轴承 上的轴向力Fa2 而轴承 无影响 故 2 若 轴承 被压紧 轴承 被放松 故 总结 通过上述分析 可以归纳出向心角接触轴承轴向力的计算方法 1 根据轴承的安装方式及轴承类型 确定轴承的内部轴向力的方向和大小 2 确定作用于轴上的轴向外载荷的合力的大小和方向 3 判明轴上全部轴向载荷的合力指向 再根据轴承的布置方式判定被 压紧 和 放松 的轴承 4 压紧 端轴承的轴向力等于除本身内部轴向力外 轴上其他所有轴向力的代数和 5 放松 端轴承的轴向力等于本身的内部轴向力 如图所示 一对7306AC型角接触球轴承面对面布置 正装 已知 Fr1 3000N Fr2 1000N FA 500N 问 哪个轴承被 压紧 轴承所受轴向载荷Fa1 Fa2的大小 练习 练习 7 4 2滚动轴承的静强度计算 滚动轴承的静强度计算是为了限制滚动轴承在静载荷和冲击载荷作用下产生过大的塑性变形 1 基本额定静载荷 标准中规定 受载最大的滚动体与滚道接触中心处的接触应力达到一定值的载荷 称为基本额定静载荷 用C0表示 对于向心轴承 称径向基本额定静载荷 用C0r表示 对于推力轴承 称轴向基本额定静载荷 用C0a表示 2 按额定静载荷选择轴承 对于工作于静止状态 缓慢摆动和低速转动的轴承 主要是防止滚动体与滚道接触处产生过大的永久变形 由于这些变形的存在 运转时产生较大的振动和噪声 以致轴承未能正常工作 因此应按额定静载荷选择轴承尺寸 一般计算时应满足 静强度安全系数 3 当量静载荷P0 当轴承上同时作用有径向载荷和轴向载荷时 应折合成一个当量静载荷 其作用方向与基本额定静载荷相同 亦为一假象的载荷 含义与相似 在当量静载荷作用下 轴承受载最大的滚动体和套圈滚道接触中心处产生的接触应力与实际载荷作用下产生的接触应力相同 当量静载荷计算公式为 取两式中计算值大者 7 4 3滚动轴承的极限转速计算 滚动轴承的极限转速是指在一定的载荷和润滑条件下所允许的最高转速 它与轴承的类型 尺寸 载荷 精度和游隙 润滑与冷却条件 保持架的结构与材料等因素有关 为保证轴承能够正常工作 除合理选择轴承类型 尺寸外 还应正确进行轴承的组合结构设计 也就是要解决轴系的轴向位置固定 轴承与相关零件的配合 间隙的调整 装拆 润滑和密封等几个方面的问题 7 5滚动轴承的组合结构设计 7 5 1轴承轴系支点固定 双支点单向固定单支点双向固定两端游动 1 双支点单向固定 普通工作温度 t 70 的短轴 跨距L 400 常采用双支点单向固定的型式 这种轴系结构的两端支点中的每个支点分别承受一个方向的轴向力 限制轴一个方向的运动 两个支点合起来就限制了轴的双向移动 轴向力不大时 可采用深沟球轴承 轴向力较大时 可选用一对角接触球轴承如图所示或一对圆锥滚子轴承 考虑到轴工作时因受热而伸长 在轴承盖与外圈端面之间应留出0 25 0 4 热补偿间隙 间隙很小 结构图上不必画出 间隙或游隙的大小 常用垫片或调整螺钉调节如图所示 2 单支点双向固定 固定端轴承限制轴的双向移动 而游动端轴承的外圈可以在座孔内沿轴向移动 以补偿轴的受热伸长 适用场合 常用于轴较长或温差较大时的情况 所示的结构中左支点为固定端 所选轴承为可以承受少量双向轴向载荷的深沟球轴承 轴承内 外圈均被固定 当轴受到任何方向的轴向力时都通过这一支点传递到箱体 另一端 游动端 也选择深沟球轴承 但是轴承只将内圈相对于轴双向固定 而与孔在两个方向上均不固定 使得当轴受热伸长时轴承外圈可相对于箱体自由移动 不受限制 这样 温升不会使轴系产生附加轴向载荷 由于固定端使用的深沟球轴承承受轴向载荷的能力不大 所以这种轴系结构适用于轴向载荷不大的场合 图所示结构中两端均采用圆柱滚子轴承 通常这种轴承基本不具有轴向承载能力 但是左端的圆柱滚子轴承在内外圈上均有挡边 当轴系偶尔有少量轴向力时可以依靠这些挡边限制左支点轴承的双向位置 右支点采用的是外圈双向均无挡边的圆柱滚子轴承 虽然轴承内外圈相对于轴和孔双向固定 但由于轴承结构的关系 轴承内圈可以相对于外圈自由移动 形成游动端 由于固定端采用基本无轴向承载能力的圆柱滚子轴承 所以这种轴系结构适用于基本无轴向载荷 理想情况下无轴向载荷 的情况 两端游动的轴系结构两端均采用完全不具有轴承定位能力的轴承 整个轴系的轴向位置处于完全浮动状态 两端游动轴系的轴向位置在工作中是依靠传动零件确定的 一般这种轴系结构应用在双斜齿轮轴系或人字齿轮轴系中 3 两端游动 在人字齿轮传动中 为避免人字齿轮两半齿圈受力不匀或卡住 常将小齿轮做成可以两端游动的轴系结构 如图中左 右两端的轴承均不限制轴的轴向游动 这种轴系的传动零件具有双向轴向定位能力 如果轴承也具有轴向定位能力则构成过定位的轴系 这是不允许的 特殊情况下使用 7 5 2滚动轴承的轴向定位和紧固 轴承内圈的固定 轴承外圈的固定 a 轴端挡圈b 圆螺母c 轴用弹性挡圈d 紧定套 轴承内圈的固定结构 a 凸肩与孔用弹性挡圈b 止动卡环c 凸肩与轴承端盖d 螺纹环 轴承外圈的固定结构 7 5 3轴承游隙和轴上零件位置的调整 轴承游隙的大小对轴承的寿命 效率 旋转精度 温升及噪声等都有很大的影响 游隙过大 则轴承的旋转精度降低 噪声增大 游隙过小 则由于轴的热膨胀使轴承受的载荷加大 寿命缩短 效率降低 因此 轴承组合装配时应根据实际的工作状况适当地调整游隙 并从结构上保证能方便地进行调整 通过改变轴承盖与箱体之间的垫片厚度来实现的 装配中首先在不装垫片的情况下测量端盖与箱体之间的间隙 将这个间隙与轴系所需的工作游隙相加 就是所需的垫片总厚度 装配时的调整 轴向间隙是靠轴上的圆螺母来调整的 操作不甚方便 且螺纹为应力集中源 削弱了轴的强度 所示为嵌入式轴承端盖结构 在端盖与轴承之间有一垫圈 在装配中可以通过调整 或选配 这一垫圈的厚度实现正确的轴向间隙 工作中的调整 实际机器在工作中会由于磨损使轴系的轴向间隙发生变化 所以需要在使用过程中不断对其进行调整 以补偿磨损造成的间隙变化 保持正确的轴向间隙 通过螺钉进行调整 通过螺母实现防松 轴系的轴承间隙通过改变套杯与端盖之间的垫片1厚度来调整 节锥点位置通过改变套杯与箱体之间的垫片2厚度来调整 7 5 4滚动轴承的配合 滚动轴承的配合是指滚动轴承内圈与轴的配合及滚动轴承外圈与孔的配合 滚动轴承的配合直接影响轴承的定位与固定效果 影响轴承的工作间隙 为保证滚动轴承能正常工作 并具有一定的旋转精度 应使轴承工作时具有一定的间隙 向心轴承出厂时具有原始间隙 装配后由于内圈与轴及外圈与孔之间的过盈使间隙变小 工作中的受力使间隙加大 由于内圈的散热条件比外圈差 工作温升使间隙变小 这些因素综合作用所形成的间隙称为工作间隙 工作间隙的大小对滚动轴承元件的受力 轴系的旋转精度 轴承的寿命及温升都有很大的影响 合理地选择滚动轴承的配合是改善轴承工作间隙 影响其它工作性能的重要手段 1 由于滚动轴承是标准组件 只能通过改变与滚动轴承配合的轴颈和孔的尺寸满足配合要求 所以滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制 滚动轴承外圈与孔的配合采用基轴制 2 通常基孔制配合中基准孔的尺寸公差带采用下偏差为零 上偏差为正值的分布 根据国家标准规定 滚动轴承内圈与外圈的尺寸公差带均采用上偏差为零 下偏差为负值的分布 所以与滚动轴承内圈配合的轴在采用同样的配合符号时 与滚动轴承所形成的配合比与一般基孔制的基准孔所形成的配合更紧 图所示为滚动轴承内 外圈的公差带位置及与之配合的轴和孔的公差带位置的关系 轴承内圈与轴 松 紧js6 j6 k6 m6 n6 基孔制 松 紧G7 H7 J7 轴承外圈与轴承座孔 基轴制 滚动轴承是标准组件 在装配图中进行尺寸标注时不需要标注滚动轴承的公差符号 而只需要标注与之配合的轴和孔的公差符号 如图所示 轴承配合的选择应考虑载荷的大小 方向和性质 工作温度 旋转精度 套圈是否沿配合面游动以及装拆方便等因素 5 与空心轴配合的轴承应取较紧的密合 滚动轴承配合的选择原则 1 转动圈比不动圈配合松一些 2 高速 重载 有冲击 振动时 配合应紧一些 载荷平稳时 配合应松一些 3 旋转精度要求高时 配合应紧一些 4 常拆卸的轴承或游动套圈应取较松的配合 7 5 5滚动轴承的预紧 目的 提高轴承的刚度和旋转精度 减小机器工作时轴的振动 例如机床的主轴轴承 常用预紧来提高其旋转精度与轴向刚度 所谓预紧 就是在安装时给予一定的轴向预紧力 以消除轴承中的游隙 并在滚动体和内 外圈接触处产生弹性预变形 预紧后的轴承受到工作载荷时 其内 外圈的径向及轴向相对移动量要比未预紧的轴承大大地减少 常用预紧方法 1 用垫片和长短隔套预紧 2 夹紧一对磨窄了的外圈 或内圈 的角接触轴承 3 夹紧一对圆锥滚子轴承 7 5 6滚动轴承的润滑 润滑的目的 为了降低摩擦阻力和减轻磨损 同时也有冷却 吸振等作用 润滑介质 1 脂润滑用于转速较低 温度不高的场合2 油润滑用于转速较高的场合 润滑效果好 油浴或飞溅润滑 滴油润滑 喷油润滑 油雾润滑 7 5 7滚动轴承的密封 密封的目的 为了防止润滑剂流失和防止灰尘 杂质等侵入轴承内部 密封的方式 按原理分有接触式和非接触式两大类 毡圈密封 1 接触式密封 橡胶密封 2 非接触式密封 油沟密封 甩油密封 挡油环密封 迷宫密封 组合式密封 把毛毡和迷宫组合在一起密封 可充分发挥各自优点 提高密封效果 多用于密封要求较高的场合 要求 1 压力应直接加于配合较紧的套圈上 2 不允许通过滚动体传递装拆力 3 要均匀施加装拆力 7 5 8滚动轴承的安装与拆卸 安装 拆卸 轴肩高度应该低于轴承内圈高度