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1、机械设计,第十四章,滚 动 轴 承,第一节 概述 第二节 滚动轴承的类型和代号 第三节 滚动轴承的类型选择 第四节 滚动轴承的工作情况分析、失效形式与计算准则 第五节 滚动轴承的寿命计算 第六节 滚动轴承的静强度计算 第七节 滚动轴承的极限转速 第八节 滚动轴承的组合设计,返回章目录,第一节 概述,滚动轴承是利用滚动摩擦原理设计而成的支承零件，在各种机器中被广泛使用。,各种滚动轴承产品,起动及运转时摩擦力矩小，起动灵活，效率高 润滑简便，易于维护 旋转精度高 可应用的范围广泛（F、n、精度等） 标准化、使用成本低 抗冲击能力较差，噪声大 径向尺寸大，轴承无法剖分，安装受限,一、滚动轴承的特点（
2、与滑动轴承相比）,二、滚动轴承的组成,滚动体,保持架,内圈,滚动体的种类：,总成,外圈,三、滚动轴承的材料,滚动轴承内、外圈与滚动体均采用硬度高、抗疲劳性强、耐磨性好的高碳铬轴承钢制造，如GCr15、GCr15SiMn等，热处理后硬度应达到6065HRC。保持架多用低碳钢板冲压形成，也可用有色金属（如黄铜）、塑料等材料。,滚动轴承是标准件，由专业化工厂大量生产供应市场，类型和尺寸系列很多。设计时，一般只需根据具体的工作条件，正确选择轴承的类型、尺寸和公差等级，并合理地进行轴承组合结构设计。,第二节 滚动轴承的类型和代号,一、滚动轴承的主要类型 按滚动体的种类分 球轴承 滚子轴承 按能承受的载荷
3、方向或公称接触角分,指轴承的径向平面（垂直于轴线）与滚动体和滚道接触点的公法线之间的夹角,径向接触轴承 （0） 角接触向心轴承 （0 45）,向心轴承 （主要承受径向载荷）,推力轴承 （主要承受轴向载荷）,角接触推力轴承 （45 90） 轴向接触轴承 （90）,按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角、滚动体的种类综合分类，常用的滚动轴承的类型和特点,深沟球轴承,圆柱滚子轴承,角接触球轴承,圆锥滚子轴承,主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷。此类轴承摩擦系数小，极限转速高。 结构简单、使用方便，是生产批量大、制造成本低、使用极为普遍的一类轴承,只能承受径向载荷，且径向承载能力大。内、外圈可
4、分离，装拆比较方便，极限转速较高。,可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷，其轴向载荷能力由接触角决定，并随接触角增大而增大，极限转速较高。通常成对使用。,主要承受以径向载荷为主的径向与轴向联合载荷。轴承内、外圈可分离，装拆方便，成对使用。,调心球轴承,推力球轴承,主要承受径向载荷，能承受少量的轴向载荷，不宜承受纯轴向载荷，极限转速高。外圈滚道为内球面形，具有自动调心的性能，可以补偿轴的两支点不同心产生的角度偏差,主要用于承受径向载荷，同时也能承受一定的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别适用于重载或振动载荷下工作，但不能承受纯轴向载荷。调心性能良好，能补偿同轴度误差,只能承受径向
5、载荷，且径向承载能力大。与其它类型的轴承相比，在内径相同的条件下，其外径尺寸最小。内、外圈可分离，极限转速低,分离型轴承，只能承受轴向载荷。高速时离心力大，滚动体与保持架摩擦发热严重，寿命较低，故其极限转速很低 单向推力球轴承只能承受一个方向的轴向载荷。 双向推力球轴承能承受两个方向的轴向载荷。,调心滚子轴承,滚针轴承,二、滚动轴承的代号,用数字或字母表示 1调心球轴承 3圆锥滚子轴承 5推力球轴承 6深沟球轴承 7角接触球轴承 N圆柱滚子轴承,内径尺寸 代号 10 00 12 01 15 02 17 03 20500 d/5 22、28、32及500以上 /内径,后置代号 用于表示轴承的结构
6、、公差及材料的特殊要求，用字母或数字表示；如：接触角为15、25 和40 的角接触球轴承，分别用C、AC和B表示内部结构的不同。,又如：轴承的公差等级分别为2级、4级、5级、6x级、6级和0级，共6个级别，依次由高级到低级，其代号分别为：/P2、/P4、/P5、/P6x、/P6和/P0。,前置代号 前置代号用字母表示。代号及其含义可参阅GB/T2721993。,第三节 滚动轴承的类型选择,载荷性质、大小和方向,载荷大或冲击大选滚子轴承（线接触）；,轴向载荷不大时，可用深沟球轴承,载荷小或冲击小选球轴承（点接触） ；,方向:,纯径向载荷选深沟球轴承（6）、圆柱滚子轴承（N),纯轴向载荷选推力轴承
7、（5 或 8 ）,性质、大小:,联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承,安装与调整,轴刚性差、轴承座孔同轴度差或多点支承 选调心轴承（ “1” 类 或 “2” 类 ）；,轴承的转速,转速高选球轴承；,转速低选滚子轴承；,轴承的调心性,经济性,安装拆卸较频繁选用分离型结构的轴承，如圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承和推力轴承等,各种推力轴承的极限转速均低于向心轴承。,球轴承的价格低于滚子轴承，应优先选用球轴承,不同公差等级的轴承，价格相差悬殊，选用高精度轴承必须慎重,第四节 滚动轴承的工作情况分析、失效形式与计算准则,1. 载荷分析,一、滚动轴承的工作情况分析,向心轴承载荷的分布,当轴承承
8、受径向载荷Fr时，各滚动体所受的载荷不相等，位于上半圈的滚动体不受载，位于下半圈的滚动体受载，其大小取决于滚动体与套圈接触变形量的大小。,2轴承工作时轴承元件的应力分析,各元件中应力变化情况,轴承工作时，由于滚动体受变载荷，所以轴承内、外圈滚道与滚动体接触表面接触点受到的都是脉动循环变化的接触应力。,二、滚动轴承的失效形式与计算准则,滚动体表面、套圈滚道都可能发生点蚀。,疲劳点蚀 最主要的失效形式,防止点蚀破坏，是计算滚动轴承的主要目的。,接触应力过大，元件表面出现较大塑性变形。,塑性变形 低速轴承的主要失效形式,原因是载荷过大或冲击载荷作用。,磨损、胶合、保持架断裂等,使用维护不当而引起的，
9、属于非正常失效。,1失效形式,2计算准则,对一般转速（n 10 r/min）的轴承，疲劳点蚀是其主要的失效形式，轴承应进行寿命校核计算； 对静止或极慢转速（n10 r/min）的轴承，轴承的承载能力取决于所允许的塑性变形，应进行静强度计算； 对高速轴承，为防止由发热引起胶合，除进行寿命计算外，还应进行极限转速校核计算。 对于磨粒磨损失效，目前尚无统一、有效的计算方法。,第五节 滚动轴承的寿命计算,一、基本概念与寿命计算公式,1滚动轴承的基本额定寿命,滚动轴承的寿命 指轴承的一个套圈或滚动体材料出现第一个疲劳扩展迹象之前，一个套圈相对另一个套圈旋转的转数。 滚动轴承的可靠度 指一组在相同条件下运
10、转、近于相同的滚动轴承期望达到或超过规定寿命的百分率，对单个滚动轴承是指该轴承达到或超过规定寿命的概率。,滚动轴承的基本额定寿命 指单个滚动轴承或一组在相同条件下运转、近于相同的滚动轴承，其可靠度为90%时的寿命，用L10表示（单位为106 r）。,2滚动轴承的基本额定动载荷,滚动轴承的基本额定动载荷，就是使轴承的基本额定寿命恰好为106 r时，轴承所能承受的载荷值，用C表示。,3滚动轴承的当量动载荷,一假想载荷，与C 同类型，它对轴承的作用与实际载荷的作用等效，用 P 表示。,寿命指数，球轴承=3，滚子轴承 10/3,载荷P 与基本额定寿命 L10 的关系： P L10=C1 = Const
11、.,4滚动轴承的寿命计算公式,用小时数表示：,计入温度的影响和载荷的不同性质，引入温度系数fT 和 载荷系数fd 对基本额定寿命加以修正得下式（校核用）,若载荷P和转速n已知，并取轴承的预期使用寿命为L10h，则所选轴承应具有的基本额定动载荷C可由上 式得出（设计用）,表14-6中给出了某些机器上轴承的预期使用寿命L10h的推荐值。,5当量动载荷的计算公式,P = X Fr + Y Fa X径向载荷系数 Y轴向载荷系数 *X 、Y 的取值与轴承类型有关 * X 、Y 的取值还与判断系数 e 有关 e判断系数，对单列向心轴承， 当Fa /Fr e 时，X=1,Y= 0 当Fa /Fr e 时，X
12、1,Y 0 e由手册查取,（角接触球轴承70000类、圆锥滚子轴承30000类）,轴承的受载特点,二、角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向载荷的计算,支反力作用点不在轴承宽度中心 结构本身产生派生轴向力S,轴向力的计算 压紧放松判别法,使用中的安装形式（成对使用） 面对面（正装） 背对背（反装）,若S1+FAS2，则轴系有向右移动的趋势，轴承2是“压紧”轴承，轴承1是“放松”轴承。,若S1+FAS2，则轴系有向左移动的趋势，轴承1是“压紧”轴承，轴承2是“放松”轴承。,已知轴系所受外载荷,受力分析,确定派生轴向力,确定压紧和放松轴承,确定轴向力,步骤：,由力分析确定作用于轴承上的径向力,根据轴承类
13、型和径向力的大小确定,根据轴向外载荷FA和派生轴向力S1和S2 三者的关系确定,压紧轴承所受轴向载荷的大小等于除本身派生轴向力以外的其他所有轴向力的代数和；放松轴承的轴向载荷等于本身的派生轴向力,三、一个支点成对安装同型号角接触球轴承或圆锥滚子轴承的计算,对于将两个相同的单列角接触球轴承或圆锥滚子轴承以面对面或背对背形式安装于一个支点上（如上图中的右端支点）的轴承计算，可以近似地将其视为一个双列轴承，认为该支点的支反力Fr通过两轴承中点，派生轴向力相互抵消。,计算当量动载荷时的径向系数和轴向系数均采用双列轴承的数值，由表147或手册查出。该支点轴承总的径向基本额定动载荷Cr和径向基本额定静载荷
14、C0按下式计算：,四、不同可靠度的轴承寿命计算,在轴承材料、运转条件不变的情况下，不同可靠度的寿命计算公式为 LRh=a1L10h,式中，L10h为可靠度为90的轴承寿命，即基本额定寿命；a1为寿命修正系数，见表149；LRh为修正的额定寿命。 可靠度为100的寿命（即最小寿命），可近似取为LRmin=0.05 L10h。,第六节 滚动轴承的静强度计算,1基本额定静载荷,基本额定静载荷C0是指在最大载荷滚动体和滚道接触中心处产生与下列计算应力相当的静载荷。 4600MPa 调心球轴承； 4200MPa 所有其他类型的球轴承； 4000MPa 所有滚子轴承。,2当量静载荷,当量静载荷P0是指在最
15、大载荷滚动体与滚道接触中心处产生与实际载荷条件下相同接触应力的静载荷。径向当量静载荷P0r指径向静载荷，轴向当量静载荷P0a指中心轴向静载荷。,基本额定静载荷分为径向基本额定静载荷C0r和轴向基本额定动静载荷C0a。径向基本额定静载荷指相当的径向静载荷；轴向基本额定静载荷是指相当的中心轴向静载荷。,3静强度计算公式,4当量静载荷的计算公式,式中，C0为额定静载荷（N）； P0为当量静载荷（N）； S0为安全系数，查表14-10。,式中，X0、Y0分别为径向、轴向静载荷系数，查表14-11。,第七节 滚动轴承的极限转速,nlim 规定为一般润滑条件下，P0.1C 的普通级轴承的最高转速值。当 P
16、 0.1C 要乘降低系数，实际允许最高转速为 nmax f1f2 nlim,f1为载荷系数,f2为载荷分布系数,第八节 滚动轴承的组合设计,为了保证轴承正常工作，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还要进行合理的轴承组合设计。组合设计的内容是正确处理轴承的配置、紧固、调整、装拆、润滑和密封等问题。,一、轴系的轴向固定,轴系在工作中应始终保持正确的工作位置。受轴向载荷时，能将载荷传递到机座上，而不致使轴发生轴向窜动；由于工作温度变化，轴产生热变形时，应保证轴能自由伸缩，而避免轴承中摩擦力矩过大或将轴承卡死。,基本要求：,1、两端单向固定,两端各用一个深沟球轴承,两端各用一个圆锥滚子轴承,两个轴承各限制
17、轴一个方向的轴向移动。对轴热伸长的补偿作用有限，仅适用于支承跨距较小、温升不高的短轴。结构简单，安装调整方便，应用比较广泛。,特点：,2、一端双向固定，一端游动,固定端用深沟球轴承 游动端用深沟球轴承,游动端用圆柱滚子轴承,固定端用一对角接触球轴承,固定端用深沟球轴承与推力球轴承的组合,一个支点限制轴的双向轴向移动（固定端），一个支点不限制轴的移动（游动端）。适用于支承跨距较大、温升高，因而轴受热伸长量较大的场合，但结构较复杂。,特点：,3、两端游动,轴系的两个支点均不限制轴的移动。当轴系轴向位置通过其他途径得以固定时，应采用两端游动方式,特点：,外圈固定方法,二、滚动轴承的轴向固定,内圈固定
18、方法,三、轴承组合的调整,1、轴承游隙的调整,垫片调整,螺钉调整,圆螺母调整,2、轴系位置的调整,套杯与机座间的垫片用来调整锥齿轮轴的轴向位置,通过增加或减少两个大端盖（轴承座）和箱体之间垫片垫片的厚度，对蜗轮轴系的轴向位置进行调整,四、提高轴系刚度的措施,1、提高支承部分的刚度和同心度,轴或轴承座的变形都会使轴承内滚动体受力不均匀及运动受阻，影响轴承的旋转精度和降低轴承的寿命。因此，安装轴承的外壳或轴承座应有足够的刚度。,如孔壁要有适当的厚度，壁板上轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用加强筋来提高轴承座的刚度。,支承同一根轴上两个轴承的轴承座孔，其孔径应尽可能相同，以便加工时一次将其镗出，保证两
19、孔的同轴度。如果一根轴上装有不同尺寸的轴承，可用组合镗刀一次镗出两个尺寸不同的座孔，用钢制套杯结构（如图）来安装外径较小的轴承。当两个座孔分别位于不同机壳时，应将两个机壳先进行结合面加工再连接成一个整体，然后镗孔。,2、合理安排轴承的排列方式,在同一支点上成对采用同型号的角接触向心轴承时，轴承的排列方式不同，支承的刚度也不同。,当其背对背安装时，两轴承载荷作用中心间的距离B2较大，支承刚度较大。这种方案常见于机床主轴的前支承中。一般机器多采用面对面安装，因为这样安装和调整都比较方便。,对于成对使用但处于不同支点的角接触向心轴承，其安装方式对轴系的支承刚度也有较大影响。,3、轴承的预紧,对某些可
20、调游隙式轴承，在安装时给以一定的轴向压紧力（预紧力），使内外圈产生相对位移而消除游隙，并在套圈与滚动体接触处产生弹性预变形，借此提高轴的旋转精度和刚度，这种方法称为轴承的预紧。,预紧的原理和方法,角接触球轴承的刚度曲线与预紧 （a）单个轴承；（b）轴承组,常用的预紧方法,在两轴承的内圈或外圈之间放置垫片（图a）或者磨窄一对轴承的内圈或外圈（图b）,预紧力的大小由垫片的厚度或轴承内、外圈的磨削量来控制。,（a） （b）,在一对轴承的内、外圈之间装入长度不等的套筒,预紧力的大小取决于两套筒的长度差。,弹簧预紧,预紧力稳定。,五、滚动轴承的配合,内圈与轴为基孔制，外圈与座孔为基轴制。,转速越高、载荷
21、越大或工作温度越高的场合应选用较紧的配合； 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； 旋转精度要求高时应采用较紧的配合；游动套圈应取较松的配合。,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。,润滑的主要目的是减少摩擦与磨损。当滚动接触部位形成油膜时，还有吸收振动、降低工作温度和噪声等作用。滚动轴承的润滑方式及润滑剂选择可参见第二十章第三节的有关内容。 密封的目的是防止灰尘、水分等进入轴承，并阻止润滑剂的流失。滚动轴承密封装置的型式很多，使用时应根据轴承结构特点、润滑剂的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度等选择。详细内容可参见第二十一章。,六、滚动轴承的润滑与密封,七、滚动轴承的装拆,错误的施力,正确的施力,装内圈于轴上,同时施力于内外圈,从轴上拆轴承,各类工具,从轴上拆轴承,本章结束,面对面安装,背对背安装,