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机械设计哈工大第十一章 滚动轴承


第十一章 滚动轴承
11.1 滚动轴承的构造和特点

1、滚动轴承的组成
外圈1、内圈2、滚动体3、保持架4

3

4

2

1

滚动体的种类有

2、材料、热处理及用途

套圈及滚动体采用含

铬的专用的滚动轴承钢(如GCr15、 GCr15SiMn等),并达到很高的硬度和精度。 保持架一般用低碳钢板冲压制成,高速轴承多采用青铜、 塑料等减磨材料制造。
3、特点(与滑动轴承相比)

1) 摩擦系数小,f=0.001~0.004 2) 启动灵活; 3) 润滑容易 4) 标准化、互换 5) 但抗冲击载荷能力差,很难做成剖分式 ?滚动轴承中的承载形式为点或线接触,最大接触应力 可以高达4000MPa;

各类轴承及滚动体

11.2 滚动轴承的类型和选择
12.2.1 滚动轴承的类型
球轴承(点接触、摩擦小、承载能力和抗冲击能力弱) 按滚动体的形状分 滚子轴承(线接触、承载和抗冲击能力强,但摩擦损耗大)
轴承公称接触角: 滚动体与外圈轨道接触点的法线和轴承半 径方向的夹角
? ? 0? ? ? 0?

? ? 90?

?

?

?

单列

按滚动体列数分:

双列 多列

按受力方向或公 称接触角可分为:

径向接触轴承(? ? 0? ) 1.向心轴承 (径向受载) 向心角接触轴承(0? ? ? ? 45? ) 轴向接触轴承(? ? 90? ) 2.推力轴承 (轴向受载) 推力角接触轴承(45? ? ? ? 90? )

国家标准GB/T272-1993中,滚动轴承是按载荷方向及结构不同 进行分类的。

12.2.2 滚动轴承类型的选择
选择滚动轴承类型时可参考以下几点: (1)当载荷加大后有冲击载荷时,宜用滚子轴承; 当载荷较小时,宜用球轴承。

(2)当只受径向载荷时,或虽同时受径向和轴向载 荷,但以径向载荷为主时,应用向心轴承。 当只受轴向载荷时,一般应用推力轴承,而当 转速很高时,可用角接触球轴承或深沟球轴承。 当径向和轴向载荷都较大时,应采用角接触轴 承或圆锥滚子轴承。

(3)当转速较高时,宜用球轴承;当转速较低时, 可用滚子轴承,也可用球轴承。
(4)当要求支承具有较大刚度时,应用滚子轴承。 (5)当轴的挠曲变形大或轴承座孔直径不同、跨度 大而对支承有调心要求时,应选用调心轴承。 (6)为便于轴承的装拆,可选用内、外圈分离的轴 承。

(7)从经济角度看,球轴承比滚子轴承便宜,精度 低的轴承比精度高的轴承便宜,普通结构轴承比特 殊结构的轴承便宜。

11.3 滚动轴承代号
前置代号 成 套 轴 承 分 部 件 尺 类 型 代 号 寸 系 列 代 号 内 径 代 号 内 部 结 构 代 号

下表表示滚动轴承代号的构成 基本代号 后置代号
密封 防尘 与外 圈形 状变 化代 号 保持 架结 构及 材料 变化 代号 轴 承 材 料 变 化 代 号 公 游 差 隙 等 组 级 代 代 号 号 配 置 代 号 其 它

1.类型代号: (见表11.1)
2.尺寸系列代号:承载能力发生变化
宽度系列与直径系列

3.内径代号:内径大小
轴承内径 d/(mm) 10~17 10 12 15 17 内径代号 00 01 02 03 示例 深沟球轴承 6201 内径 d=12mm

20~495 用内径除以 5 得的商数表示。 (22、 32 除外) 28、 当商数只有个位数时,需在十 位数处用 0 占位

深沟球轴承 6210 内径 d=50mm

深沟球轴承 62/500,内径 d=500mm 以及 22、28、32 尺寸系列代号与内径代号之 62/22,内径 d=22mm

? 500

用内径毫米数直接表示,并在

间用“/”号隔开

4.内部结构代号
代号 C AC B 角接触球轴承 角接触球轴承 角接触球轴承 示例 公称接触角? ? 15 7210C
?

对应旧标准 36210 46210 66210 --32207 E

公称接触角? ? 25

?

7210AC 7210B 32310B

公称接触角? ? 40

?

圆锥滚子轴承 接触角加大 E

加强型,改进结构设计,增大承载能力 NU207E

5.公差等级代号
精度低 对应旧标准 /P0 G /P6 E /P5 D 精度高 /P4 C /P2 B 示例 6206/P5 D206

6.配置代号
代号 含义 /DB 背对背安装方式 /DF 面对面安装方式 /DT 串联安装方式

示例

旧标 准

236210

336210

436210

7.轴承代号的编制规则
(1)轴承代号按表11-2所列的顺序从左至右 排列。 (2)当轴承类型代号用字母表示时,字母与其 后的数字之间应空一个字符。

(3)基本代号与后置代号之间应空一个字符, 但当后置代号中有“-”号或“/”号时,不再留 空。 (4)在尺寸系列代号中,位于括号中的数字省略 不写。
(5)公差等级代号中的/P0省略不写。

例11.1: 7210 C/P5/DF

7 2 10

C /P5 /DF
面对面配置 轴承精度等级为P5级 ? 公称接触角? ? 15 空一个字符 轴承内径 d ? 5 ?10 ? 50mm

尺寸类型代号,其中

宽度类型代号为0,窄系列,省略不写, 直径系列代号为2,轻系列 轴承类型为角接触球轴承

练习

32210/P3/DB

背对背安装 3级精度 直径50mm 宽、轻系列 圆锥滚子轴承

11.4 滚动轴承的失效形式和计算准则
11.4.1 滚动轴承的失效形式
各接触点受力:受交变载荷

1.疲劳点蚀:滚动轴承最常见的失效形式。

内环上的疲劳点蚀

钢球疲劳点蚀

陶瓷球疲劳点蚀

2.塑性变形:受较大静载或冲击载荷
3.磨粒磨损:杂质进入 4.胶合:高速、重载、摩擦面发热而温度急剧升 高,导致轴承元件的回火

轴承胶合

11.4.2 滚动轴承的计算准则
寿命计算:对于转动的滚动轴承,疲劳点蚀是 其主要失效形式,因而主要是进行寿命计算, 必要时再作静强度校核。 静强度计算:对于不转动、低速或摆动的轴承, 局部塑性变形是其主要失效形式,因而主要是 进行静强度计算。 校核极限转速:对于高速轴承,发热以至胶合 是其主要失效形式,因而除进行寿命计算外还 应该校核极限转速。 对于其他失效形式可通过正确的润滑和密封、 正确的操作与维护来解决。

11.5 滚动轴承的寿命计算
11.5.1 基本公式
基本额定寿命L : 一批相同轴承,在相同条件下运转, 90%轴 承在疲劳点蚀前转过的 转数,单位为106 r。 基本额定动负荷:轴承工作温度在 100? C 以下,基本额定寿命 L ? 1 ? 106 r 时,轴承所能承受的最大载荷, 用C表示(代表轴承的承载能力,可手册查得)。 基本额定动负荷 对于向心轴承为径向载荷 的方向: 对于推力轴承为中心轴向载荷 对于角接触向心轴承为载荷的径向分量

载荷P1
95 90 80 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10
5

载荷P2
95 90 80 95 90 80 70 60 50 40 30 20 10
5

失 效 概率,%

70 60 50 40 30 20 10 5

失 效 概率,%

70 60 50 40 30 20 10 5

10

10 10 循环 次数,次

6

7

10

8

5

10

载荷P1>载荷P2

10 10 循环 次数,次

6

7

10

8

5

疲劳寿命威布尔分布

由实验得到的曲线

对疲劳寿命的研究发现,韦布尔(Weibull)分 布比正态分布更接近于疲劳破坏规律。大量 的试验结果表明,滚动轴承的寿命符合两参 数韦布尔分布。

疲劳曲线

滚动轴承的载荷与寿命之间的关系:

P? L ? 常数

? ? ?寿命指数 : 对于球轴承, ? ? 3; 对于滚子轴承, ? ? 10 / 3。
C ? ? 1 ? 常数

C? ? 1 ? P? ? L
在当量动载荷P作用下的基本额定寿命为 ? C? ? L ? ? ? ?106 r ? ?P? 常用小时数表示基本额定寿命Lh ? 106 ? C ? Lh ? ? ? h 60n ? P ? 引入温度系数fT和载荷系数fP
10 ? f T C ? Lh ? ? ? h 60n ? f P P ?
6

?

11.5.2 当量动载荷
把实际载荷折算为与基本额定动负荷的方向相 同的一假想载荷,在该假想载荷作用下轴承的寿命 与实际载荷作用下的寿命相同,则称该假想载荷为 当量动载荷,用P表示(目的:同时有径、轴向载荷的轴承, 在寿命计算时为了和基本额定动载荷比较)。

当量动载荷P的计算式:

P ? XFr ? YFa
Fr、Fa ? ?轴承的径向载荷和轴向载荷

X、Y ? ?径向系数和轴向系数

11.5.3 角接触轴承的内部轴向力

表11.13 角接触轴承的内部轴向力S(注:Y为Fa/Fr>e时的值)
角接触球轴承 轴承类型 7000C型(α=150) S 0.4Fr 7000AC型(α=250) 0.7Fr 7000B型(α=400) Fr Fr/2Y 圆锥滚子轴承

取轴承内圈和轴为分离体 由力的平衡条件得

W ? S2 ? S1 ? A
作用在轴承Ⅱ上的轴向载 荷为

Fa 2 ? W ? S2 ? A ? S1
作用在轴承?上的轴向载荷 只有自身的内部轴向力,即

Fa1 ? S1

11.6 滚动轴承的静强度计算
基本额定静负荷C0:轴承标准规定,滚动轴承中受载最大的滚 动体与滚道的接触中心处引起的接触应力达到一定值(如滚动 轴承为4000MPa)时的载荷。它是限制塑性变形的极限载荷值。 滚动轴承的静强度校核公式: C0 ? S0 P0
S0 ? ?静强度安全系数 ,由表11.14查取 P0 ? ?当量静载荷, N

当量静载荷P0:是一个假想载荷,在当量静载荷作用下,轴承 的受载最大滚动体与滚道接触处的塑性变形总量与实际载荷 作用下的塑性变形总量相同。 其作用方向与基本额定静负荷C0相同。

对于向心轴承、角接触轴承,当量静载荷取下面两式中 计算出的较大值

P0 ? X 0 Fr ? Y0 Fa
P0 ? F r
X 0、Y0 ? ?分别为静径向系数和静轴向系数

11.7 滚动轴承的极限转速
滚动轴承转速过高会因摩擦发热而使温度急骤升高,导致滚动轴承元件退 火或胶合而失效,所以当转速较高时,还应校核该动轴承极限转速,轴承 的工作转速应小于其极限转速。

极限转速 nlim :轴承在一定载荷和润滑条件下所允许的最高转速。 载荷系数 f1 :当轴承的当量动负荷P超过0.1C时,需将手册 中的极限转速乘以小于1的系数。 载荷分布系数 f 2 :当向心轴承受轴向载荷时,需将手册中 查得的极限转速乘以小于1的系数。 极限转速为:
' nlim ? f1 f 2nlim

11.8 滚动轴承部件结构设计
轴承部件:在机器中,传动件、轴、滚动轴承、机体、润滑及 密封等组成为一个相互联系的有机整体。 在进行轴承部件结构设计时,主要应考虑以下几个问题。

11.8.1 轴承部件的轴向固定
轴向固定: 轴向力的承受方式

1.两端固定支承
支点跨距l< 300~500

分析轴向力如何承受, 即力如何传到支承上
游隙C=0.25~0.35

2.一端固定、一端游动支承

间隙:2~3mm

固定端如何固定 游动端如何游动

3.两端游动支承

由于人字齿轮存在误差 齿向载荷不均 小齿轮轴做成两端游动

4. 支承刚度

跨距大,受力情况不好 轴的刚度小

跨距小,受力情况好 轴的刚度大

11.8.2 轴承部件的调整
1.轴承间隙的调整
(a)加减垫片

(b)调整螺钉

2.轴上传动件位置的调整
垫片1调整锥齿轮位置 垫片2调整轴承间隙

蜗轮位置调整

轴向位置用垫 片调整 径向位置由中 心距保证

11.8.3 滚动轴承的配合
配合标注:因是标准件

内圈与轴基孔制:可只标注轴
外圈与孔基轴制:可只标注孔
配合种类:

紧配合:转速高、载荷大、温度高、有振动、内圈与轴一起转动

松配合:经常拆卸、外圈静止、半圈受载

11.8.4 轴承的装拆
1.热油加热轴承增大内孔直径(≤80~900C以免回火) 2.利用拆装工具:

压力机注意:内、外环用不同工具

注意:h≥1/4外环厚度

11.8.5 滚动轴承的润滑和密封
1.滚动轴承的润滑
润滑的目的:减少摩擦磨损、吸收振动、降低温度 润滑方式可根据速度因数dn值来选择:

当dn< (1.5~2)╳ 105 mm r/min时: 采用脂润滑:可承受较大载荷, 便于密封及维护, 不宜填充过多

油润滑:喷油或浸油、浸油高度不超过滚动体中心 dn> (1.5~2)╳ 105 mm r/min

浸油润滑

2.滚动轴承的密封
密封类型 图例 适用场合 脂润滑。要求环 境清洁,轴颈圆 周速度 v 不大于 4m/s~5m/s,工作 温度不超过 90? C 说明 矩形断面的毛毡 圈安装在梯形槽 内,毛毡受到压 力而紧贴在轴 上,从而起到密 封作用 唇型密封圈用皮 革、塑料或耐油 橡胶制成,有的 具有金属骨架, 有的没有骨架, 是标准件 单向密封

接触式密封

脂或油润滑。轴 颈圆周速度 v<7m/s,工作温度 范围-40? C~100? C

密封类型 `

图例

非接触式密封

适用场合 说明 脂润滑。 干燥 靠轴与盖间的细小环节间 清洁环境 隙密封,间隙愈小愈长,效果 愈好,间隙 δ 取 0.1mm~0.3mm 脂润滑或油 将旋转件与静止件之间的 润滑。 工作温 间隙作成迷宫 (曲路) 形式, 度不高于密 在间隙中充填润滑油或润 封用脂的滴 滑脂以加强密封效果。 迷宫 点。 这种密封 或密封分径向、轴向两种: 效果可靠 图(a)径向曲路,径向间 隙 δ 不大于 0.1mm~0.2mm; 图(b)轴向曲路,考虑轴的伸 长,间隙可取大些

11.9 减速器输出轴部件设计
一级圆柱齿轮减速器由输入轴部件、输出轴部件和机体组成

输出轴部件设计过程主要包括:
(1)初定尺寸

(2)画结构草图
(3)校核计算 (4)完成部件图设计 (5)完成零件图设计

进而,轴的支点及力作用点间的跨距也随之确定下来。7209C 轴承力作用点距外环原边18.2mm,取该点为支点。取联轴器 中间为力作用点,则可得跨距L1=104.2mm,L2=51.8mm, L3=51.8mm。

(8)键联接。联轴器及齿轮与轴的周向联接均采用A型普通平键 联接,分别为键10×56GBl096-1990及键14×56GB10961990。 完成的结构设计草图如图11.22所示。 必须指出: ①在校核计算之前所进行的结构设计是草图,只需画出校核计 算所必需的结构尺寸即可,而其余结构须待校核合格之后 再完成。 ② 在画结构草图时,要特别注意决定齿轮、机体、轴承、联 轴器的相互位置关系的5条端面位置线,即齿轮端面、机体 内壁、轴承内端面、轴承座外端面及联轴器轮毂端面。这5 条线是画相应零件的基准位置,因此,在作图中应该认真 核查,以防有误。

4.轴的受力分析

5.校核轴的强度 6.校核键联接的强度 7.校核轴承寿命

滚动轴承的应用

超低温液氢泵用混合式陶瓷轴承

滚动轴承的应用

1883年德国的Fischer先生发明了磨 制钢球的球磨机并创建FAG公司以 来,伴随着滚动轴承工业的诞生和 发展,FAG的产品在几乎所有可能 的领域内得到了充分的认证并一直 扮演着十分重要的角色,

滚动轴承的应用

瑞典SKF公司 新一代SKF球面滚子轴承--Explorer" 探索者"系列的性能,远远超过ISO国 际标准的计算方法,而ISO亦无法恰 当地预测其预期寿命…… --轴承如此经久耐用,它将改变 工业设备的维修计划 --轴承如此先进卓越,它将为设 计工程师,开拓一个充满崭新选择的 世界,从而创造新一代的工业机械设 备。

滚动轴承的应用

這類軸承適用於內燃機和壓縮機。由于其特殊的設計,可以應用 於此種高轉 速、高溫、不利于潤滑且又具有特殊載荷和運動狀態的支 承。其中,KZK曲 柄銷支承用的滾針和保持架組件,採用M型保持架, 可因應客戶特殊要求, 在保持架表面進行鍍銀、鍍銅處理。

滚动轴承的应用

推力軸承由滾動體、推力保持架及推力墊圈組成。滾動體 可以是滾針或圓柱 滾子。滾針或圓柱滾子受到推力保持架 的保持和引導,並和不同的推力墊圈 、軸圈、座圈一起工 作。

滚动轴承的应用

這種軸承由薄壁沖壓外圈、保持架和整組的滾針組成,其 剖面高度極小,可節 約空間,尤其適用於殼體孔不宜作為 滾道的場所。與穿孔型軸承相比,封口型 軸承的一端為密 閉式,可保護軸承免於雜物侵入和防止潤滑泄漏。

滚动轴承的应用

铁路车辆的行车速度不断提高,就要求配套的轴承也要达 到行车安全的技术指标,图中为铁路机车轮对准高速轴承 NV2232WB/YB2,速度为160-180km/h,寿命100万公里。

滚动轴承的应用

图中为6317绝缘轴承,用于防静电的技术领域。


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