機械設(shè)計第十三章PPT學習教案

1、會計學1機械設(shè)計第十三章機械設(shè)計第十三章常用滾動體：球、圓柱滾子、圓錐滾子、球面滾子、 非對稱球面滾子、滾針第1頁/共115頁保持架作用：均勻地隔開滾動體，防止?jié)L動體接觸磨損保持架類型：低碳鋼板+沖壓 銅合金、鋁合金或塑料+切削內(nèi)、外圈和滾動體材料：高碳鉻軸承鋼(如GCr15)或滲碳軸 承鋼(如G20Cr2Ni4A) 硬度：不低于60 HRC+工作溫度 120，硬度不下降無內(nèi)圈或外圈情況：軸頸或軸承座作為內(nèi)圈或外圈，工作 表面應(yīng)具備相應(yīng)的硬度和粗糙度第2頁/共115頁一、滾動軸承的分類接觸角：滾動體與外圈滾道接觸點法線與半徑方向夾角 載荷角：徑向載荷Fr與軸向載荷Fa合力與半徑方向夾角13-2

2、滾動軸承的主要類型及其代號滾動軸承的主要類型及其代號向心軸承推力軸承向心推力軸承第3頁/共115頁常用滾動軸承的類型、主要性能和特點深溝球軸承 主要承受徑向載荷，也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速且有輕量化要求的場合，可用來承受單向或雙向的軸向載荷。工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量816，大量生產(chǎn)，價格最低。第4頁/共115頁圓柱滾子軸承 有較大的徑向承載能力。外圈(或內(nèi)圈)可以分離，故不能承受軸向載荷，滾子由內(nèi)圈(或外圈)的擋邊軸向定位，工作時允許內(nèi)、外圈有少量的軸向錯動。內(nèi)外圈軸線的允許偏斜量很小(24)。此類軸承還可以不帶外圈或內(nèi)圈。第5頁/共115頁推力球軸承 工作時必須

3、加有一定的軸向載荷。軸線必須與軸承座底面垂直，載荷必須與軸線重合，以保證鋼球載荷的均勻分配。第6頁/共115頁角接觸球軸承 可同時承受徑向載荷及軸向載荷，也可以單獨承受軸向載荷。能在較高轉(zhuǎn)速下正常工作由于一個軸承只能承受單向的軸向力，一般成對使用。承受軸向載荷的能力與接觸角有關(guān)。接觸角大的，承受軸向載荷的能力也高。第7頁/共115頁圓錐滾子軸承 可以同時承受徑向載荷及軸向載荷(30000型以徑向載荷為主，30000B型以軸向載荷為主)。外圈可分離，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。一般成對使用。第8頁/共115頁調(diào)心球軸承 外圈滾道表面是以軸承中點為中心的球面，能自動調(diào)心，允許內(nèi)圈(軸)相對外圈(外殼)

4、軸線偏斜量23，一般不宜承受純軸向載荷。第9頁/共115頁前置代號 基本代號 后置代號 軸承的分部件代號內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號密封與防塵結(jié)構(gòu)代號保持架及其材料代號特殊軸承材料代號公差等級代號游隙代號多軸承配置代號其它代號五四三二一類型代號尺寸系列代號內(nèi)徑代號寬度系列代號直徑系列代號(二)滾動軸承的主要類型和代號 在常用的各類滾動軸承中，每一種類型又可做成幾種不同的結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等級，以便適應(yīng)不同的技術(shù)要求。為了統(tǒng)一表征各類軸承的特點，便于組織生產(chǎn)和選用，GB/T 272-1993規(guī)定了軸承代號的表示方法。第10頁/共115頁1.基本代號 1)軸承的內(nèi)徑代號 位置：基本代號右起第一、二位數(shù)字 常用：內(nèi)徑

5、d =20480 mm的軸承，內(nèi)徑一般為5的倍數(shù)，這兩位數(shù)字表示軸承內(nèi)徑尺寸被5除得的商數(shù)，如04表示d=20mm，12表示d=60mm等。 特例1：對于內(nèi)徑為10、12、15和17的軸承，內(nèi)徑代號依次為00、01、02和03。 特例2：對于d500 mm的特大型軸承和d實體保持架沖壓保持架 (4)推力軸承極限轉(zhuǎn)速很低，工作轉(zhuǎn)速高時，若軸向載荷不大，采用角接觸球軸承 (5)若工作轉(zhuǎn)速超過了軸承樣本，可以提高公差等級、適當增大游隙、循環(huán)冷卻第19頁/共115頁3. 軸承的調(diào)心行性能 軸承由于安裝誤差或軸的變形等都會引起內(nèi)外圈中心線發(fā)生相對傾斜。傾斜角稱為角偏差。 滾針軸承對軸線傾斜最敏感，應(yīng)緊可

6、能避免在軸線有傾斜的情況下使用。 可采用調(diào)心軸承第20頁/共115頁(四)軸承的安裝和拆卸 軸承座沒有剖分面、沿軸向安裝拆卸內(nèi)外圈可分離軸承 當軸承在長軸上安裝時，為了便于裝拆，可以選用內(nèi)圈孔為1:12的圓錐孔的軸承，用以安裝在緊定襯套上。第21頁/共115頁13-4滾動軸承的工作情況滾動軸承的工作情況(一)軸承工作時軸承元件上的載荷分布徑向載荷Fr通過軸頸作用于內(nèi)圈上半圈的滾動體不承載下半圈的滾動體承載Fr作用線上的接觸點接觸載荷最大兩側(cè)載荷逐漸變小第22頁/共115頁(二)軸承工作時軸承元件上的載荷及應(yīng)力的變化 當滾動體進入承載區(qū)后，載荷由0逐漸增加到FN2、FN1、直到最大值FN0，然后

7、再逐漸降低到FN1、FN2而至0。第23頁/共115頁 固定套圈，對于每一個位置的點，每當一個滾動體滾過時，便承受一次載荷，大小是不變的，也就是承受穩(wěn)定的脈動循環(huán)載荷的作用轉(zhuǎn)動套圈上各點的受載情況，類似于滾動體的受載情況。第24頁/共115頁(三)軸向載荷對載荷分布的影響 以圓錐滾子軸承為例，假設(shè)承受徑向載荷Fr 滾動體反力分解為徑向分力FNi和軸向分力Fdi 徑向分力FNi的矢量和=徑向載荷Fr 軸向分力Fdi的代數(shù)和派生軸向力Fd=軸向力Fa第25頁/共115頁 當只有最下面一個滾動體受載時tanadrFFF接觸角 當受載的滾動體數(shù)目增多時，雖然在同樣的徑向載荷Fr的作用下，但派生的軸向力

8、Fd將增大，即 11tantannnddiNiriiFFFF 上式表明n個FNi的代數(shù)和大于向量和徑向力為Fr時，軸向力為Frtan，一個滾動體受載徑向力為Fr時，軸向力大于Frtan，多個滾動體受載第26頁/共115頁軸向力Fa=Frtan時單個滾動體受載軸向力Fa受載滾動體數(shù)目Fa1.25Frtan約半數(shù)的滾動體同時受載Fa1.7Frtan全部的滾動體同時受載 為了可靠工作，應(yīng)使軸承至少達到下半圈的滾動體全部受載。在安裝這類軸承時，不能有較大的軸向竄動量。第27頁/共115頁13-5滾動軸承尺寸的選擇滾動軸承尺寸的選擇(一)滾動軸承的失效形式及基本額定壽命疲勞點蝕最基本和常見的失效形式壽命

9、計算依據(jù)膠合斷裂 常見的失效形式：磨損點蝕滾動軸承的壽命：軸承的滾動體或套圈首次出現(xiàn)點蝕之 前，軸承的轉(zhuǎn)數(shù)。點蝕的后果：出現(xiàn)較強烈的振動、噪聲和發(fā)熱第28頁/共115頁生產(chǎn)批次、尺寸、材料、工作條件完全相同 制造精度、材料的均質(zhì)程度差異壽命差異很大第29頁/共115頁以同一批試驗軸承中的最長壽命作為標準過于不安全以同一批試驗軸承中的最短壽命作為標準過于保守基本額定壽命：一組在相同條件下運轉(zhuǎn)的近于相同的軸 承，將可靠度為90%時的壽命，記為L105年17年第30頁/共115頁其他形式的失效：潤滑油不足使軸承燒傷 潤滑油不清潔而使?jié)L動體和滾道磨損 裝配不當而使軸承卡死 脹破內(nèi)圈 擠碎內(nèi)外圈和保持架

10、失效計算：目前尚不能根據(jù)這些失效形式來建立軸承的計 算理論和公式解決辦法： 一般的軸承裝配質(zhì)量控制和完善使用條件 重要用途軸承線監(jiān)測及故障診斷發(fā)現(xiàn)故障并更換第31頁/共115頁(二)滾動軸承的基本額定動載荷 工作載荷接觸應(yīng)力在發(fā)生點蝕破壞前所能經(jīng)受的應(yīng)力變化次數(shù)軸承的壽命 基本額定動載荷：軸承的基本額定壽命恰好為l06(轉(zhuǎn))時 承受的載荷，用字母C代表。 基本額定動載荷承載特性 基本額定動載荷的獲得：大量的試驗+理論分析第32頁/共115頁(三)滾動軸承壽命的計算公式610(10)CLrP1033P其中：（球軸承）；（滾子軸承）； 為軸承所承受的當量動載荷；第33頁/共115頁 實際計算時用小

11、時數(shù)表示壽命比較方便，將上式改寫61060( )hCLhnP66010hnLCP 如果載荷P和轉(zhuǎn)速n為已知，預期計算壽命Lh又已取定，則所需軸承應(yīng)具有的基本額定動載荷C可計算得出 高于120溫度下工作的軸承需乘以溫度系數(shù)ft，即ttCf C第34頁/共115頁10tf CLP66010htnLPCf 考慮溫度系數(shù)后的計算公式61060thf CLnP第35頁/共115頁(四)滾動軸承的當量動載荷基本額定動載荷測定時的假設(shè)： 向心軸承僅承受徑向載荷 推力軸承僅承受軸向載荷軸承壽命計算時的轉(zhuǎn)換 當量動載荷=折算公式（徑向力，軸向力）()draPfXFYF X、Y為徑向動載荷系數(shù)與軸向動載荷系數(shù)，見

12、表13-5 f d為載荷系數(shù)，見表13-6第36頁/共115頁第37頁/共115頁第38頁/共115頁(五)角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的徑向載荷與軸向載荷 角接觸球軸承和圓錐滾子軸承承受徑向載荷時，要產(chǎn)生派生的軸向力，為保證正常工作，通常是成對使用的。 根據(jù)平衡條件，由徑向力Fre的位置和大小可計算出兩個軸承上的徑向載荷Fr1、Fr2。第39頁/共115頁派生的軸向力Fd1、Fd2的大小可按照表13 -7中的公式計算 計算所得的Fd值，相當于正常的安裝情況，即大致相當于下半圈的滾動體全部受載(軸承實際的工作情況不允許比這樣更壞)。第40頁/共115頁派生軸向力：軸承對軸的力 軸向力：軸對軸承的

13、力 把派生軸向力的方向與外加軸向載荷Fae的方向一致的軸承標為軸承2，另一端標為軸承1。當FaeFd2Fd1，相當于軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松” Fa1FaeFd2 Fa2Fd2當FaeFd2Fd1，相當于軸承1被“放松”，軸承2被“壓緊” Fa1Fd1 Fa2Fd1Fae第41頁/共115頁(六)不穩(wěn)定載荷和不穩(wěn)定轉(zhuǎn)速時軸承的壽命計算 對于金屬切削機床、起重機等機械中的軸承工作載荷和轉(zhuǎn)速頻繁改變以疲勞損傷累積理論求軸承壽命 設(shè)軸承順次地在當量動載荷P1、P2、.Ps，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速為n1、n2、. ns，軸承在每種工作狀態(tài)下的運轉(zhuǎn)時間與總運轉(zhuǎn)時間之比為q1、q2、.qs。iz在Pi作用下實

14、際的載荷循環(huán)次數(shù)iz在Pi作用下極限的載荷循環(huán)次數(shù)11siiizz 根據(jù)疲勞損傷累積理論，在壽命達到極限狀態(tài)時，有第42頁/共115頁 假定軸承在P1、P2、.Ps作用下總共工作了H時間后，元件壽命達到了極限狀態(tài)，則軸承失效前在Pi作用下實際載荷循環(huán)次數(shù)可按下式計算iiiznq H 將所有載荷作用次數(shù)的總和記為zm1 1221 122+.+(.+)mssssmzn q Hn q Hn q Hn qn qn q Hn H 假定作用一個相當?shù)妮d荷Pm來代替所有的載荷的作用，并在作用Zm次后，軸承達到極限狀態(tài)，滿足10CLP （）10P LCmmiiP zP zmimiPzzP第43頁/共115頁1

15、1siiizzmimiPzzP111ssiiiiiiimmmminq HP nqP nPzP11siiisiiiimimmnq Pnq PPnn1smiiinnq壽命計算公式為再有610()60hmmCLnP 第44頁/共115頁(七)滾動軸承的靜承載能力對于在工作載荷下基本不旋轉(zhuǎn)或緩慢旋轉(zhuǎn)或緩慢擺動的軸承，其失效形式不是疲勞點蝕，而是因滾動接觸面上的接觸應(yīng)力過大而產(chǎn)生的過大的塑性變形。在國家標準中，對每一種規(guī)格的滾動軸承規(guī)定了一個不應(yīng)超過得載荷界限基本額定靜載荷，用C0表示。 軸承上作用的徑向載荷Fr與軸向載荷Fa應(yīng)折合成一個當量靜載荷P0P0=X0Fr+Y0Fa X0、Y0分別為當量靜載荷

16、的徑向載荷系數(shù)和軸向載荷系數(shù)，可由軸承手冊查取。第45頁/共115頁000PSC S0為靜強度安全系數(shù)，可由設(shè)計手冊查取。按軸承靜承載能力選擇軸承的公式為：第46頁/共115頁(八)不同可靠度時滾動軸承壽命的計算一般的工程問題，以軸承的基本額定動載荷和基本額定壽命來衡量承載能力，對應(yīng)的可靠度為90%。對于航空航天產(chǎn)品、國防裝備等，對于軸承的可靠度有更高的要求。引入可靠性系數(shù)a1，修正壽命為：)(601016101PCnaLaLn可靠度可靠度%909596979899LnL10L5L4L3L2L1a11.00.640.540.470.370.25可靠度不為90%時的額定壽命修正系數(shù)a1 (GB/

17、T6391-2010) 第47頁/共115頁滾動軸承選擇的過程由力分析確定軸承所承受的Fr與Fa計算當量動載荷P=fP(XFr+YFa)明確軸承的工作轉(zhuǎn)速n與預計壽命L10計算軸承應(yīng)滿足的基本額定動載荷1061/6010nLCP由軸承樣本（手冊）查取合適的軸承 第48頁/共115頁13-6軸承裝置的設(shè)計軸承裝置的設(shè)計 軸承裝置的設(shè)計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設(shè)計中的注意要點以供參考。(一)支承部分的剛性和同心度 軸和安裝軸承的外殼或軸承座，軸承裝置中的其他受力零件必須有足夠的剛性。 外殼及軸承座孔壁足夠的厚度第49頁/共115頁 外殼上軸承座的懸

18、臂應(yīng)盡可能地縮短，并用肋板來增強支承部位的剛性。第50頁/共115頁 外殼是用輕合金或非金屬制成的，安裝軸承處應(yīng)采用鋼或鑄鐵制的套杯第51頁/共115頁 一根軸上兩個支承的座孔，必須盡可能地保持同心 整體結(jié)構(gòu)的外殼，并把安裝軸承的兩個孔一次鏜出。當兩個軸承孔分在兩個外殼上時，則應(yīng)把兩個外殼組合在一起進行鏜孔。第52頁/共115頁(二)軸承的配置1.雙支點各單向固定 左邊的懸臂較長，支承剛性較差，軸向和徑向熱膨脹時易卡死。第53頁/共115頁采用深溝球軸承的雙支點各單向固定軸向間隙軸向間隙適當補償軸受熱伸長軸向間隙存在不能做精確的軸向定位軸向間隙不能過大避免竄動軸向間隙不能過大不能用于工作溫度較

19、高時第54頁/共115頁2.一支點雙向固定，另一端支點游動(跨距大、溫度高)固定游動第55頁/共115頁用可分離型的圓柱滾子軸承或滾針軸承時，內(nèi)外圈都固定。第56頁/共115頁 軸向載荷較大固定的支點：向心軸承+推力軸承 第57頁/共115頁 采用兩個角接觸球軸承(或圓錐滾子軸承)“背對背”或“面對面”組合的結(jié)構(gòu)。第58頁/共115頁3.兩端游動支承兩端游動軸向固定第59頁/共115頁(三)滾動軸承的軸向緊固內(nèi)圈緊固的常用方法有：1)彈性擋圈軸向力不大及轉(zhuǎn)速不高時2)螺釘固定的軸端擋圈高轉(zhuǎn)速、大的軸向力鋼絲串聯(lián)防松第60頁/共115頁3)圓螺母和止動墊圈轉(zhuǎn)速高、較大的軸向力第61頁/共115頁

20、4)緊定襯套、止動墊圈和圓螺母 用于光軸、軸向力和轉(zhuǎn)速不大、內(nèi)圈為圓錐孔第62頁/共115頁 內(nèi)圈的另一端，常以軸肩作為定位面。為了便于軸承拆卸，軸肩的高度應(yīng)低于軸承內(nèi)圈的厚度。第63頁/共115頁潘存云教授研制拆卸軸承第64頁/共115頁外圈軸向緊固的常用方法有:1)彈性擋圈軸向力不大及轉(zhuǎn)速不高時第65頁/共115頁2)彈性擋圈嵌入軸承外圈的止動槽內(nèi)第66頁/共115頁3)軸承蓋緊固用于高轉(zhuǎn)速及很大軸向力時的各類軸承第67頁/共115頁4)用螺紋環(huán)緊轉(zhuǎn)速高、軸向載荷大，不便使用軸承蓋緊固螺釘?shù)?8頁/共115頁(四)軸承游隙及軸上零件位置的調(diào)整墊片調(diào)整(操作簡單)圓螺母調(diào)整(操作復雜) 1)

21、錐齒輪裝配，要調(diào)整軸向位置； 2)軸承裝在套杯中，套杯裝在外殼孔中； 3)通過增減墊片，可調(diào)整錐齒輪軸向位置。第69頁/共115頁(六)滾動軸承的預緊定義：安裝時產(chǎn)生并保持一軸向力，消除軸向游隙意義：內(nèi)外圈徑向及軸向相對移動量要比未預緊大大減少1)夾緊一對圓錐滾子軸承的外圈而預緊第70頁/共115頁2)用彈簧預緊，可以得到穩(wěn)定的預緊力3)軸承中間裝入長度不等的套筒而預緊，預緊力可由兩套筒的長度差控制長短第71頁/共115頁4)磨窄外圈并夾緊第72頁/共115頁(七)滾動軸承的潤滑d滾動軸承內(nèi)徑，mmn軸承轉(zhuǎn)速，r/min第73頁/共115頁1.脂潤滑適用：不便經(jīng)常添加潤滑劑、不允許潤滑油流失而

22、致污 染產(chǎn)品限制：較低的dn值所占容積：1/32/3內(nèi)部空間錐入度：dn值大、載荷小選錐入度較大粘度小 反之，選錐入度較大滴點：工作溫度6105 mmr/min時優(yōu)點：避免其他潤滑方法由于供油過多，油的內(nèi)摩擦增大 而增高軸承的工作溫度。第79頁/共115頁壓強圖流速圖第80頁/共115頁3.固體潤滑用途：高溫中使用的軸承、真空環(huán)境中工作的軸承方法： 1)用粘結(jié)劑將固體潤滑劑粘結(jié)在滾道和保持架上 2)固體潤滑劑加入工程塑料和粉末冶金材料中，制成有自潤滑性能的軸承零件 3)電鍍、高頻濺射、離子鍍層、化學沉積薄膜第81頁/共115頁(八)滾動軸承的密封裝置氈圈油封(滑動速度45m/s，拋光軸78m/

23、s)第82頁/共115頁毛氈：工業(yè)常用工具，采用羊毛制成，加工粘合而成。 第83頁/共115頁唇形密封圈(精車軸10m/s，磨光軸15m/s) 如果主要是為了封油，密封唇應(yīng)對著軸承；如果主要是為了防止外物浸入，則密封唇應(yīng)背著軸承(a)； 如果兩個作用都要有，使用密封唇反向放置的兩個唇形密封圈(b)。第84頁/共115頁第85頁/共115頁密封環(huán)(含鉻的耐磨鑄鐵100 m/s，錫青銅6080 m/s)密封環(huán)靠缺口被壓攏后所具有的彈性而抵緊在靜止件的內(nèi)孔壁上第86頁/共115頁隙縫密封 在軸和軸承蓋的通孔壁之間留一個極窄的隙縫，半徑間隙通常為0.l0.3 mm。這對使用脂潤滑的軸承來說，已具有一定

24、的密封效果。如果在軸承蓋上車出環(huán)槽，在槽中填以潤滑脂，可以提高密封效果。第87頁/共115頁甩油密封開出溝槽甩油環(huán)螺旋式送油槽第88頁/共115頁曲路密封徑向軸向第89頁/共115頁例題13-1 設(shè)某支承根據(jù)工作條件決定選用深溝球軸承。軸承徑向載荷Fr=5500 N，軸向載荷Fa=2700 N，軸承轉(zhuǎn)速n = 1250 r/min，裝軸承處的軸頸直徑可在5060mm范圍內(nèi)選擇，運轉(zhuǎn)時有輕微沖擊，預期計算壽命Lh=5000 h。試選擇其軸承型號。27000.495500arFF根據(jù)表13-5，深溝球軸承的最大e值為0. 44，故此時arFeF按照表13-6，fd=1.01.2，取fd=1.2，見

25、下頁第90頁/共115頁第91頁/共115頁 按照表13-5，X=0.56，Y值需在已知型號和基本額定靜載荷C0后才能求出?，F(xiàn)暫選一近似中間值，取Y=1.5，則()1.2 (0.56 5500 1.5 2700)8556draPfXFYFN 根據(jù)式(13-6)，求軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值3666060 125050008556616991010hnLCPN 按照軸承樣本或設(shè)計手冊選擇C=61.8 kN的6310軸承 此軸承的基本額定靜載荷C0=38 kN。驗算如下: 相對軸向載荷為027000.0710538000aFC第92頁/共115頁第93頁/共115頁1.4 1.61.6(0.070

26、150.07)1.5970.130.07Y0aFC第94頁/共115頁()1.2 (0.56 5500 1.597 2700)8870.28draPfXFYFN66310106060618004509.1250001250 8870.28hCLnP 低于預期計算壽命。因題中的軸徑尺寸允許取為5060 mm，故可改用6311 按照軸承樣本或設(shè)計手冊選擇C=71.5 kN，C0=44.8 kN027000.06026744800aFC第95頁/共115頁1.6 1.81.8(0.0602670.04)1.6650.070.04Y0aFC第96頁/共115頁()1.2 (0.56 5500 1.66

27、5 2700)9090.6draPfXFYFN3661010606071500648750001250 9090.6hCLnP 6311可用 第97頁/共115頁深溝球軸承的設(shè)計步驟1.計算軸向力與徑向力的比值Fa/Fr Fa/Fr大于0.22，初取X=0.56，Y=1.5 Fa/Fr小于0.22，初取X=1，Y=02.根據(jù)載荷情況取fd，計算當量動載荷P3.計算基本額定動載荷值C()draPfXFYF66010hnLCP第98頁/共115頁4.選擇軸承型號，然后確定C和C05.校核所選型號，先計算相對軸向載荷0aFC第99頁/共115頁6.根據(jù)相對軸向載荷，確定e，再確定X和Y，最后算P61060hCLnP7.計算使用壽命，看是否夠用，若不夠用重選型號，再校核第100頁/共115頁例題13-2 設(shè)根據(jù)工作條件決定在軸的兩端正裝兩個角接觸球軸承，如圖13-34a所示。已知軸上齒輪受切向力Fte=2200N，徑向力Fre=900N，軸向力Fae=400N，齒輪分度圓直徑d=314 mm，齒輪轉(zhuǎn)速n=1440