《機械設計基礎》第十一章滾動軸承

第十一章滾動軸承

(rollingbearing)§11-1概述一、滾動軸承的構造內圈(innerring)外圈(outerring)滾動體(rollingelement)保持架(cage)內圈裝在軸頸上，外圈裝在機座或零件的軸承孔內。內外圈上有滾道，當內外圈相對轉動時，滾動體將沿著滾道滾動。保持架的作用是把滾動體均勻地隔開。二、滾動軸承的材料滾動體與內外圈的材料應具有較高的硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。一般用含鉻合金制造，經(jīng)熱處理后硬度可達61～65HRC，工作表面須經(jīng)磨削和拋光。保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，高速軸承的保持架多采用有色金屬或塑料。三、滾動軸承的特點1、優(yōu)點1）摩擦系數(shù)小、啟動靈活、效率高（η＝0.98～0.99）2）軸承單位寬度的承載能力較強，結構緊湊3）極大地減小了有色金屬的消耗4）易于互換、潤滑，維護方便5）可同時承受徑向載荷和軸向載荷2、缺點1）接觸應力高，抗沖擊能力差2）減振能力低，運轉時有噪聲3）徑向外廓尺寸較大4）不能制成剖分式5）高速重載下壽命較低§11-2滾動軸承的類型與選擇接觸角α滾動體與外圈接觸處的法線與垂直于軸承軸心線的平面之間的夾角。接觸角是滾動軸承的一個主要參數(shù)，接觸角越大，軸承承受軸向載荷的能力越大。按公稱接觸角的不同，滾動軸承分為：向心軸承推力軸承主要用于承受徑向載荷，公稱接觸角α為0°～45°主要用于承受軸向載荷，公稱接觸角α為大于45°～90°按滾動體的形狀，滾動軸承球軸承滾子軸承圓柱滾子圓錐滾子球面滾子滾針由于結構的不同，各類軸承的使用性能也不相同。1.承載能力在同樣外形尺寸下，滾子軸承的承載能力約為球軸承的1.5～3倍。在載荷較大或有沖擊載荷時宜采用滾子軸承。但當軸承內徑d≤20mm時，滾子軸承和球軸承的承載能力已相差不多，而球軸承的價格一般低于滾子軸承，故優(yōu)先選用球軸承。2.極限轉速滾動軸承轉速過高會使摩擦面間產(chǎn)生高溫，潤滑失效，從而導致滾動體回火或膠合破壞。滾動軸承在一定載荷和潤滑條件下，允許的最高轉速——極限轉速如果軸承極限轉速不能滿足要求，可采取提高軸承精度、適當加大間隙、改善潤滑和冷卻條件、選用青銅保持架等措施。由于接觸角的存在，角接觸軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷。3.角偏差軸承由于安裝誤差或軸的變形等都會引起內外圈中心線發(fā)生相對傾斜。其傾斜角稱為角偏差。角偏差較大時會影響軸承正常運轉，在這種場合下應采用調心軸承。調心軸承的外滾道表面是球面，能自動補償兩滾道軸心線的角偏差，從而保證軸承正常工作。滾針軸承對軸線偏斜最為敏感，應盡可能避免在軸線有偏斜的情況下使用。能承受很大的徑向載荷和少量的軸向載荷，承載能力大，具有調心性能。能自動調心，能承受很大的徑向載荷和少量的軸向載荷，抗振動、沖擊。能同時承受較大的徑向載荷和軸向載荷，外圈可分離，游隙可調，裝拆方便，適用于剛性較大的軸。只能承受軸向載荷，且載荷作用線必須與軸線重合。因滾動體離心力大，滾動體與保持架摩擦發(fā)熱嚴重，故用于軸向載荷大但轉速不高的場合。單列——承受單向軸向載荷雙列——承受雙向軸向載荷主要承受徑向載荷，同時也可承受一定量的軸向載荷。能同時承受徑向、軸向聯(lián)合載荷，公稱接觸角越大，軸向承載能力越大。公稱接觸角α有15o、25o、40o三種。能承受較大的徑向載荷，不能承受軸向載荷。因系線接觸，內外圈只允許有極小的相對偏轉。只能承受徑向載荷，承載能力大，徑向尺寸特小，一般無保持架，因而滾針間有摩擦，軸承極限轉速低。不允許有角偏差?！?1-3滾動軸承的代號前置代號（字母）基本代號（數(shù)字、字母）后置代號(字母+數(shù)字)五四三二一∣軸承分部件代號∣內徑代號∣寬度系列代號∣直徑系列代號∣類型代號∣游隙代號∣保持架及材料代號∣密封與防塵代號∣內部結構代號∣公差等級代號1.基本代號表示軸承的基本類型、結構、尺寸，是軸承代號的基礎?；敬栕笃鸬谝晃弧愋痛?。若代號為“0”（雙列角接觸球軸承）則可省略。尺寸系列代號由軸承的寬度系列代號（基本代號左起第二位）和直徑系列代號（基本代號左起第三位）組合而成。內徑代號（基本代號左起第四、五位數(shù)字）表示軸承公稱內徑尺寸內徑系列代號0001020304～99軸承內徑尺寸(mm)10121517數(shù)字×5代號7890123456寬度系列---特窄---窄正常寬特寬直徑系列超特輕超輕特輕輕中重------3.后置代號表示軸承的基本類型、結構、尺寸，是軸承代號的基礎。軸承類型代號含義角接觸球軸承BCACα＝40oα＝15o?。?5o圓錐滾子軸承B接觸角α加大E加強型公差代號代號/P2、/P4、/P5、/P6、/P6X、/P0公差等級24566X0游隙代號C1、C2、C3、C4、C5分別表示軸承徑向游隙，游隙量依次由小到大C0為基本組游隙，常被優(yōu)先采用，在軸承代號中可不標出。2.前置代號用字母表示成套軸承的分部件。例11－1試說明滾動軸承代號62203和7312AC/P62的含義解：（1）6——深溝球軸承，22——輕寬系列，03——內徑d＝17mm；（2）7——角接觸球軸承，（0）3——中窄系列，12——內徑d＝60mm，AC——接觸角α＝25o，P6——6級公差，2——第2組游隙C2當游隙與公差同時表示時，符號C可省略Fr徑向載荷的分布Fmaxδ0§11-4滾動軸承的選擇計算滾動軸承在通過軸心線的軸向載荷（中心軸向載荷）Fa作用下，可認為各滾動體所承受的載荷是相等的。當軸承受純徑向載荷Fr作用時，內圈沿F方向下移一距離δ，上半圈滾動體不承載，而下半圈各滾動體承受不同的載荷。處于Fr作用線最下位置的滾動體承載最大（Fmax），而遠離作用線的各滾動體，其承載就逐漸減小。對于α＝0o的向心軸承一、失效形式1.疲勞破壞滾動軸承工作過程中，滾動體相對內圈不斷轉動，滾動體與滾道接觸表面受變應力。此變應力可近似看作載荷按脈動循環(huán)變化。由于脈動接觸應力的反復作用，首先在滾動體或滾道的表面下一定深度處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面，形成疲勞點蝕。2.塑性變形當軸承轉速很低或間歇擺動時，一般不會產(chǎn)生疲勞破壞。在很大載荷或沖擊載荷作用下，會使軸承滾道和滾動體接觸處產(chǎn)生永久變形→滾道表面形成變形凹坑，使軸承在運轉中產(chǎn)生劇烈振動和噪聲。此外，由于使用維護和保養(yǎng)不當或密封潤滑不良等因素，也能引起軸承早期磨損、膠合、內外圈和保持架破壞等不正常失效。二、軸承壽命軸承的一個套圈或滾動體的材料出現(xiàn)第一個疲勞擴展跡象前，一個套圈相對于另一個套圈的總轉數(shù)，或在某一轉速下的工作小時數(shù)。大量的軸承壽命試驗表明，軸承的壽命和可靠度之間有一定的關系。一組相同軸承能達到或超過規(guī)定壽命的百分率——軸承壽命的可靠度單個軸承的可靠度為該軸承達到或超過規(guī)定壽命的概率一組同一型號軸承在同一條件下運轉，其可靠度為90％時能達到或超過的壽命——基本額定壽命，記為L（106r）90％的軸承在發(fā)生疲勞點蝕前能達到或超過的壽命——基本額定壽命。單個軸承，能夠達到或超過此壽命的概率為90％。設計：潘存云2051015501000可靠度R/(%)L/(1×106r)軸承的壽命與所受載荷的大小有關，工作載荷越大，軸承的壽命越短。滾動軸承的基本額定動載荷（C）——軸承的基本額定壽命為100萬轉時，軸承所能承受的載荷。向心軸承徑向基本額定動載荷推力軸承軸向基本額定動載荷CrCaε——壽命指數(shù)球軸承，ε＝3；滾子軸承，ε＝10/3C——基本額定動載荷向心軸承——Cr推力軸承——Ca用小時表示軸承壽命，用n代表軸的轉速（r/min）P——當量動載荷一恒定徑向載荷，在該載荷作用下，滾動軸承具有與實際載荷作用下同樣的壽命。軸承在溫度高于100℃下工作時，基本額定動載荷C有所降低，故引進溫度系數(shù)ft軸承工作溫度100125150200250300溫度系數(shù)ft10.950.900.800.700.60工作中的沖擊和振動會使軸承壽命降低，故引進載荷系數(shù)fp載荷性質無沖擊或輕微沖擊中等沖擊強烈沖擊載荷系數(shù)fp1.0～1.21.2～1.81.8～3.0三、當量動載荷的計算如果作用在軸上的實際載荷是既有徑向載荷又有軸向載荷，則必須將實際載荷換算成與試驗條件相當?shù)妮d荷后，才能和基本額定動載荷進行比較。換算后的載荷是一種假定的載荷——當量動載荷P＝XFr＋YFaFr、Fa——軸承的徑向載荷及軸向載荷（N）；X、Y

——徑向動載荷系數(shù)及軸向動載荷系數(shù)。Fa/Fr＞e，由表16－11查出X和Y的數(shù)值；Fa/Fr≤e時，軸向力的影響可忽略不計。向心軸承只承受徑向載荷時，P＝Fr推力軸承只能承受軸向載荷，P＝Fa四、角接觸向心軸承軸向載荷的計算角接觸向心軸承的結構特點在滾動體和滾道接觸處存在著接觸角α當它承受徑向載荷Fr時，作用在承載區(qū)內第i個滾動體上的法向力F可分為徑向分力Fri和軸向分力Fai。各滾動體上所受軸向力的和——軸承的內部軸向力Fa。軸承類型角接觸向心軸承圓錐滾子軸承α＝15°α＝25°α＝40°Fr/(2Y)Y是Fa/Fr＞e時的軸向系數(shù)FaeFr0.68Fr1.14FrFrF’iF”iF’Fi第i個滾動體α為了使角接觸向心軸承的內部軸向力得到平衡，以免軸向竄動，通常這種軸承都要成對使用，對稱安裝。正裝（外圈窄邊相對安裝）反裝（外圈寬邊相對安裝）Fa——軸承的內部軸向力適合于傳動零件位于兩支承之間適合于傳動零件處于外伸端1）當FA＋FS2＞FS1，由于軸承1的右端已固定，軸不能向右移動，即軸承1被壓緊，由力的平衡條件得軸承1（壓緊端）承受的軸向載荷：Fa1＝FA＋FS2軸承2（放松端）承受的軸向載荷：Fa2＝FS22）當FA＋FS2＜FS1，由于軸承2被壓緊，由力的平衡條件得軸承1（壓緊端）承受的軸向載荷：Fa1＝FS1軸承1（壓緊端）承受的軸向載荷：Fa2＝FS1－FA放松端軸承的軸向載荷等于它本身的內部軸向力壓緊端軸承的軸向載荷等于除本身的內部軸向力外其余軸向力的代數(shù)和五、滾動軸承的靜強度校核對于轉速很低(n≤10r/min)或緩慢擺動的滾動軸承，一般不會產(chǎn)生疲勞點蝕，為防止?jié)L動體和內外圈產(chǎn)生過大的塑性變形，應進行靜強度校核。受載最大的滾動體與內、外圈滾道接觸處的接觸應力達到某一定值的載荷——基本額定靜載荷C0P0=X0Fr＋Y0Fa≤C0/S0X0—當量靜載荷徑向載荷系數(shù)Y0—當量靜載荷軸向載荷系數(shù)軸承類型X0Y0深溝球軸承0.60.5角接觸球軸承7000C0.50.47000AC0.387000B0.2圓錐滾子軸承0.5查設計手冊例11－2試求NF207圓柱滾子軸承允許的最大徑向載荷。已知工作轉速n＝200r/min，工作溫度t＜100℃，壽命Lh＝10000h，載荷平穩(wěn)。解：向心軸承由機械設計手冊查得，NF207圓柱滾子軸承的Cr＝28500N，fp＝1，ft＝1，對滾子軸承ε＝10/3。P＝6778N向心軸承只承受徑向載荷時，P＝Fr＝6778N在本題規(guī)定的條件下，NF207軸承可承受的最大徑向載荷為6778N。例11－3一水泵軸選用深溝球軸承支承。已知軸頸d＝35mm，工作轉速n＝2900r/min，軸承所受徑向載荷Fr＝2300N，軸向載荷Fa＝540N，要求使用壽命Lh＝5000h，試選用軸承型號。解：1）當量動載荷因該向心軸承承受Fr和Fa的作用，必須求出當量動載荷P。計算時用到的徑向系數(shù)X、軸向系數(shù)Y要根據(jù)Fa/C0r值查取，而C0r是軸承的徑向額定靜載荷，在軸承型號未選出前暫不知道，故用試算法。暫取Fa/C0r＝0.028，則e＝0.22因Fa/Fr＝540/2300＝0.235＞e，由表查得X＝0.56，Y＝1.99P＝XFr＋YFa＝0.56×2300＋1.99×540＝2360N即軸承在Fr＝2300N和Fa＝540N作用下的使用壽命，相當于在純徑向載荷為2360N作用下的使用壽命2）計算所需的徑向基本額定動載荷值式中fp＝1.1，ft＝1，對球軸承ε＝3。3）選擇軸承型號查手冊，選6207軸承，其Cr＝25500N＞24800N；C0r＝15200N，故6207軸承的Fa/C0r＝540/15200＝0.0355，與原估計接近，適用。例11－4一工程機械傳動裝置中的軸，根據(jù)工作條件決定采用一對角接觸球軸承，并暫定軸承型號為7208AC。已知軸承載荷Fr1＝1000N，F(xiàn)r2＝2060N，F(xiàn)A＝880N，轉速n＝5000r/min，運轉中受中等沖擊，預期壽命Lh＝2000h，試問所選軸承型號是否適當。解：1）先計算軸承1、2的軸向力Fa1、Fa2由表查得軸承的內部軸向力為：Fs1＝0.68Fr1＝0.68×1000＝680NFs2＝0.68Fr2＝0.68×2060＝14000NFs2＋FA＝1400＋880＝2280N＞Fs1軸承1為壓緊端Fa1＝Fs2＋FA＝2280N軸承2為放松端Fa2＝Fs2＝1400N2）計算軸承1、2的當量動載荷由表查得e＝0.68由表查得X1＝0.41、Y1＝0.87、X2＝1、Y2＝0。當量動載荷P1＝X1Fr1＋Y1Fa1＝0.41×1000＋0.87×2280＝2394NP2＝X2Fr2＋Y2Fa2＝1×2060＋0×1400＝2060N3）計算所需的徑向基本額定動載荷Cr因軸的結構要求兩端選擇同樣尺寸的軸承，今P1＞P2，故應以軸承1的當量動載荷P1為計算依據(jù)。受中等沖擊，fp＝1.5；工作溫度正常，ft＝14）由手冊查得Cr=35200N。Cr1＜Cr，故選用7208AC軸承適用§11-5滾動軸承的潤滑和密封潤滑目的：減小摩擦，減輕磨損密封目的：防止灰塵、水分等進入軸承，阻止?jié)櫥瑒┑牧魇б?、滾動軸承的潤滑軸承的潤滑劑：潤滑脂、潤滑油、固體潤滑劑一般情況，滾動軸承采用潤滑脂潤滑，但在軸承附近已經(jīng)具有潤滑油源時，也可采用潤滑油潤滑。速度因數(shù)dnd——軸承內徑，mm；n——軸承套圈的轉速，r/mindn＜（1.5～2）×105mm·r/min時，一般采用潤滑脂潤滑，超過這一范圍宜采用潤滑油潤滑。脂潤滑不易流失，便于密封和維護，一次填充潤滑脂可運轉較長時間油潤滑比脂潤滑摩擦阻力小，能散熱，主要用于高速或工作溫度較高的軸承二、滾動軸承的密封1、接觸式密封1）氈圈密封矩形斷面的毛氈圈被安裝在梯形槽內，對軸產(chǎn)生一定的壓力而起到密封作用。適用場合：脂潤滑，要求環(huán)境清潔，軸頸圓周速度v不大于4～5m/s，工作溫度不超過90℃2）密封圈密封密封圈是一種帶有缺口的環(huán)狀密封件，把它放置在套筒的環(huán)槽內，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壁上，起密封作用，密封圈用皮革、塑料或耐油橡膠制成，有的具有金屬骨架。適用場合：脂或油潤滑。軸頸圓周速度v＜7m/s，工作溫度范圍－40～100℃。密封唇朝外，防灰塵、雜質進入密封唇朝里，防漏油2、非接觸式密封1）間隙密封在軸和軸承蓋的通孔墻之間留一個極窄的間隙，間隙越小越長，效果越好，間隙通常取0.1～0.3mm，內填潤滑脂。適用場合：脂潤滑，要求環(huán)境清潔2）迷宮式密封將旋轉件與靜止件之間的間隙做成迷宮（曲路）形式，并在間隙中充填潤滑油或潤滑脂以加強密封效果。適用場合：脂潤滑或油潤滑，工作溫度不高于密封用脂的滴點。軸向密封徑向密封3）組合密封