《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》第十一章滾動(dòng)軸承

第十一章滾動(dòng)軸承

(rollingbearing)§11-1概述一、滾動(dòng)軸承的構(gòu)造內(nèi)圈(innerring)外圈(outerring)滾動(dòng)體(rollingelement)保持架(cage)內(nèi)圈裝在軸頸上，外圈裝在機(jī)座或零件的軸承孔內(nèi)。內(nèi)外圈上有滾道，當(dāng)內(nèi)外圈相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)體將沿著滾道滾動(dòng)。保持架的作用是把滾動(dòng)體均勻地隔開。二、滾動(dòng)軸承的材料滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的材料應(yīng)具有較高的硬度和接觸疲勞強(qiáng)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(dá)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(dòng)軸承的特點(diǎn)1、優(yōu)點(diǎn)1）摩擦系數(shù)小、啟動(dòng)靈活、效率高（η＝0.98～0.99）2）軸承單位寬度的承載能力較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)緊湊3）極大地減小了有色金屬的消耗4）易于互換、潤(rùn)滑，維護(hù)方便5）可同時(shí)承受徑向載荷和軸向載荷2、缺點(diǎn)1）接觸應(yīng)力高，抗沖擊能力差2）減振能力低，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(dòng)軸承的類型與選擇接觸角α滾動(dòng)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(dòng)軸承的一個(gè)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(dòng)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(dòng)體的形狀，滾動(dòng)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(jié)構(gòu)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(shí)宜采用滾子軸承。但當(dāng)軸承內(nèi)徑d≤20mm時(shí)，滾子軸承和球軸承的承載能力已相差不多，而球軸承的價(jià)格一般低于滾子軸承，故優(yōu)先選用球軸承。2.極限轉(zhuǎn)速滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)速過高會(huì)使摩擦面間產(chǎn)生高溫，潤(rùn)滑失效，從而導(dǎo)致滾動(dòng)體回火或膠合破壞。滾動(dòng)軸承在一定載荷和潤(rùn)滑條件下，允許的最高轉(zhuǎn)速——極限轉(zhuǎn)速如果軸承極限轉(zhuǎn)速不能滿足要求，可采取提高軸承精度、適當(dāng)加大間隙、改善潤(rùn)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(shí)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(huì)引起內(nèi)外圈中心線發(fā)生相對(duì)傾斜。其傾斜角稱為角偏差。角偏差較大時(shí)會(huì)影響軸承正常運(yùn)轉(zhuǎn)，在這種場(chǎng)合下應(yīng)采用調(diào)心軸承。調(diào)心軸承的外滾道表面是球面，能自動(dòng)補(bǔ)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(duì)軸線偏斜最為敏感，應(yīng)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(diào)心性能。能自動(dòng)調(diào)心，能承受很大的徑向載荷和少量的軸向載荷，抗振動(dòng)、沖擊。能同時(shí)承受較大的徑向載荷和軸向載荷，外圈可分離，游隙可調(diào)，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(dòng)體離心力大，滾動(dòng)體與保持架摩擦發(fā)熱嚴(yán)重，故用于軸向載荷大但轉(zhuǎn)速不高的場(chǎng)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(shí)也可承受一定量的軸向載荷。能同時(shí)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(nèi)外圈只允許有極小的相對(duì)偏轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)速低。不允許有角偏差。§11-3滾動(dòng)軸承的代號(hào)前置代號(hào)（字母）基本代號(hào)（數(shù)字、字母）后置代號(hào)(字母+數(shù)字)五四三二一∣軸承分部件代號(hào)∣內(nèi)徑代號(hào)∣寬度系列代號(hào)∣直徑系列代號(hào)∣類型代號(hào)∣游隙代號(hào)∣保持架及材料代號(hào)∣密封與防塵代號(hào)∣內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號(hào)∣公差等級(jí)代號(hào)1.基本代號(hào)表示軸承的基本類型、結(jié)構(gòu)、尺寸，是軸承代號(hào)的基礎(chǔ)?；敬?hào)左起第一位——類型代號(hào)。若代號(hào)為“0”（雙列角接觸球軸承）則可省略。尺寸系列代號(hào)由軸承的寬度系列代號(hào)（基本代號(hào)左起第二位）和直徑系列代號(hào)（基本代號(hào)左起第三位）組合而成。內(nèi)徑代號(hào)（基本代號(hào)左起第四、五位數(shù)字）表示軸承公稱內(nèi)徑尺寸內(nèi)徑系列代號(hào)0001020304～99軸承內(nèi)徑尺寸(mm)10121517數(shù)字×5代號(hào)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(hào)表示軸承的基本類型、結(jié)構(gòu)、尺寸，是軸承代號(hào)的基礎(chǔ)。軸承類型代號(hào)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(qiáng)型公差代號(hào)代號(hào)/P2、/P4、/P5、/P6、/P6X、/P0公差等級(jí)24566X0游隙代號(hào)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(hào)中可不標(biāo)出。2.前置代號(hào)用字母表示成套軸承的分部件。例11－1試說明滾動(dòng)軸承代號(hào)62203和7312AC/P62的含義解：（1）6——深溝球軸承，22——輕寬系列，03——內(nèi)徑d＝17mm；（2）7——角接觸球軸承，（0）3——中窄系列，12——內(nèi)徑d＝60mm，AC——接觸角α＝25o，P6——6級(jí)公差，2——第2組游隙C2當(dāng)游隙與公差同時(shí)表示時(shí)，符號(hào)C可省略Fr徑向載荷的分布Fmaxδ0§11-4滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算滾動(dòng)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(rèn)為各滾動(dòng)體所承受的載荷是相等的。當(dāng)軸承受純徑向載荷Fr作用時(shí)，內(nèi)圈沿F方向下移一距離δ，上半圈滾動(dòng)體不承載，而下半圈各滾動(dòng)體承受不同的載荷。處于Fr作用線最下位置的滾動(dòng)體承載最大（Fmax），而遠(yuǎn)離作用線的各滾動(dòng)體，其承載就逐漸減小。對(duì)于α＝0o的向心軸承一、失效形式1.疲勞破壞滾動(dòng)軸承工作過程中，滾動(dòng)體相對(duì)內(nèi)圈不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，滾動(dòng)體與滾道接觸表面受變應(yīng)力。此變應(yīng)力可近似看作載荷按脈動(dòng)循環(huán)變化。由于脈動(dòng)接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，首先在滾動(dòng)體或滾道的表面下一定深度處產(chǎn)生疲勞裂紋，繼而擴(kuò)展到接觸表面，形成疲勞點(diǎn)蝕。2.塑性變形當(dāng)軸承轉(zhuǎn)速很低或間歇擺動(dòng)時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞。在很大載荷或沖擊載荷作用下，會(huì)使軸承滾道和滾動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生劇烈振動(dòng)和噪聲。此外，由于使用維護(hù)和保養(yǎng)不當(dāng)或密封潤(rùn)滑不良等因素，也能引起軸承早期磨損、膠合、內(nèi)外圈和保持架破壞等不正常失效。二、軸承壽命軸承的一個(gè)套圈或滾動(dòng)體的材料出現(xiàn)第一個(gè)疲勞擴(kuò)展跡象前，一個(gè)套圈相對(duì)于另一個(gè)套圈的總轉(zhuǎn)數(shù)，或在某一轉(zhuǎn)速下的工作小時(shí)數(shù)。大量的軸承壽命試驗(yàn)表明，軸承的壽命和可靠度之間有一定的關(guān)系。一組相同軸承能達(dá)到或超過規(guī)定壽命的百分率——軸承壽命的可靠度單個(gè)軸承的可靠度為該軸承達(dá)到或超過規(guī)定壽命的概率一組同一型號(hào)軸承在同一條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，其可靠度為90％時(shí)能達(dá)到或超過的壽命——基本額定壽命，記為L(zhǎng)（106r）90％的軸承在發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕前能達(dá)到或超過的壽命——基本額定壽命。單個(gè)軸承，能夠達(dá)到或超過此壽命的概率為90％。設(shè)計(jì)：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(guān)，工作載荷越大，軸承的壽命越短。滾動(dòng)軸承的基本額定動(dòng)載荷（C）——軸承的基本額定壽命為100萬轉(zhuǎn)時(shí)，軸承所能承受的載荷。向心軸承徑向基本額定動(dòng)載荷推力軸承軸向基本額定動(dòng)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(dòng)載荷向心軸承——Cr推力軸承——Ca用小時(shí)表示軸承壽命，用n代表軸的轉(zhuǎn)速（r/min）P——當(dāng)量動(dòng)載荷一恒定徑向載荷，在該載荷作用下，滾動(dòng)軸承具有與實(shí)際載荷作用下同樣的壽命。軸承在溫度高于100℃下工作時(shí)，基本額定動(dòng)載荷C有所降低，故引進(jìn)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(dòng)會(huì)使軸承壽命降低，故引進(jìn)載荷系數(shù)fp載荷性質(zhì)無沖擊或輕微沖擊中等沖擊強(qiáng)烈沖擊載荷系數(shù)fp1.0～1.21.2～1.81.8～3.0三、當(dāng)量動(dòng)載荷的計(jì)算如果作用在軸上的實(shí)際載荷是既有徑向載荷又有軸向載荷，則必須將實(shí)際載荷換算成與試驗(yàn)條件相當(dāng)?shù)妮d荷后，才能和基本額定動(dòng)載荷進(jìn)行比較。換算后的載荷是一種假定的載荷——當(dāng)量動(dòng)載荷P＝XFr＋YFaFr、Fa——軸承的徑向載荷及軸向載荷（N）；X、Y

——徑向動(dòng)載荷系數(shù)及軸向動(dòng)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(shí)，軸向力的影響可忽略不計(jì)。向心軸承只承受徑向載荷時(shí)，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(jì)算角接觸向心軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在滾動(dòng)體和滾道接觸處存在著接觸角α當(dāng)它承受徑向載荷Fr時(shí)，作用在承載區(qū)內(nèi)第i個(gè)滾動(dòng)體上的法向力F可分為徑向分力Fri和軸向分力Fai。各滾動(dòng)體上所受軸向力的和——軸承的內(nèi)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(shí)的軸向系數(shù)FaeFr0.68Fr1.14FrFrF’iF”iF’Fi第i個(gè)滾動(dòng)體α為了使角接觸向心軸承的內(nèi)部軸向力得到平衡，以免軸向竄動(dòng)，通常這種軸承都要成對(duì)使用，對(duì)稱安裝。正裝（外圈窄邊相對(duì)安裝）反裝（外圈寬邊相對(duì)安裝）Fa——軸承的內(nèi)部軸向力適合于傳動(dòng)零件位于兩支承之間適合于傳動(dòng)零件處于外伸端1）當(dāng)FA＋FS2＞FS1，由于軸承1的右端已固定，軸不能向右移動(dòng)，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(dāng)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(nèi)部軸向力壓緊端軸承的軸向載荷等于除本身的內(nèi)部軸向力外其余軸向力的代數(shù)和五、滾動(dòng)軸承的靜強(qiáng)度校核對(duì)于轉(zhuǎn)速很低(n≤10r/min)或緩慢擺動(dòng)的滾動(dòng)軸承，一般不會(huì)產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕，為防止?jié)L動(dòng)體和內(nèi)外圈產(chǎn)生過大的塑性變形，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度校核。受載最大的滾動(dòng)體與內(nèi)、外圈滾道接觸處的接觸應(yīng)力達(dá)到某一定值的載荷——基本額定靜載荷C0P0=X0Fr＋Y0Fa≤C0/S0X0—當(dāng)量靜載荷徑向載荷系數(shù)Y0—當(dāng)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(shè)計(jì)手冊(cè)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(zhuǎn)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(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，NF207圓柱滾子軸承的Cr＝28500N，fp＝1，ft＝1，對(duì)滾子軸承ε＝10/3。P＝6778N向心軸承只承受徑向載荷時(shí)，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(zhuǎn)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(hào)。解：1）當(dāng)量動(dòng)載荷因該向心軸承承受Fr和Fa的作用，必須求出當(dāng)量動(dòng)載荷P。計(jì)算時(shí)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(hào)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(dāng)于在純徑向載荷為2360N作用下的使用壽命2）計(jì)算所需的徑向基本額定動(dòng)載荷值式中fp＝1.1，ft＝1，對(duì)球軸承ε＝3。3）選擇軸承型號(hào)查手冊(cè)，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(jì)接近，適用。例11－4一工程機(jī)械傳動(dòng)裝置中的軸，根據(jù)工作條件決定采用一對(duì)角接觸球軸承，并暫定軸承型號(hào)為7208AC。已知軸承載荷Fr1＝1000N，F(xiàn)r2＝2060N，F(xiàn)A＝880N，轉(zhuǎn)速n＝5000r/min，運(yùn)轉(zhuǎn)中受中等沖擊，預(yù)期壽命Lh＝2000h，試問所選軸承型號(hào)是否適當(dāng)。解：1）先計(jì)算軸承1、2的軸向力Fa1、Fa2由表查得軸承的內(nèi)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(jì)算軸承1、2的當(dāng)量動(dòng)載荷由表查得e＝0.68由表查得X1＝0.41、Y1＝0.87、X2＝1、Y2＝0。當(dāng)量動(dòng)載荷P1＝X1Fr1＋Y1Fa1＝0.41×1000＋0.87×2280＝2394NP2＝X2Fr2＋Y2Fa2＝1×2060＋0×1400＝2060N3）計(jì)算所需的徑向基本額定動(dòng)載荷Cr因軸的結(jié)構(gòu)要求兩端選擇同樣尺寸的軸承，今P1＞P2，故應(yīng)以軸承1的當(dāng)量動(dòng)載荷P1為計(jì)算依據(jù)。受中等沖擊，fp＝1.5；工作溫度正常，ft＝14）由手冊(cè)查得Cr=35200N。Cr1＜Cr，故選用7208AC軸承適用§11-5滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑和密封潤(rùn)滑目的：減小摩擦，減輕磨損密封目的：防止灰塵、水分等進(jìn)入軸承，阻止?jié)櫥瑒┑牧魇б弧L動(dòng)軸承的潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑劑：潤(rùn)滑脂、潤(rùn)滑油、固體潤(rùn)滑劑一般情況，滾動(dòng)軸承采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，但在軸承附近已經(jīng)具有潤(rùn)滑油源時(shí)，也可采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。速度因數(shù)dnd——軸承內(nèi)徑，mm；n——軸承套圈的轉(zhuǎn)速，r/mindn＜（1.5～2）×105mm·r/min時(shí)，一般采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，超過這一范圍宜采用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。脂潤(rùn)滑不易流失，便于密封和維護(hù)，一次填充潤(rùn)滑脂可運(yùn)轉(zhuǎn)較長(zhǎng)時(shí)間油潤(rùn)滑比脂潤(rùn)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(dòng)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(nèi)，對(duì)軸產(chǎn)生一定的壓力而起到密封作用。適用場(chǎng)合：脂潤(rùn)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(nèi)，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)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(chǎng)合：脂或油潤(rùn)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(zhì)進(jìn)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(gè)極窄的間隙，間隙越小越長(zhǎng)，效果越好，間隙通常取0.1～0.3mm，內(nèi)填潤(rùn)滑脂。適用場(chǎng)合：脂潤(rùn)滑，要求環(huán)境清潔2）迷宮式密封將旋轉(zhuǎn)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(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂以加強(qiáng)密封效果。適用場(chǎng)合：脂潤(rùn)滑或油潤(rùn)滑，工作溫度不高于密封用脂的滴點(diǎn)。軸向密封徑向密封3）組合密封