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第十三章 滚动轴承,电子科技大学 凌丹,轴承支承轴及轴上零件保证轴的旋转精度减少轴与支承之间的摩擦与磨损,与滑动轴承相比优点：摩擦阻力小、启动容易、效率高、润滑简便、易于更换；缺点：抗冲击能力差、工作时有震动和噪声、有些场合不适用。,设计时所要解决的主要问题轴承本身的设计根据工作条件，选择类型及尺寸；轴承寿命校核滚动轴承装置的设计与滚动轴承安装、调整、润滑、密封等有关的零件组合方案的设计。,本章内容,概述滚动轴承的基本类型和及其代号滚动轴承的类型的选择滚动轴承的工作情况滚动轴承寿命计算轴承装置的设计例题,内圈1外圈2滚动体3保持架4,1. 滚动轴承的基本结构,滚动轴承的附加结构,2. 滚动轴承各部分的作用,内圈与轴颈配合；外圈与轴承座孔配合；内圈外表面和外圈内表面上有滚道，滚动体在滚道上滚动。保持架均匀分隔各滚动体，避免各滚动体直接接触造成严重磨损。,保持架的功能,防止与滚动元件的直接接触，使摩擦和热量生成降到最低引导滚动体在滚道上运转提供润滑空间在安装或拆卸可分离轴承时，固定滚动元件,3. 轴承各部分的材料,内外圈、滚动体强度高、耐磨的铬锰高碳钢。保持架 冲压保持架和实体保持架冲压保持架：低碳钢板冲压后铆接或焊接。实体保持架：铜合金、铝合金或塑料切削加工。,4.常用滚动体的类型,球形、圆柱形、鼓形、圆锥形、滚针形、非对称球面,本章内容,概述滚动轴承的基本类型和及其代号滚动轴承的类型的选择滚动轴承的工作情况滚动轴承寿命计算轴承装置的设计例题,1、滚动轴承的主要类型,按照滚动体的形状球轴承滚子轴承按照承受载荷的方向向心轴承：主要承受径向载荷推力轴承：主要承受轴向载荷向心推力轴承：可以承受两个方向的载荷。,滚动轴承的公称接触角,滚动体与外圈接触处的法线与轴承径向平面的夹角称为公称接触角，简称接触角a。,轴线,轴线,轴线,我国机械工业常用轴承,1调心球轴承2调心滚子轴承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8推力圆柱滚子轴承N圆柱滚子轴承NA滚针轴承NU 外球面轴承,2、各种滚动轴承的性能,调心球轴承 1,主要承受径向载荷，也可同时承受少量的双向的轴向载荷；外圈滚道为球面，具有自动调心性能。,self-aligning ball bearing,调心滚子轴承 2,具有调心作用(12.5 )，主要承受径向载荷，能承受少量的轴向载荷，承载能力比调心球轴承高。,self-aligning roller bearing,圆锥滚子轴承 3,可同时承受径向载荷和单向轴向载荷，承载能力大。,Fa,Fr,Taped roller bearing,推力球轴承 51（单列）、52（双向）,只能承受轴向载荷，载荷作用线必须与轴线重合。,Thrust Ball Bearing,轴圈,轴圈,座圈,座圈,座圈,推力球轴承 51（单列）、52（双向）,轴圈：与轴配合座圈：与机座配合轴圈内径小于座圈内径。,深沟球轴承 6,主要承受径向载荷，能承受少量的轴向载荷。大量生产，价格最低。,Deep Groove Ball Bearing,角接触球轴承 7,可承受径向载荷和单向轴向载荷。 一般成对使用，接触角越大，承受轴向载荷的能力越高。,70000C a =1570000AC a =2570000B a =40,Angular Contact Bearing,推力圆柱滚子轴承 8,能承受很大的单向轴向载荷,Thrust Roller Bearing,Thrust Roller Bearing,Fa,轴向力的方向：由轴圈指向座圈。,圆柱滚子轴承 N,N,NU,NJ,只能承受径向载荷。由于滚动体与内外圈是面接触，承载能力比深沟球轴承大。,Cylindrical Roller Bearing,Fr,滚针轴承 NA RNA,径向尺寸很小、只能承受径向载荷，承载能力高于圆柱滚子轴承和深沟球轴承。,Needle Roller Bearing,滚针推力滚子轴承,小 结,球轴承与滚子轴承相比，球轴承允许的极限转速较高（球形滚动体的重量较轻）滚子轴承承受的载荷较大（滚子滚动体与内外圈线接触）。下列轴承主要承受径向载荷，能承受少量的双向轴向载荷深沟球轴承调心球轴承调心滚子轴承,下列轴承只能承受径向载荷圆柱滚子轴承滚针轴承下列轴承能承受轴向（单向）和径向的联合载荷角接触球轴承圆锥滚子轴承下列轴承只能承受轴向载荷推力球轴承推力圆柱滚子轴承,3、滚动轴承的代号,代号：表示类型、结构、尺寸、公差等级、技术性能等特征的产品代号。,类型代号,尺寸代号,尺寸系列代号由宽(高)度系列代号（基本代号左起第位）和直径系列代号(基本代号左起第位)组合而成。,直径与宽度系列,直径系列,宽度系列,高度系列,尺寸系列,宽度系列,直径系列,向心轴承和推力轴承的常用尺寸系列代号,直径系列代号,推力轴承,向心轴承,01,(0) 0(0) 1,1011,2021,1011,2,3,4,特轻,轻,中,重,(0) 2,(0) 3,(0) 4,12,13,22,23,24,12,13,14,22,23,24,(0),1,2,1,2,窄,正常,宽,正常,尺寸系列代号,宽度系列代号,高度系列代号,内径代号,后置代号,轴承游隙,径向游隙,轴向游隙,温度对轴承游隙的影响,安装对轴承游隙的影响,压缩,扩张,减小的径向游隙,安装游隙小于原始游隙,滚动轴承代号示例 1,6 2 2 03,公差等级为0级;游隙组为0组；,7 (0) 3 12 AC / P6,游隙组为0组；,滚动轴承代号示例 2,3 0 2 13,公差等级为0级;游隙组为0组；,轴承的各部分尺寸,轴承的各部分尺寸,本章内容,概述滚动轴承的基本类型和及其代号滚动轴承的类型的选择滚动轴承的工作情况滚动轴承寿命计算轴承装置的设计例题,运行条件,现有空间,不对心,速度,寿命,负荷大小/方向/性质,13-3 滚动轴承类型的选择,一、 考虑轴承的载荷,载荷大小滚子轴承线接触承载能力强球轴承点接触承载能力较低载荷方向纯径向载荷：深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承纯轴向载荷：推力球轴承或推力滚子轴承径向与轴向联合载荷：角接触轴承（角接触球轴承、圆锥滚子轴承）,二、 轴承的转速,转速过高 ,温度,润滑失效,滚动体回火或胶合破坏。,极限转速-滚动轴承在一定载荷与润滑条件下，允许的最高转速。具体可查阅设计手册或轴承样本。,选用原则：1. 球轴承比滚子轴承的极限转速高，应优先选用球轴承；,2. 在高速时，以选用超轻、特轻及轻系列的轴承；内径相同时，外径越小，滚动体就越轻小，产生的离心惯性力也小；,3. 保持架的材料对轴承转速影响极大，实体保持架比冲压保持架允许有更高一些的转速；,4. 推力轴承的极限转速很低，当工作转速高时，若轴向载荷不是十分大，可以采用角接触球轴承来承受纯轴向力；,5. 若工作转速超过了轴承样本，可以用提高公差等级、适当增大游隙、选用循环冷却等方法。,调心轴承的外圈滚道表面是球面，能自动补偿两滚道轴心线的角偏差，从而保证轴承正常工作。滚针轴承对轴线偏斜最为敏感，应尽可能避免在轴线有偏斜的情况下使用。,三、轴承的调心性能,由于安装原因造成 轴承内外圈中心线之间的相对倾斜角称为角偏差。各类轴承内圈轴线相对于外圈轴线的角偏差限度不同。,角偏差产生的原因： 轴刚度差、挠曲变形大，座孔轴线不平行或不同轴、多支点轴,两轴孔中心线相交,两轴孔不同轴,轴发生挠曲变形,轴承选型举例：,1）直齿圆柱齿轮轴：,2）斜齿轮、锥齿轮、蜗轮轴：,3）悬臂圆锥齿轮轴：,4）蜗杆轴：,本章内容,概述滚动轴承的基本类型和及其代号滚动轴承的类型的选择滚动轴承的工作情况滚动轴承寿命计算轴承装置的设计例题,一、轴承工作时轴承元件上的载荷分布,径向力Fr通过轴径传给向心轴承的内圈，位于上半圈的滚动体不会受力（非承载区）； 下半圈的滚动体将此载荷传到外圈上（承载区）。,向心轴承承受径向载荷,在处于Fr作用线上的接触点处接触载荷最大，两边逐渐减小。,径向游隙的存在使实际承载区的范围小于180,游隙较小,游隙较大,一、轴承工作时轴承元件上的载荷分布,二、滚动体的应力变化情况,接触应力为稳定脉动循环,接触应力为周期性非稳定循环,O,载荷作用中心,可查轴承标准,Fd 内部轴向力，是由于结构原因而产生的附加内部轴向力。其大小：查表，方向：如图。,Fd使内外圈有分离趋势，向心推力轴承必须：成对使用，对称安装。,三、派生轴向力的产生,角接触向心轴承在承受径向载荷时，要产生派生轴向力Fd，Fd的方向总是由外圈的宽边指向窄边。派生轴向力的大小取决于该轴承所受的径向载荷和轴承的结构。,派生轴向力的计算,两种安装方式,正装（面对面安装）,反装（背对背安装）,简图：,两外圈宽边相对,两外圈窄边相对,反装（背靠背安装）,正装（面对面安装）,说 明,圆锥滚子轴承和角接触球轴承总是在径向和轴向载荷联合作用下工作。各滚动体外圈反力的轴向分量构成轴承的派生轴向力，使外圈与滚动体和内圈组合体有分离的趋势，即产生轴向窜动量。轴上的外部轴向载荷将阻止这种分离趋势，减轻轴向窜动量，并使下半圈尽可能多的滚动体受载。,本章内容,概述滚动轴承的基本类型和及其代号滚动轴承的类型的选择滚动轴承的工作情况滚动轴承寿命计算轴承装置的设计例题,13.5 滚动轴承寿命的计算,失效形式轴承寿命基本额定动载荷轴承寿命计算公式当量动载荷的计算角接触轴承轴向载荷的计算滚动轴承的静载荷计算,一、失效形式,点蚀,金属疲劳：长时间的重复应力在使用时，轴承材料受到循环的压应力即使是正确维护使用的轴承也会出现失效,一、失效形式,其它失效形式永久变形 磨粒磨损胶合由于安装时操作不当、维护不当。引起轴承元件的破裂等其他失效形式。,保持架与滚动体摩擦产生的磨损,外圈滚道塑性变形,内圈胀裂,内圈滚道磨损,安装不当占轴承提前失效原因的16%,润滑不当占轴承提前失效原因的36%,润滑不当包括以下三种类型:1、填充量错误: 过多 过少2、润滑脂的选型错误: 性能质量达不到要求 不能适应实际的应用需要3、污染: 杂质混入润滑脂中 操作不当(工作环境脏污),滚动轴承的设计准则,中、高速下运转的轴承(n10 r/min) 按疲劳强度进行设计。即保证轴承在规定的寿命期内不发生疲劳点蚀。,对于转速很低（n 10r/min)或在一定角度内缓慢摆动的轴承按静强度进行设计，即保证轴承在工作中不发生超过允许的塑性变形。,高速下运转的轴承除按疲劳强度进行设计外，还应校核极限转速。,二、轴承的寿命,轴承中任一元件出现点蚀疲劳破坏之前所经历的转数（以106转为单位）或在某一转速下工作的总小时数，称为轴承的寿命。,轴承的基本额定寿命,基本额定寿命L10 ：一批相同的轴承，在相同的条件下运转，其中90%的轴承不发生点蚀以前能运转的转数（以106转为单位）或在一定转速下工作的总小时数Lh。,物理意义：1）对一批轴承而言：指90%轴承能达到或超过的寿命。2）对一个具体轴承而言：该轴承能达到或超过该寿命的概率为90%。,短时间或间断使用，中断时不致引起严重后果 30008000,间断使用，中断时会引起严重后果 800012000,每天8h工作的机械 1200020000,每天24h连续工作的机械 4000060000,每天24h连续工作的机械 ,中断时会引起严重后果 100000200000,基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命达到106转时，轴承所承受的载荷，用字母C表示。对向心轴承 径向基本额定动载荷 Cr对推力轴承 轴向基本额定动载荷 Ca对向心角接触轴承载荷的径向分量。不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷，表征了不同型号轴承承受载荷能力的大小。,三、 轴承的基本额定动载荷,通过试验得出如图所示6208轴承的载荷寿命曲线。,曲线上对应于 Lh=106 的载荷为: 29.5KN。,四、 滚动轴承的寿命计算公式,载荷-寿命曲线的公式：,基本额定寿命,轴承转速，r/min,当量动载荷，N,基本额定动载荷，查机械零件设计手册,预期寿命，查表,基本额定动载荷计算值,工作温度高于120C时,引入温度系数ft（ 表134）,修正后的计算公式：,五、滚动轴承的当量动载荷,滚动轴承的基本额定动载荷是在一定试验条件下确定的。将工作中的实际载荷换算为与基本额定动载荷条件相同的当量动载荷P才能进行计算轴承寿命。当量动载荷P是一个假想的载荷。在当量动载荷P作用下的轴承的寿命与工作中实际载荷作用下的寿命相同。,对只能承受径向载荷的向心轴承，如圆柱滚子轴承、滚针轴承， P=Fr，即Y=0。,对只能承受纯轴向力的推力轴承： P = Fa 即X=0,五、滚动轴承的当量动载荷,表 13-5 动载荷系数 X、Y,五、滚动轴承的当量动载荷,五、滚动轴承的当量动载荷,考虑到工作中的冲击和振动会使轴承寿命降低，为此又引进载荷系数fP,载荷系数 fP,六、 轴承径向载荷和轴向载荷的确定,径向载荷Fr是外界作用在轴上的径向载荷在各轴承上产生的径向支反力。,即：该轴承的水平面内的支反力与垂直面内的支反力的矢量和，近似认为支反力的作用点位于轴承宽度的中点处。,1. 轴承的径向载荷,2. 轴向载荷的确定,轴向载荷并不完全由外界作用在轴上的轴向作用力产生。深沟球轴承的轴向载荷由作用在轴上的总轴向力Fae决定, Fae 指向的轴承Fa= Fae ，另一轴承所受轴向力为零；,角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向力由外界作用在轴上的总轴向力和派生轴向力的平衡条件决定。,例题,某轴由一对代号为6210深沟球轴承支承，已知，轴受径向外载荷FR15000N，轴向外载荷Fae1500N ，求两轴承的轴向载荷Fa 。,Fae指向轴承2，则Fae由轴承2承受，轴承1不承受轴向载荷，即：,例题,一农用水泵，决定选用深沟球轴承，轴颈直径d=35mm，转速n=1400r/min，已知径向载荷Fr=1810N，轴向载荷Fa=740N，预期计算寿命Lh=3000h，试选择轴承的型号。,解：1.安装轴承的轴颈为35mm，试选用6007轴承，查表确定该轴承的Cr = 16.2 kN，Cor = 10.5kN。则： Fa/Fr74018100.41,相对轴向载荷,工作机为水泵，则取fp=1.1，ft=1,查表,1.若 Fae+ Fd2 Fd1 轴与内圈和滚动体有右移趋势,压紧端：Fa1 = Fae+ Fd2,放松端：Fa2 = Fd2,外圈窄边相对安装 (正装),向心推力轴承的轴向力计算,2.若 Fae+Fd2 Fd1,放松端： Fa1 = Fd1,压紧端： Fa2 = Fd1 - Fae,结论： 放松端轴承的轴向载荷 = 自身派生轴向力 压紧端轴承的轴向载荷 = 其余轴向力的代数和,1. 若 Fae+ Fd2 Fd1 则有：,压紧端：Fa1 = Fae+ Fd2,放松端：Fa2 = Fd2,2.若 Fae+Fd2 Fd1 ,则有：,放松端： Fa1 = Fd1,压紧端： Fa2 = Fd1 - Fae,结论与正装相同： 放松端轴承的轴向载荷 = 内部轴向力,压紧端轴承的轴向载荷 = 其余轴向力的代数和,计算向心角接触轴承轴向载荷的步骤,计算各轴承的径向支反力计算各轴承的派生轴向力及方向根据轴承安装方式和 各力合力指向，判定“压紧端”和“放松端”。放松端：Fa等于本身内部轴向力。压紧端：Fa等于除本身内部轴向力外，其它轴向力的代数和。,滚动轴承的可靠度,在一般工程问题中，均以轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命来衡量轴承的承载能力，这时对应的可靠度均为90%。但是，对于航空航天产品、国防装备等，对于轴承的可靠度有更高的要求。这时滚动轴承寿命的计算须引入可靠性系数a1，即修正寿命为：,a1也可按下式计算确定：,R-为预期可靠度。,例题,如下图所示，轴上正装一对圆锥滚子轴承，型号为30305，已知两轴承的径向载荷分别为Fr1=5000N，Fr2=2500N，外加轴向力FA=2000N，该轴承在常温下工作，预期工作寿命为Lh =2000小时，载荷系数fP=1.3，转速n = 1000 r/min。试校核该对轴承是否满足寿命要求。,Fr2,Fr1,各种角接触轴承派生轴向力,解：查轴承手册得30305型轴承基本额定动载荷C=46800N，e=0.30，Y = 2。,1、计算两轴承的派生轴向力Fd由表13-7查得，圆锥滚子轴承的派生轴向力为Fd=Fr/(2Y)，则,方向向左,方向向右,2、计算两轴承的轴向载荷Fa1、 Fa2,Fd1+FA=1250+2000 = 3250 N， Fd1+FA Fd2, 轴承2被压紧，轴承1被放松，故Fa2=Fd1+FA=3250 NFa1=Fd1=1250 N,3、计算两轴承的当量动载荷P,查表13-5得X1 = 1，Y1 = 0,轴承1的当量动载荷P1：,查表13-5得X2 = 0.4，Y2 = 2,轴承2的当量动载荷P2：,4、验算两轴承的寿命滚子轴承的e10/3，则轴承1的寿命,由此可见，轴承2和轴承1都满足寿命要求。,