机械设计 第十四章滚动轴承 Rolling-contact Bearings 第十四章滚动轴承 第一节概述 滚动轴承在海上钻井平台上的应用 滚动轴承在火车车轮轴中的应用 滚动轴承在减速器中的应用 一、组成 Deep-groove Precision Ball Bearing ? Photograph of a deep-groove precision ball bearing with metal two-piece cage and dual seals to illustrate rolling-bearing terminology. SEAL CORNER RADIUS SEPARATOR OR RETAINER Precision Ball Bearing ? Photograph of a precision ball bearing of the type generally used in machine-tool applications to illustrate terminology. OUTER RING OUTER RACEWAY BALL CAGE BALLS INNER RING INNER RACEWAY COUNTERBORED LOW SHOULDER BEARING FACE DEEP SHOULDER DEEP SHOULDER IS STAMPED SIDE OF BEARING (BEARING BACK) APPLY THRUST AGAINST THIS SHOULDER BURNISHED DOT SHOWS HIGH POINT OF ECCENTRICITY BEARING NUMBER ABEC TOLERANCE GRADE 外圈(Outer Ring) 内圈(Inner Ring) 滚动体(Roller) 保持架(Cage, Separator Or Retainer) 二、材料 保持架可用低碳钢冲压制成。 滚动轴承的内外圈应具有较高的硬度和接触疲劳强度， 良好的耐磨性和冲击韧性，一般用含铬的合金钢制造，比 如Cr15，GCr15SiMn等。 三、公称接触角α 注意：公称接触角越大，滚动轴承承受轴向载荷的能 力越大。 第十四章滚动轴承 第二节滚动轴承的分类和代号 一、滚动轴承的分类 1）按轴承所能承受的载荷方向或公称接触角α的不同分： 向心轴承：主要用来承受径向载荷，0oUα U45o。 径向接触轴承：α=0o； 向心角接触轴承：0o<α U45o。 推力轴承：主要用来承受轴向载荷，45o<α U90o。 推力角接触轴承：45o<α<90o， 轴向接触轴承：α=90o。 2）按滚动体形状分：球轴承和滚子轴承。 3）按轴承工作时能否调心分：刚性轴承和调心轴承。 4）综合分类：表14-1。 向心轴承 推力轴承 球轴承 滚子轴承 二、滚动轴承的代号 国标GB/T272—93规定滚动轴承代号由三部分组成： 前置代号基本代号后置代号 1）基本代号 表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的 基础。包括： 类型代号尺寸系列代号内径代号 3 022 9 3103 0 类型代号 尺寸系列代号 直 径 系 列 变 化 宽度系列变化 3103 0 向心轴承尺寸系列图表 ----------------5 --------24--04--4 ------33231303833 62524232221202822 61514131211101--1 60504030201000--0 69594939291909--9 68584838281808--8 ------37--17----7 65432108 宽度系列代号 直 径 系 列 代 号 内径代号 基本代号举例 2）前置代号 3）后置代号 三、滚动轴承主要类型及特性 第十四章滚动轴承 第三节滚动轴承类型选择 滚动轴承的选择内容 滚动轴承的选择包括两个方面：类型的选择和型号 大小的选择。 类型的选择是指从具体使用条件出发，结合轴承本身的特 点，经过分析比较，选出比较合适的类型和型号。 滚动轴承的选择原则 1）转速较高，载荷不大，旋转精度又有较高要求时，宜用 点接触的单列向心球轴承或向心角接触球轴承。滚子轴承多 用于转速不太高、载荷较大的场合。 2）有冲击载荷时，宜用滚子轴承。 3）径向和轴向载荷都较大，转速又高，宜用向心角接触球 轴承；转速不太高，则可用圆锥滚子轴承；当轴向载荷比径 向载荷大得多时，且转速不太高，一个支点上可用两种不同 类型的轴承组合，例如推力轴承和向心球轴承组合，以分别 承受轴向载荷和径向载荷。 4）当要求支承有较大刚度时，宜用滚子轴承； 5）支点跨距大，轴的弯曲变形较大时，可选用调心轴承； 6）从价格上考虑，一般来说，球轴承比滚子轴承便宜。 第十四章滚动轴承 第四节滚动轴承的尺寸选择计算 滚动轴承的受力特点 一、滚动轴承的失效形式 1）疲劳点蚀 比如，径向轴承承受径向载荷时，滚动体与套圈 间将产生变化的接触应力。 交变载荷引起疲劳点蚀。 2）塑性变形 3）磨损 疲劳点蚀的形成 塑性变形实例 内、外圈破裂实例 计算准则 1）一般，在正常安装和维护下，转速较高的轴承主要 失效形式是疲劳点蚀，需进行寿命计算。 2）高速轴承除要进行寿命计算外，还需使其转速不得 超过极限转速。 3）对于缓慢摆动或低速回转的轴承，一般是塑性变形 失效，需进行静强度计算。 二、滚动轴承寿命计算 一些基本概念： 滚动轴承的寿命 滚动轴承的基本额定寿命 滚动轴承的基本额定动载荷 1）滚动轴承的寿命与基本额定寿命 滚动轴承的寿命： 轴承中任一元件出现疲劳点蚀前所经历的总转数，或在一 定转速下的总工作小时数。 轴承寿命相当离散，应与一定的可靠度相联系。 滚动轴承的基本额定寿命： 一批型号相同的轴承在相同条件下运转，有10％的轴承产 生疲劳点蚀前的总转数或在一定转速下的总工作小时数。 即可靠度为90%（失效概率为10%）时轴承的寿命。 2）滚动轴承的基本额定动载荷 滚动轴承的基本额定寿命与所受载荷的大小有关，载荷 越大，轴承的基本额定寿命越短。 实验条件： °≤120T 对于向心轴承，是一个方向、大小恒定的径向载荷，称径 向基本额定动载荷，用C r 表示。 标准中规定：轴承的基本额定寿命为10 6 转时，轴承所能 承受的载荷值，称为轴承的基本额定动载荷，用C表示。 对于推力轴承，是一个恒定的中心轴向载荷，称轴向基本 额定动载荷，用C a 表示。 3）滚动轴承的寿命计算公式 实验表明：对于相同型 号的轴承，在不同的载荷 P 1 、P 2 、P 3 、……作用下， 若轴承的额定寿命为L 1 、 L 2 、L 3 、……，则： .ContLPLPLP ====L 332211 εεε 寿命计算公式的推导 当L=10 6 转时，其对应的动载荷为基本额定动载荷C（N） 于是可得： LPC ?=? εε 6 10 6 10× ? ? ? ? ? ? = ε P C L即：转 εε ? ? ? ? ? ? = ? ? ? ? ? ? ? = P C nP C n L h 16670 60 10 6 h 公式修正 引入温度修正系数f t 和载荷修正系数f p ，则可得 寿命的修正公式： 如P和n已知，该轴承的预期寿命已定，则可得滚动轴 承设计公式： ε 16670 h t p Ln f Pf C ? ? = N ε ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = Pf Cf n L p t h 16670 h 温度系数f t 与载荷修正系数f p 轴承预期寿命的选取 4）滚动轴承的当量动载荷P 以向心轴承为例，它的额定动载荷C r 值是在受纯径向 载荷条件下确定的。 折算后的当量动载荷是一个假想载荷，在这个载荷作 用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，这种 折算后的载荷称为当量动载荷。 假设作用在轴承上的实际载荷并非纯径向载荷，还有 轴向载荷。 为了与基本额定动载荷在相同载荷条件下进行比较， 在计算轴承寿命时，应将实际载荷折算成当量动载荷。 P r 与P a 对于向心轴承，是一个方向、大小恒定的径向载荷， 称径向当量动载荷，用P r 表示。 对于推力轴承，是一个恒定的中心轴向载荷，称轴向 当量动载荷，用P a 表示。 当量动载荷计算的统一表示 01 == YX , Rr FP = 10 == YX , Aa FP = ARr YFXFP += ARa YFXFP += e F F R A ≤ 当时 e F F R A > 当时 或 或 对于向心球轴承，X、Y值的查取 小节一（校核轴承过程） 根据已知轴承从手册中查取有关数据，比如C 计算轴承所受的载荷（F A 、F R ） 计算轴承的当量动载荷（P） 确定X、Y 计算轴承实际寿命 ε ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? = Pf Cf n L p t h 16670 比较轴承实际寿命与预期寿命 小节二（选择轴承过程） 根据C值从手册中查取合适大小的轴承 计算轴承所受的载荷（F A 、F R ） 计算轴承的当量动载荷（P） 确定X、Y 计算轴承所需的基本额定动载荷 ε 16670 h t p Ln f Pf C ? ? = 选择轴承类型，估计所需轴承的预期寿命L h 5）向心角接触轴承的轴向载荷 向心角接触轴承由于结构上的 特点，支承面与轴线成一接触角 ，因此，在承受径向载荷F R 时要 产生内部轴向力S。 内部轴向力S等于轴承承受载 荷的各滚动体产生的轴向分力 F i sinα之和。 内部轴向力的计算 对于单列圆锥滚子轴承： 0 15=α R eFS = 0 25=α R FS 68.0= 0 40=α R FS 14.1= Y F S R 2 = 对于角接触球轴承： 内部轴向力方向的判断 正装和反装情况 内部轴向力的的影响 ①在使用时，须成对使用，反向安装（分正装和反 装）。 ②在计算轴向载荷时，除了考虑作用在轴上的轴向 力外，还必须把内部轴向力考虑进去。 1A F 2A F 计算轴向载荷 1R F 2R F a F 1 S 2 S 1R F 2R F a F A：若F a +S 2 >S 1 则轴有向左运动趋势，此时 轴承1被卡紧，为保持轴的平 衡，轴承1将受到一个向右的 附加轴向力?S 1 。 112 SSSF a ?+=+ 21 SFF aA += 22 SF A = S 1 +?S 1 就是作用在轴承1上的轴向力F A1 ；而轴承2无 影响。 故： 1R F 2R F a F 1 S 2 S B：若F a +S 2 <S 1 1R F 2R F a F 1 S 2 S 轴承2被卡紧，轴承1被防松 221 SSFS a ?+=? aA FSF ?= 12 11 SF A = 故： 1A F 2A F 1R F 2R F a F 总结 通过上述分析，可以归纳出向心角接触轴承轴向力的计 算方法： 1. 首先根据轴承受力和安装情况，判别出全部轴向力合 力的指向，由此找出被“压紧”和“放松”的轴承； 2. 被“压紧”轴承的轴向力等于除其本身内部轴向力的所 有合力； 3. 被“放松”轴承的轴向力等于其本身的内部轴向力。 练习 a F 2R F 2 S 1R F 1 S 三、滚动轴承的静强度计算 滚动轴承的静强度计算是为了限制滚动轴承在静载荷和 冲击载荷作用下产生过大的塑性变形。 额定静载荷： 标准中规定：受载最大的滚动体与滚道接触中心处的接 触应力达到一定值的载荷，称为额定静载荷，用C 0 表示。 对于向心轴承，称径向额定静载荷，用C 0r 表示； 对于推力轴承，称轴向额定静载荷，用C 0a 表示； 按额定静载荷选择轴承 对于工作于静止状态、缓慢摆动和低速转动的轴承，主要是 防止滚动体与滚道接触处产生过大的永久变形。 000 PSC > 由于这些变形的存在，运转时产生较大的振动和噪声，以致 轴承未能正常工作。 因此应按额定静载荷选择轴承尺寸，一般计算时应满足： 四、滚动轴承的极限转速 滚动轴承的极限转速是指在一定的载荷和润滑条件下所 允许的最高转速。 limmax nffn 21 ≤ 它与轴承的类型、尺寸、载荷、精度和游隙、润滑与冷 却条件、保持架的结构与材料等因素有关。 第十四章滚动轴承 第五节滚动轴承的组合设计 一、轴的滚动支承结构形式 1)两端固定 2)一端固定、一端游动 3)两端游动 1）两端固定 指两个支承各自分别限制轴的一个方向的移动，两个支承 合在一起就能限制轴的双向移动。 适用场合： 对于工作温度不高的短轴，可采用这 种形式。 2）一端固定、一端游动 固定端轴承限制轴的双向移动，而游动端轴承的外圈 可以在座孔内沿轴向移动，以补偿轴的受热伸长。 适用场合： 常用于轴较长或温差较大时的 情况。 3）两端游动 特殊情况下使用。 二、滚动轴承的轴向定位和紧固 1)轴肩定位 2)轴环定位 3)螺母定位 4)其它 1）轴肩定位 2）轴环定位 3）螺母定位 4）其它 滚动轴承的拆卸 三、支承部分的刚度和同心度 四、滚动轴承的配合 轴承配合的选择应考虑载荷的大小、方向和性质、 工作温度、旋转精度、套圈是否沿配合面游动以及装 拆方便等因素。 五、滚动轴承的预紧 目的：提高轴承的刚度和旋转精度，减小机器工作 时轴的振动。 六、滚动轴承的润滑 润滑的目的： 为了降低摩擦阻力和减轻磨损，同时也有冷却、吸振 等作用 润滑介质： 1. 脂润滑用于转速较低，温度不高的场合 2. 油润滑用于转速较高的场合。润滑效果好。 七、滚动轴承的密封 密封的目的： 为了防止润滑剂流失和防止灰尘、杂质等侵入轴承内部。 密封的方式： 按原理分有接触式和非接触式两大类。 接触式密封 挡油环密封 迷宫密封 迷沟密封