華科 機械設計 第8章-滾動軸承

第八章滾動軸承的選擇與校核§8-1滾動軸承的特點及類型優(yōu)點滾動軸承是標準件，由專業(yè)軸承廠集中生產。故學習本章的目的主要解決三個問題：1、如何選擇滾動軸承的類型和尺寸；2、滾動軸承的壽命計算；3、滾動軸承組合設計：固定、調整、潤滑密封、配合等。●摩擦阻尼小，啟動靈活；●可同時承受徑向和軸向載荷，簡化了支承結構；●徑向間隙小，可用預緊方法消除，故回轉精度高；●互換性好，易于維護。缺點●抗沖擊能力較差；●高速時噪聲大、壽命較短；●徑向尺寸大。第八章滾動軸承－特點及類型1、按承載方向和公稱接觸角α分為：滾動體與套圈滾道接觸點的法線與軸承徑向平面之間的夾角一、滾動軸承的主要類型向心軸承0°≤α≤45°推力軸承45°＜α≤90°徑向接觸軸承向心角接觸軸承α第八章滾動軸承－特點及類型向心軸承：主要承受徑向載荷徑向接觸軸承——α＝0°的向心軸承；向心角接觸軸承——0°<α≤45°的向心軸承深溝球軸承角接觸球軸承推力軸承：

主要承受軸向載荷軸向接觸軸承——α＝90°的推力軸承推力角接觸軸承——45°<α<90°的推力軸承αα推力角接觸軸承軸向接觸軸承第八章滾動軸承－特點及類型2、按滾動體的種類可分為：球軸承和滾子軸承徑向接觸軸承推力角接觸軸承向心角接觸軸承軸向接觸軸承第八章滾動軸承－特點及類型微型軸承陶瓷軸承特殊軸承：第八章滾動軸承－特點及類型二、滾動軸承代號

前置代號

基本代號

后置代號

類型代號尺寸系列代號

內徑代號用數字或字母表示

1—調心球軸承

3—圓錐滾子軸承

5—推力球軸承

6—深溝球軸承

7—角接觸球軸承

N—圓柱滾子軸承由軸承的寬度系列和直徑系列代號（2位數字）組成。寬度系列：直徑系列：0—窄；0—特輕；1—正常；1—特輕；2—寬；2—輕；3、4—特寬；3—中；5、6—特寬。4—重。內徑尺寸代號100012011502170320~500d/522、28、32及500以上/內徑后置代號：用于表示軸承的結構、公差及材料的特殊要求，用字母或數字表示；如：接觸角為150、250和400的角接觸球軸承，分別用C、AC和B表示內部結構的不同。又如：軸承的公差等級分別為2級、4級、5級、6級（6x）和0級，共5個級別，依次由高級到低級，其代號分別為：/P2、/P4、/P5、/P6（/P6x）和/P0（省略）。再如：軸承的徑向游隙系列分為1組、2組、0組、3組、4組和5組，共6個組別，徑向游隙依次由小到大。0組最常用，不標出，其余用/C1、/C2···表示。第八章滾動軸承－特點及類型常用的滾動軸承：深溝球軸承（6類）角接觸球軸承（7類）圓錐滾子軸承（3類）圓柱滾子軸承（N類）主要承受徑向力能承受較小的雙向軸向力例：6310/P4能同時承受徑向力和單向軸向力例：7208C能同時承受較大的徑向力和單向軸向力例：30309只能承受徑向力不能承受軸向力例：N211第八章滾動軸承－軸承選擇§8-2滾動軸承的選擇一、類型的選擇載荷大或沖擊大——選滾子軸承（線接觸）；徑向、軸向載荷－角接觸球軸承(7類)或圓錐滾子軸承(3類)軸向載荷不大時，可用深溝球軸承載荷小或沖擊小——選球軸承（點接觸）。2、根據載荷的方向純徑向載荷－選深溝球軸承（6類）、圓柱滾子軸承（N類）純軸向載荷－選推力軸承（5或8類），高速時可用3或7類1、根據載荷的大小及性質第八章滾動軸承－軸承選擇4、根據回轉精度要求精度要求高－選球軸承。5、根據調心性能軸剛性差、軸承座孔同軸度差或多點支承

——選調心軸承（“1”類或“2”類）。6、便于軸承的裝拆只能沿軸向裝拆軸系時（整體式軸承座），選內、外圈可分離的軸承，如圓錐滾子軸承（“3”類）。7、經濟性要求一般情況下，滾子軸承比球軸承價格高。精度等級越高，價格越貴。盡量選擇價格低的軸承。3、根據轉速的高低轉速高－選球軸承。剖分式軸承座轉速很高時，選“輕”或“特輕”系列,以減小離心力§8-3滾動軸承的工作情況及設計約束第八章滾動軸承－載荷分析一、滾動軸承的載荷分析各滾動體上的受力情況如何？Fa★

當軸承僅受到純軸向力

Fa

作用時：載荷由各滾動體平均分擔，即：Qi

＝Qj

QjQi選尺寸系列——考慮載荷大小、轉速高低及結構要求；二、尺寸的選擇選擇尺寸系列（直徑系列和寬度系列）及內徑。選內徑——根據軸頸直徑確定。深溝球軸承內圈產生少量位移，滾動體與滾道的接觸點偏移●●●●第八章滾動軸承－載荷分析★當軸承僅受到純徑向力

Fr

作用時：接觸點產生彈性變形，內圈下沉δ，FrδQ2QmaxQ1Q2Q1最多只有半圈滾動體受載。承載區(qū)各滾動體的變形量不同，受載大小也不同。對于點接觸軸承：對于線接觸軸承：全部滾動體個數第八章滾動軸承－載荷分析滾動體與套圈滾道接觸點的接觸應力是變應力，因此：近似認為是脈動循環(huán)變應力。FrδQ2QmaxQ1Q2Q1●ab●●cn接觸應力變化情況：第八章滾動軸承－失效形式滾動體表面、套圈滾道都可能發(fā)生點蝕。二、滾動軸承的失效形式1、疲勞點蝕

——最主要的失效形式防止點蝕破壞，是計算滾動軸承的主要目的。接觸應力過大，元件表面出現較大塑性變形（凹坑）。2、塑性變形

——低速軸承的主要失效形式原因是載荷過大或沖擊載荷作用。3、磨損、膠合、保持架斷裂等使用維護不當而引起的，屬于非正常失效。第八章滾動軸承－壽命計算三、設計準則對于一般轉速的軸承：對于轉速極低或僅作緩慢擺動的軸承：——進行壽命計算（疲勞強度），防止疲勞點蝕——按靜強度計算，防止塑性變形1、基本概念●

軸承壽命軸承中任一元件

出現疲勞點蝕

前所經歷的總轉數（單位為106

r）或一定轉速下的總工作小時數（h）。軸承壽命的離散性目的：防止軸承在預定的工作期間內發(fā)生疲勞點蝕§8-4滾動軸承的疲勞壽命計算第八章滾動軸承－壽命計算●

基本額定壽命一批相同

的軸承，在相同的條件下運轉，其中90％

的軸承還未發(fā)生疲勞點蝕

時所經歷的總轉數或總工作小時數。90％點蝕10％用L10

表示。完好按基本額定壽命選用軸承，可靠性為90％注意：額定壽命隨運轉條件而變化。比如：外載荷增大，則額定壽命降低。因此，基本額定壽命并不能直接反映軸承的承載能力。●

基本額定動載荷規(guī)定

基本額定壽命L10

＝

106r

時，軸承所能承受的最大載荷，用C

表示。即：在C的作用下，運轉106r

后，有10％的軸承出現點蝕，90％的軸承完好。（失效概率為10％）第八章滾動軸承－壽命計算基本額定動載荷C

越大軸承的承載能力越強對于具體軸承，C為定值，按手冊查取。2、壽命計算公式目的—根據工作條件和設計要求，選擇合適的軸承尺寸。L10(106r)PCP1L10軸承的疲勞曲線L10'P'載荷與基本額定壽命的關系曲線：式中：P—當量動載荷L10—P作用下的基本額定壽命ε—壽命指數對向心軸承記為Cr

，稱為徑向基本額定動載荷。對推力軸承記為Ca

，稱為軸向基本額定動載荷。球軸承ε

＝3；滾子軸承ε

＝10/3軸承6208：C＝22800N軸承6308：

C＝31200N第八章滾動軸承－壽命計算所以：實際計算時，常用小時數表示軸承的基本額定壽命：或：—已知軸承的C，計算基本額定壽命—根據預期壽命Lh′，計算所需的C′，并據此選擇軸承

當工作溫度高于120℃時，C值會下降，用溫度系數ft

修正：當載荷為基本額定動載荷C時：或：——壽命計算公式軸承轉速(r/min)所需的C預期壽命查表8-5第八章滾動軸承－壽命計算壽命計算時，應滿足：3、當量動載荷P

的計算或：對于向心軸承，C指徑向載荷，用Cr；對于推力軸承，C指軸向載荷，用Ca

。但軸承可能同時承受徑向載荷Fr

和軸向載荷Fa。FaFr為了與C在相同的條件下進行比較，引入當量動載荷的概念。當量動載荷：一假想載荷，與C同類型，它對軸承的作用與實際載荷的作用等效。用P表示。計算式：X

－徑向載荷系數Y

－軸向載荷系數查表8－7≥≥計算壽命實際的第八章滾動軸承－壽命計算X、Y的作用是將Fr、Fa

折合成當量動載荷。實際工作條件下，需引入載荷系數fp

修正P：X、Y取決于：Fa

/Fr

和參數e

。若：Fa

/Fr

＞e

X≠0、Y≠0若：Fa

/Fr

≤e

X＝1、Y＝0對于某些軸承，e

值根據Fa

/C0r確定。對于只能承受徑向力的向心軸承(如圓柱滾子軸承，N類)：對于只能承受軸向力的推力軸承(如推力球軸承，5類)：或：參數e

反映了Fa對承載能力的影響基本額定靜載荷查表8-8第八章滾動軸承－壽命計算4、向心角接觸軸承（3、7類）軸向載荷Fa

的計算1）角接觸軸承的派生軸向力

SS=∑SiFrRiSiFr的計算見軸系受力分析，即：RV1RV2RH1RH2FRFAFT而軸向載荷：向心角接觸軸承（角接觸球軸承、圓錐滾子軸承）受純徑向載荷作用后，會產生派生軸向力S。OO

－支反力作用點，即法線與軸線的交點。α表8－9給出了S

的近似計算方法。角接觸球軸承派生軸向力：注意S

的方向徑向載荷：QiFa1Fa2Fr1Fr2n第八章滾動軸承－壽命計算2）角接觸軸承的排列方法為使S

得到平衡，角接觸軸承必須成對使用。一般有兩種安裝形式：●正裝（面對面安裝）兩軸承外圈的窄邊相對，即派生軸向力指向相對?！穹囱b（背靠背安裝）兩軸承外圈的寬邊相對，即派生軸向力指向相背。正裝時跨距短，軸剛度大；反裝時跨距長，軸剛度小。問題：兩個角接觸軸承朝一個方向布置合適嗎？FAS1S2反裝簡圖可近似認為支反力作用于軸承中點FAS1S2正裝簡圖第八章滾動軸承－壽命計算3）角接觸軸承軸向載荷Fa

的計算當外載既有徑向載荷又有軸向載荷時，角接觸軸承的軸向載荷Fa

＝？—要同時考慮軸向外載FA

和派生軸向力

S。第八章滾動軸承－壽命計算

S2和S2′

都是右軸承所受的力，故：①軸承正裝時：●若S1+FA>S2S2′圓錐滾子軸承的簡圖如下（將內圈與軸視為一體）：12軸向合力向右，軸有向右移動的趨勢，但外圈被固定，使得使軸向力平衡，故：右軸承被壓緊，會產生反力S2′，而左軸承被放松，Fr1Fr2合力S1FAS2（壓緊端）（放松端）第八章滾動軸承－壽命計算●若S1+FA<S2S1′12軸向合力向左，軸有向左移動的趨勢，

S1和S1′

都是左軸承所受的力，故：使軸向力平衡：故：左軸承被壓緊，會產生反力S1′，而右軸承被放松，即：（壓緊端）（放松端）合力S1S2FA第八章滾動軸承－壽命計算S1′12②軸承反裝時：●若S2+FA>S1軸向合力向右，軸有向右移動的趨勢。左軸承被壓緊，會產生反力S1′，使軸向力平衡：∴（壓緊端）（放松端）合力FAS1S2哪個軸承壓緊？合力第八章滾動軸承－壽命計算S2′12軸向合力向左，軸有向左移動的趨勢，右軸承被壓緊，會產生反力S2′，使軸向力平衡：●若S2+FA<S1，（放松端）（壓緊端）∴FAS1S2合力第八章滾動軸承－壽命計算軸承正裝時：軸承反裝時：（放松端）（壓緊端）S1+FA>S2（壓緊端）（放松端）S1+FA<S2（壓緊端）（放松端）S2+FA>S1（放松端）（壓緊端）S2+FA<S112S1S2FA12FAS1S2第八章滾動軸承－壽命計算12合力12合力歸納如下：根據排列方式判明派生軸向力

S1、S2的方向；判明軸向合力指向及軸可能移動的方向，分析哪端軸承被“壓緊”，哪端軸承被“放松”；“放松”端的軸向載荷等于自身的派生軸向力，“壓緊”端的軸向載荷等于除去自身派生軸向力后其他軸向力的代數和。正裝時，軸向合力所指的軸承被“壓緊”：反裝時，軸向合力所指的軸承被“放松”：第八章滾動軸承－壽命計算對于能夠承受少量軸向力而α＝0的向心軸承：（如深溝球軸承，“6”類）FAFr1Fr2因為：α＝0,S1＝0，S2＝0所以：Fa＝FA圖中：Fa1＝0Fa2＝FAFa1Fa2第八章滾動軸承－壽命計算處于三支點靜不定狀態(tài)。5、同一支點成對安裝同型號角接觸軸承時若精確計算，需考慮軸承的變形及軸向力大小對支反力作用點的影響。簡化計算：將兩軸承視為整體（雙列軸承），Fr作用于中點，則：Fa1＝0

，Fa2＝FA；計算P時X、Y按雙列軸承查表?；绢~定靜載荷：角接觸球軸承：圓錐滾子軸承：單個軸承的基本額定靜載荷單個軸承的基本額定動載荷RV1RV2RH1RH2FRFAFTFr1Fr2第八章滾動軸承－例題例：一軸轉速為970r/min，軸頸直徑40mm，Fr1＝8000N，Fr2＝3600N，FA＝1000N，載荷有中等沖擊，常溫下工作，預期壽命10000小時，試選擇合適的滾動軸承。解：1）初選軸承類型及型號因載荷較大且有中等沖擊，故初選圓錐滾子軸承30208。12S1S2Fr1Fr2FA采用正裝排列，支承結構簡單。查《機械設計課程設計》P113得：C0r＝74000N，Cr

＝63000N2）計算當量動載荷P常溫下工作：查表8-5，ft

＝1因當量動載荷P的大小與軸承類型及型號有關查表8-8，中等沖擊，取fp

＝1.5關鍵是求Fa

和X、Y，而Fa

與S1

、S2有關第八章滾動軸承－例題12S1S2Fr1Fr2FA計算派生軸向力S1

、S2：查表8-9，S=Fr

/(2Y)

Y為Fa

/Fr>e時的軸向載荷系數由表8-7知Y與接觸角α有關（Y＝0.4cotα），從《機械設計課程設計》P113中直接查出：Y＝1.6，e＝0.37。S1

=Fr1

/(2Y)=8000

/(2×1.6

)＝2500NS2

=Fr2

/(2Y)=3600

/(2×1.6

)＝1125N計算軸向載荷Fa

：12S1S2FA合力向右，S2

＋FA＝1125＋1000＝2125N<S1＝2500N軸承1放松、軸承2壓緊。故：放松端Fa1

＝

壓緊端Fa2

＝＝2500－1000＝1500N而e＝1.5tanα

S1＝2500NS1－FA

第八章滾動軸承－例題確定系數X、Y（表8-7）：Fa1

/Fr1

＝2500/8000＝0.3125<e＝0.37故：查表8-7得X1＝1，Y1＝0Fa2

/Fr2

＝1500/3600＝0.417>e＝0.37對軸承1：

對軸承2：

故：查手冊

得X2＝0.4，Y2＝1.6P＝fp（XFr＋YFa）則當量動載荷P為：軸承1：

P1

＝fp（X1Fr1＋Y1Fa1）＝1.5（1×8000）＝12000N軸承2：

P2

＝1.5（0.4×3600＋1.6×1500）＝5760N注意：圓錐滾子軸承的e值與Fa

/C0r無關第八章滾動軸承－例題3）計算軸承壽命Lh

因P1>P2

，軸承1的壽命短，故只需計算軸承1的壽命。滾子軸承ε

＝10/3

Lh1

<10000h，故壽命不足?？筛倪x30308軸承，再計算。注意：此時Y不同，故P

會相應改變！P1

＝12000NP2

＝5760N“6”、“7”類軸承查“e”值和“Y”值時要用“線性插值法”第八章滾動軸承－靜強度計算§8-5滾動軸承的靜強度及極限轉速計算目的—防止軸承元件發(fā)生塑性變形對象—低速重載或受較大沖擊載荷作用的軸承基本額定靜載荷

C0：限制塑性變形的極限載荷值，查手冊對向心軸承為

C0r

－徑向基本額定靜載荷對推力軸承為

C0a－軸向基本額定靜載荷靜強度條件

：P0

－當量靜載荷S0

－靜強度安全系數，見表8-11徑向系數軸向系數X0、Y0－查表8-12靜強度計算：表征軸承的靜強度大小第八章滾動軸承－極限轉速計算目的—防止軸承元件發(fā)生磨損、膠合失效針對高速運轉的軸承限制條件

：nmax——最大工作轉速；極限轉速校核計算：nlim——滾動軸承的極限轉速，定值；f1——載荷系數，圖8-13(a)；f2——載荷分布系數，圖8-13(b)。第八章滾動軸承－組合設計§8-6滾動軸承支承部件的組合設計組合設計的內容包括：①軸向固定實際上是對整個軸系起固定作用，承受軸向力，

②調整③配合與裝拆④潤滑與密封一、滾動軸承的軸向固定組合設計合理與否將影響軸系的受力、運轉精度、軸承壽命及機器性能。重點：軸承的固定方法和調整。防止軸系發(fā)生軸向躥動。通常用軸承蓋來進行固定。常用三種固定方法：兩端固定一端固定、一端游動兩端游動（見§13-3及14-2）第八章滾動軸承－組合設計1、兩端固定這是最常見的固定方式。兩軸承的外圈都在單方向用軸承蓋固定。適合于工作溫升不高的短軸（跨距L≤400mm）考慮到軸的受熱伸長，應留出熱補償間隙C。對于深溝球軸承：2、一端固定、一端游動對于向心角接觸軸承：其軸向間隙可在軸承內部調整，其值比深溝球軸承小得多，查手冊。圖上可省略不畫。適合于工作溫升高的長軸（跨距L＞400mm）固定支點的軸承外圈左右均固定，承擔雙向軸向力。游動支點的軸承只承受徑向力，不承受軸向力。兩端固定時可采用：深溝球軸承（6）角接觸球軸承（7）圓錐滾子軸承（3）第八章滾動軸承－組合設計當軸受熱伸長時，游動支點隨軸一起向外移動，避免軸承受到附加載荷作用，防止軸承卡住。固定支點Fa

不大

→深溝球軸承（6）Fa

較大

→一對角接觸軸承（3、7）Fa

和Fr

均大

→推力與向心軸承組合游動支點深溝球軸承（6）－內圈軸向需固定圓柱滾子軸承（N）－內、外圈軸向均需固定注意：固定支點的內圈亦需進行軸向固定。為什么？為什么“N”類軸承作游動支點時外圈亦需軸向固定？為什么在“兩端固定”正裝結構中，內圈不需作軸向固定？“兩端固定”反裝結構中，內圈需作軸向固定。第八章滾動軸承－組合設計一根軸上的兩個軸承都不進行軸向固定。3、兩端游動主要用于人字齒輪傳動中的小齒輪軸。因為人字齒輪的左、右螺旋角不可能絕對相等，為使嚙合傳動時輪齒受載均勻，故應允許小齒輪軸系能做微量的軸向游動，以調整齒輪到正確的嚙合位置。此時，大齒輪軸進行了兩端固定。而小齒輪軸系，其軸向位置的約束靠人字齒的形鎖合來保證。軸承內圈緊固措施軸承外圈緊固措施二、滾動軸承組合的調整第八章滾動軸承－組合設計墊片調整1、間隙(游隙）的調整與控制為使軸承正常工作，裝配軸承時一般要留出適當的游隙或熱補償間隙。通過增、減墊片厚度來調整間隙。如何調整至規(guī)定間隙？螺釘調整用于軸向力不是太大的軸承組合。2、軸系部件位置的調整使軸上零件處于準確的工作位置。通常用墊片調整圓螺母調整小錐齒輪軸系兩種固定方式比較正裝－懸臂長，剛度小反裝－懸臂短，剛度大常用于反裝的角接觸軸承組合。第八章滾動軸承－組合設計3、角接觸軸承的預緊預緊－安裝時對軸承預先施加一軸向力（預緊力），目的

－受載后變形量小，提高回轉精度和支承剛度方法

－——同一支點成對安裝預緊結構常用于對回轉精度、支承剛度要求很高的設備。預緊力應適當，過大會引起軸承磨損、發(fā)熱、縮短壽命。消除內部游隙，并使套圈與滾動體的接觸點產生預變形。金屬墊片、磨窄套圈等第八章滾動軸承－組合設計內圈與軸頸1、滾動軸承的配合三、滾動軸承的配合及裝拆外圈與座孔只標注支承座孔的配合代號和公差等級—基孔制—基軸制由于滾動軸承是標準件0＋－dD0＋－/P0/P6/