《机械设计》讲义(第八版)濮良贵(第13章)

《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承100第十三章滚动轴承§１３—１概述：1．优点：（与滑动轴承相比）摩擦小，功耗低，起动、正反转容易。2．滚动轴承的结构：P.307.图13-11）内圈：装在轴颈上，一般随轴颈转动。2）外圈：装在轴承座中，一般固定。3）滚动体：处于内外圈之间，将内外圈的相对转动变成滚动体在滚道上的滚动。4）保持架：均匀地隔开滚动体，有二种：冲压型：用低碳钢板冲压而成，它与滚动体的间隙较大。实体型：经切削加工而成，定心作用较好。3．常用的滚动体：六种4．轴承设计：滚动轴承已标准化，由专业厂大批生产。本章仅讨论轴承的选型、安装、调整、润滑、密封等问题。§１３—２滚动轴承的主要类型及其代号：一．主要类型、性能与特点：1．类型1）向心轴承：主要承受径向载荷的轴承2）推力轴承：只能承受轴向载荷的轴承。3）向心推力轴承：能同时承受径向和轴向载荷的轴承。2．接触角α、载荷角β：1）α：向心推力轴承的滚动体与外圈滚道接触点处的法线nn与半径方向的夹角。球圆柱滚子滚针圆锥滚子球面滚子非对称球面滚子NNFFarβα接触角与载荷角《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承1012）β：轴承实际承受的径向载荷R与轴向载荷A的合力与半径方向的夹角。5．性能与特点：滚动轴承类型很多，常用轴承性能及特点，见：P.309.表13-1.二．滚动轴承的代号：滚动轴承类型很多，每种类型又有多种不同的结构，尺寸及公差等级，为统一表征各类轴承的特点，GB/T272-1993规定轴承代号由以下三部分组成：前置代号基本代号后置代号P.311.表13-2.1．基本代号：由五位组成：五四三二一类型代号宽度系列直径系列内径代号1）内径代号：表示轴承的内径（mm）①代号0001020304～99内径1012151720～495（代号×5）②内径＜10或＞500时另有规定，可见GB/T272-19932）直径系列：表示结构、内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化，共9个代号7、8、9、0、1、2、3、4、5系列外径依次增大P.312.图13-43）宽度系列：表示结构、内径、直径系列都相同的轴承在宽度方面的变化①O表示正常宽度系列：a.一般轴承，表示正常宽度的O可不标b.对调心及圆锥滚子轴承，代号O应标出②直径系列中也含轴承宽度，但该宽度是随直径的相应变化注：直径系列代号和宽度系列代号统称为尺寸系列代号4）类型代号：表示轴承的类型（数字或字母）。以下几种应记住1──调心球轴承3──圆锥滚子轴承6──深沟球轴承7──角接触球轴承N──圆柱滚子轴承6110621063106410图13-4直径系列的对比《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承1022．后置代号：用数字或字母表示轴承的结构,公差及材料的特殊要求,很多(P.304.表13-2)以下仅介绍几个常用代号1）内部结构代号：（字母）表示同类轴承的不同内部结构。如：角接触球轴承代号CACB接触角15°25°40°2）公差等级代号：表示公差等级，共6级代号/P2/P4/P5/P6/P6x/P0公差等级2级4级5级6级6x级0级（精度渐低）（0级为普通级，在轴承代号中不标）3）游隙代号：表示轴承的径向游隙，共6个组别代号/C1/C2/C0/C3/C4/C5游隙组别1组2组0组3组4组5组（径向游隙渐大）（0组是常用游隙组别，在轴承代号中不标）3．前置代号：用字母表示轴承的分部件（套圈、滚动体与保持架组件等）。4．说明：轴承代号复杂，但对无特殊要求的一般轴承，代号较简单。例：6308──内径为40mm、尺寸系列为03、正常结构、0级公差、0组游隙的深沟球轴承。7211C/P5──内径为55mm、尺寸系列为02、接触角α=15°、5级公差、0组游隙的角接触球轴承§１３—３滚动轴承类型的选择：选用轴承时，首先是选择轴承类型，此时应考虑的主要因素：一．轴承的载荷：1．载荷的大小：1）较大载荷：滚子轴承（线接触，承载能力大）2）中小载荷：球轴承（转动灵活，价低）2．载荷方向：1）纯轴向载荷：推力轴承。《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承1032）纯径向载荷：向心轴承（深沟球轴承，圆柱滚子轴承，滚针轴承）3）径、轴向载荷同存：向心推力轴承（深沟球、角接触球、圆锥滚子轴承）二．轴承的转速：极限转速nlim：轴承样本中列出了各种轴承的极限转速nlim。它是下列条件下的值：①载荷不太大（P≤0.1C，P、C──当量、基本额定动载荷）②冷却条件正常③O级公差轴承时的最大允许转速1．球轴承的nlim＞滚子轴承的。（n较高时，宜用球轴承）2．同内径下，外径↓，nlim↑（n较高时，宜用同系列中外径较小的）3．实体保持架的nlim＞冲压保持架的4．推力轴承的nlim均很低：n较高，轴向力较小时，宜用角接触球轴承5．n＞nlim时的措施：①提高公差等级②增大游隙③改善润滑三．轴承的调心性能：轴中心线与轴承座中心线有偏斜，或轴的刚度较小，受载挠曲较大时，轴承的内外圈轴线将发生偏斜，此时，应用有调心性能的调心轴承。如：调心球轴承（10000型）调心滚子轴承（20000型）四．轴承的安装和拆卸：选用的轴承应便于装拆。如：装在长轴上的轴承宜用内圈轴孔有锥度（1:12）的轴承。§１３—４滚动轴承的工作情况一．轴承工作时轴承元件上的载荷分布：以受径向力Fr作用的向心球轴承为例：1．假设：受载后内外圈的几何形状不变，仅内圈下沉了一个距离δo，则受载后的接触变形量为：《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承1041）Fr作用线上最大，为δo2）两边渐小，为δi=δocos(iγ)2．接触载荷FN：1）Fr作用线上最大，两边渐小，即：FN0＞FN1＞FN2∵接触载荷近似正比于接触变形量的大小2）FNi的向量和等于径向外载Fr，即：3．承载区：滚动体从开始受力到受力终所经过的区域。理论上为180°，但由于存在游隙，实际承载区＜180°二．轴承工作时各轴承元件上的载荷及应力变化：固定套圈：轴承内、外圈中的固定者。转动套圈：轴承内、外圈中的转动者。1．滚动体：1）宏观：进入轴承区后，载荷由0↗FN2↗FN1↗FNo↘FN1↘FN2↘02）微观：滚动体一点的载荷和应力作周期不稳定变化2．固定套圈：其上任一点的载荷和应力作稳定脉动循环。1）点在承载区中的位置不同，受到的载荷也不同。2）对任一具体的点，滚动体每滚过一次便受载一次，其载荷大小是恒定的。3．转动套圈：其上任一点的载荷和应力作周期性不稳定变化进入承载区的任一点，与某滚动体接触时，载荷：0↗某值↘0。在下次与另一滚动体接触时，载荷再：0↗另一值↘0。三．轴向载荷对载荷分布的影响角接触球轴承或圆锥滚子轴承的受力情况，以圆锥滚子轴承为例说明如下：1．受力分析：在径向载荷Fr作用下，沿外圈滚道的法线方向各滚动体反力FNi´可分解成：FNi´径向分力：FNi轴向分力：Fdi=FNitgα，0FFrNiFFFN2N1N0FN1N2FFrδδ1δ20γ2γ图13-6向心轴承中径向载荷的分布N2FN2FFN1FN1FN0rF《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承105按力平衡原理，反力分量与外载有如下关系：1）FNi的向量和与Fr相平衡，即：2）Fdi的数量和等于Fa，即：∑Fdi=∑FNitgα=Fa3）滚生轴向力Fd：所有轴承反力FNi´的轴向分力之和即：Fd=ΣFdi=ΣFNitgα2．仅最下方的一个滚动体受载时：记FN、Fd为该受载滚动体反力FN´的径、轴向分力，则按力平衡条件应有：FN=FrFd=FN·tgα=Fa=Fr·tgβ于是：tgβ=tgα（即与载荷角β应于等接触角α）3．受载滚动体多于一个时：∵ΣFNi＞Fr多边形的任一边长小于其余各边的长度和∴Fd=ΣFdi=ΣFNitgα＞Frtgα于是：tgα＜Fd/Fr=Fa/Fr=tgβ（即此时载荷角β大于接触角α）4．结论：1）角接触球轴承和圆锥滚子轴承必须在径、轴向载荷联合作用下工作。2）要保持较多的滚动体同时受载，应使Fa＞Frtgα，即应β＞α。3）同一个轴承，在同样的径向载荷作用下，轴向载荷不同，受载滚动体数也不同。①tgβ=tgα（即Fa=Frtgα）时，仅一个滚动体受载。②tgβ≈1.25tgα（即Fa≈1.25Frtgα）时，下半圈的滚动体都受载。③tgβ≈1.7tgα时，整圈滚动体才全部受载。§１３—５滚动轴承尺寸的选择：一．滚动轴承的失效形式及基本额定寿命：1．失效形式：1）正常失效形式：滚动体或内外圈滚道受接触变应力作用而点蚀。2）其它失效形式：①润滑不良使轴承烧伤。②润滑油不洁使滚动体和滚道过度磨损。αaFrFβFFNidiF′Ni图13-8圆锥滚子轴承的受力0FFrNi《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承106③装配不当使轴承卡死、胀破等。注：后种失效是可避免的，所以计算时仅考虑前种失效。2．寿命：1）寿命：轴承点蚀破坏前一套圈相对另一套圈的转数。注：由于制造精度及材料均质性等差异，同材料、同尺寸且同批生产的轴承，在完全相同的条件下工作，寿命差异极大，可达几倍～几十倍。所以笼统的“寿命”无多大意义，应：2）基本额定寿命L10：一组轴承中90%的轴承未发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数。注：L10是概率寿命，表示一组轴承的90%能在L10后继续正常工作。3）预期计算寿命Lh′：设计机器时所要求的轴承寿命。注：Lh′须按机器类型、使用条件及可靠性要求等确定。经验推荐值见：P.318.表13-3.二．滚动轴承的基本额定动载荷C：显然，载荷↑，接触应力↑，点蚀前能经历的应力变化次数↓，轴承寿命↓基本额定动载荷C：使轴承的基本额定寿命正好为106转时，轴承所能承受的载荷。1．对向心轴承：C为纯径向载荷，叫径向基本额定动载荷，记为Cr2．对推力轴承：C为纯轴向载荷，叫轴向基本额定动载荷，记为Ca3．对角接触球轴承或圆锥滚子轴承：C指使套圈间产生纯径向位移的载荷的径向分量。注：C可从轴承样本中查取。三．滚动轴承寿命的计算公式：设：C、P是轴承的基本额定动载荷和当量动载荷（下述）则：P=C时，基本额定寿命L10正好为106转，但P≠C时，L10=？又：若已知P，则C=？的轴承才能具有预期计算寿命Lh′1．已知C、P，计算轴承的寿命——校核：实验表明，L10、C和P三者有如下关系：《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承107ε──寿命指数，对球轴承：ε=3；对滚子轴承：ε=10/3若轴承转速为n(r/min)，则轴承寿命可用工作小时数Lh表示如下：2．已知P、n及Lh′，计算轴承所需的基本额定动载荷C——设计：3．温度系数ft:轴承样本中列出的C是常温下的值，在较高温度（＞120oC）下工作时，C值有所下降，记作Ct:Ct=ft·C（13-7）1）ft──温度系数，P.320.表13-4.2）将Ct代入式（13-4～6），即得高温轴承计算式。四．滚动轴承的当量动载荷P：当量动载荷P：指实际载荷在确定基本额定动载荷的相同条件下的当量值。载荷系数fP：考虑载荷波动、机器惯性及受载变形等影响，P.321.表13-6.1．对受Fr和Fa联合作用的向心推力轴承：P=fP(XFr+YFa)(13-8a)X、Y──径向、轴向载荷系数，P.321.表13-5.2．对只能承受纯径向力Fr的轴承：P=fPFr（13-9a）3．对只能承受纯轴向力A的轴承：P=fPFa（13-10a）五．角接触球轴承和圆锥滚子轴承的径向载荷Fr与轴向载荷Fa的计算：角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向外载Fre时，要产生派生轴向力，为保证它们正常工作，通常都成对使用，如：P.323.图13-13.1．压力中心，轴承标号：4)-(13)(10)PC(L610转5)-(13)PC(n6010n60L10L6106h6)-(13N10Ln60PC6h《机械设计》（第八版）濮良贵主编第十三章滚动轴承1081）压力中心：轴承反力与轴心线的交点。注：由于两轴承支点距离较大，一般