滚动轴承设计

第15章滚动轴承设计第十五章滚动轴承设计§15.5静强度计算§15.4寿命计算§15.3受力分析、失效形式§15.2类型及选择§15.1概述§15.6组合结构设计教师：王志伟上次课简要回顾（蜗杆传动）1、蜗杆传动啮合齿面间相对滑动速度大，传动效率低（1）要求蜗杆蜗轮的材料组合具有良好的减摩和耐磨性能及抗胶合性能。（2）蜗杆传动需要有较好的润滑及散热能力，设计时需要进行热平衡计算。2、蜗杆传动的设计计算（1）蜗轮齿面接触疲劳强度计算2222212123.253.25HEEHKTKTZZddmdz≤221223.25[]EHZmdKTz≥校核公式：设计公式：（2）蜗轮齿根弯曲疲劳强度计算校核公式：2121.7FFFKTYYddm≤22121.7[]FFKTmdYYz设计公式：（3）蜗杆的刚度计算刚度条件：2231148trFFyLyEI≤开式蜗杆传动：按齿根弯曲疲劳强度进行设计。闭式蜗杆传动：按齿面接触疲劳强度进行设计，校核齿根弯曲疲劳强度。因闭式蜗杆传动散热较困难，故需进行热平衡计算。而当蜗杆轴细长且支承跨距大时，还应进行蜗杆轴的刚度计算。上次课简要回顾（蜗杆传动）滚动轴承的主要特点：缺点：抗冲击能力差，工作寿命不及润滑良好的滑动轴承，工作时有噪音。优点：摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便、易于互换轴承是用来支承轴或轴上回转零件的部件；根据工作时摩擦性质的不同，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。第一节概述内、外圈（套圈）上制有弧形滚道，用以限制滚动体的轴向移动，并可降低滚动体与内、外圈上的接触应力。第一节概述一、滚动轴承的基本结构第一节概述第一节概述第一节概述第一节概述保持架有冲压保持架和实体保持架两种类型。二、滚动轴承的常用材料滚动轴承的内、外圈及滚动体采用强度高、耐磨性好的轴承铬锰碳钢制造，例如GCr15（G表示滚动轴承钢）、GCr15SiMn等，热处理后工作表面硬度可达60～65HRC。冲压保持架：一般用低碳钢板冲压制成，它与滚动体间有较大间隙，工作时噪声较大。保持架第一节概述实体保持架：用铜合金、铝合金或酚醛树脂等制成，与滚动体间的间隙较小，允许轴承有较高转速。第二节滚动轴承的主要类型及选择1．公称接触角α角的大小反映了轴承承受轴向载荷的能力。α角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。一．滚动轴承的结构特性2．轴承的游隙轴承的游隙分为径向游隙ur和轴向游隙ua。表示一个套圈固定，另一个套圈沿径向或轴向由一个极限位置到另一极限位置的移动量。轴承所需游隙大小选择依据：轴承与轴承孔之间配合的松紧程度、温差大小、轴的挠曲变形大小以及轴的回转精度要求。轴承标准中将径向游隙值分为基本游隙组和辅助游隙组，应优先选用基本游隙组值。轴向游隙值由径向游隙值按一定关系换算得到。第二节滚动轴承的主要类型及选择3．角偏位和偏位角轴承内、外圈轴心线间的相对倾斜称为角偏位，相对倾斜时两轴心线所夹的锐角θ称为偏位角。轴承具备角偏位的能力，使轴承能够补偿因加工、安装误差和轴的变形造成的内、外圈轴线的倾斜。其中角偏位能力大的轴承，调心功能强，故称为调心轴承。第二节滚动轴承的主要类型及选择二、滚动轴承的主要类型球轴承的滚动体为球，与内、外圈是点接触，运转时摩擦损耗小，但承载能力和抗冲击能力差。第二节滚动轴承的主要类型及选择按滚动体的不同分类球轴承滚子轴承滚子轴承的滚动体为滚子，与内、外圈是线接触，承载能力和抗冲击能力大，但运转时摩擦损耗大。第二节滚动轴承的主要类型及选择按承受外载荷方向分类向心轴承（α≤45°）推力轴承（α＞45°）径向接触轴承（α=0°）角接触向心轴承（0°＜α≤45°）角接触推力轴承（45°＜α＜90°）轴向接触轴承（α=90°）主要区别：承受轴向外载荷的能力三、滚动轴承的性能和特点◆按轴承的结构形式不同分类：在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准件的滚动轴承，在国家标准中分为13种，其中，最为常用的轴承大约有下列６种:深沟球轴承圆柱滚子轴承推力球轴承角接触球轴承圆锥滚子轴承调心球轴承第二节滚动轴承的主要类型及选择1、径向接触轴承（α=0°）第二节滚动轴承的主要类型及选择（1）深沟球轴承类型代号：6承载方向：主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷极限转速：高角偏位能力：2′～10′使用条件：刚性较大的轴（2）外圈无挡边圆柱滚子轴承类型代号：N额定负荷比：1.5～3极限转速：高角偏位能力：2′～4′使用条件：刚性较大的轴承载方向：仅能承受径向载荷2、角接触向心轴承（0°＜α≤45°）第二节滚动轴承的主要类型及选择（1）角接触球轴承类型代号：77000C型α=15°、7000AC型α=25°、7000B型α=40°承载方向：可同时承受径向载荷及单向轴向载荷极限转速：高角偏位能力：2′～10′使用条件：刚性较大及跨距不大的轴（2）圆锥滚子轴承类型代号：3额定负荷比：1.1～2.5极限转速：中角偏位能力：2′，游隙可调使用条件：刚性较大的轴承载方向：承受较大径向及轴向载荷3、调心轴承（外圈滚道为球面）第二节滚动轴承的主要类型及选择（1）调心球轴承类型代号：1承载方向：可同时承受径向载荷及少量双向轴向载荷极限转速：中角偏位能力：1.5°～3°使用条件：刚性小及难以对中的轴（2）调心滚子轴承额定负荷比：1.8～4极限转速：低角偏位能力：1.5°～3°使用条件：其他轴承不能胜任的重负荷承载方向：可同时承受径向载荷及少量双向轴向载荷额定负荷比：0.6～0.93、调心轴承（外圈滚道为球面）（1）调心球轴承类型代号：24、角接触推力轴承（45°＜α＜90°）第二节滚动轴承的主要类型及选择类型代号：2承载方向：可同时承受轴向载荷及少量径向载荷极限转速：中角偏位能力：2°～3°使用条件：轴向负荷大及要求调心场合，如大型立式水轮机额定负荷比：1.2～1.6（1）推力调心滚子轴承5、轴向接触轴承（α=90°）第二节滚动轴承的主要类型及选择（1）推力球轴承类型代号：5承载方向：仅能承受轴向载荷极限转速：低角偏位能力：不允许使用条件：轴向负荷大且速度较低场合额定负荷比：1单向推力球轴承：51000型双向推力球轴承：52000型前置代号基本代号后置代号轴承的分部件代号内部结构代号密封与防尘结构代号保持架及其材料代号特殊轴承材料代号公差等级代号游隙代号多轴承配置代号其它代号五四三二一类型代号尺寸系列代号内径代号宽度系列代号直径系列代号滚动轴承代号构成：代号用于表征滚动轴承的结构、尺寸、类型、精度等，由GB/T272规定。前置代号——表示轴承的分部件。基本代号——表示轴承的类型与尺寸等主要特征。后置代号——表示轴承的精度与材料的特征。四、滚动轴承的代号表示第二节滚动轴承的主要类型及选择五四三二一◆内径代号：内径代号×5=内径，如：08表示轴承内径d=5×08=40mm。内径d10121517代号00010203特殊情况：◆类型代号：常用轴承代号为3、5、6、7、N、1六类◆尺寸系列代号但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。直径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。表示相同内径和外径的同类型轴承在宽度方面的变化系列。8（特窄），0（窄），1（正常），2（宽），3、4、5、6（特宽）表示相同内径的同类型轴承在外径和宽度方面的变化系列。第二节滚动轴承的主要类型及选择类型代号尺寸系列代号内径代号直径系列代号宽度系列代号：一般宽度为“0”，通常不标注。宽度系列代号轴承代号示例6308：6─深沟球轴承，3─中系列，08─内径d=40mm；N105：N─圆柱滚子轴承，1─特轻系列，05─内径d=25mm；7214AC：7─角接触球轴承，2─轻系列，14─内径d=70mm，公称接触角α=25°；30213：3─圆锥滚子轴承，2─轻系列，13─内径d=65mm，0─窄宽度(0不可省略)；6103：6─深沟球轴承，1─特轻系列，03─内径d=17mm；第二节滚动轴承的主要类型及选择五、滚动轴承类型选择应考虑的问题1．承受载荷情况2．尺寸的限制3．转速的限制4．调心性要求方向：向心轴承用于受径向力；推力轴承用于受轴向力；向心推力轴承用于承受径向力和周向力联合作用。大小：滚子轴承或尺寸系列较大的轴承能承受较大载荷；球轴承或尺寸系列较小的轴承则反之。当对轴承的径向尺寸有较的严格限制时，可选用滚针轴承。球轴承和轻系列的轴承能适应较高的转速，滚子轴承和重系列的轴承则反之；推力轴承的极限转速很低。调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求。第二节滚动轴承的主要类型及选择一、滚动轴承的受力分析第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则轴向载荷：径向载荷：处于FR作用线最下端的滚动体承载最大，而远离作用线的各滚动体，其承载逐渐减小。结论：轴承在工作过程中，各元件均受变载作用。各滚动体所受载荷是均等的。位于上半圈的滚动体不受载荷（非承载区）位于下半圈的滚动体受力（承载区）。2．轴承工作时套圈与滚动体的应力分析滚动体：进入承载区后，所受载荷及接触应力即由零逐渐增到最大值，然后再逐渐减小到零。就滚动体上某一点而言，由于滚动体的不断滚动，它的载荷和应力是按周期性不稳定脉动循环变化的。转动套圈：受力情况与滚动体相似，就其滚道上某一点而言，处于非承载区时，载荷及应力为零。进入承载区后，每与滚动体接触一次，就受载一次，且在不同接触位置载荷值不同。不转的套圈：滚道上每一个具体点，每当滚过一个滚动体时，便承受一次载荷，其大小是不变的。总之，滚动轴承是在变应力状态下工作的。第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则二、失效形式和计算准则滚动轴承的主要失效形式疲劳点蚀塑性变形滚动轴承的计算准则疲劳点蚀，进行轴承寿命的计算（n＞10r/min）塑性变形，进行轴承静强度的计算（n≤10r/min）磨损、胶合，进行疲劳寿命计算，再校验其极限转速第三节滚动轴承的受力分析、失效形式及计算准则磨损磨损胶合塑性变形疲劳点蚀第四节滚动轴承的寿命计算一、滚动轴承的基本额定寿命轴承的寿命：滚动轴承中任一元件首次出现疲劳点蚀前，轴承运转的总转数或工作的小时数。轴承的寿命很离散，因而在计算轴承寿命时，应与一定的可靠度相联系。对于一般设备中的滚动轴承，通常规定可靠度为90%。1009080706050403020100151020未失效轴承数量／%轴承的寿命/（106r）基本额定寿命：一批同型号的轴承在相同的条件下运转，其中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的总转数或工作小时数称为轴承的基本额定寿命。以L10（单位为106转）或L10h（单位为h）表示。（两方面意义）二、滚动轴承的基本额定动载荷基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。衡量轴承承载能力的主要指标。对于向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，用Cr表示；对于推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载荷，用Ca表示；对于角接触球轴承和圆锥滚子轴承，指的是使轴承套圈间仅产生纯径向位移的载荷之径向分量。基本额定动载荷C为标准值，可查设计手册。第四节滚动轴承的寿命计算三、滚动轴承的寿命计算公式轴承的额定寿命与轴承所受载荷的大小有关。轴承的载荷—寿命曲线关系式：PεL10=常数式中：P为当量动载荷，单位为N；L10为基本额定寿命，单位为106转；ε为寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。当L10=1（即106转）时，轴承的当量动载荷为基本额定动载荷。)10(610rPCL　　)(60106hPCnLh　　　或于是：PεL10=Cε×1，由此可得：第四节滚动轴承的寿命计算从标准或手册中查出的基本额定动载荷值，是工作温t≤120℃的一般轴承的额定动载荷值。当轴承工作温度t＞120℃时，应将查得的基本额定动载荷C减小，为此引入温度系数ft对其加以修正。此外考虑到机器的起动、停车、冲击和振动对当量动载荷P的影响，引入载荷系数fp对其加以修