08滚动轴承的选择与校核

第八章滚动轴承§8-1概述§8-2滚动轴承的主要类型及其代号§8-3滚动轴承的选择§8-4滚动轴承的工作情况及设计约束§8-5滚动轴承的校核计算滚动轴承：依靠其主要元件间的滚动接触来支承转动或摆动零件。§8-1概述滚动轴承是标准件，主要掌握合理选择合理使用构造内圈外圈滚动体保持架保持架：滚动体：外圈：内圈：装在轴上。装在轴承座孔中。在两套圈之间滚动并传递载荷。将滚动体均匀隔开。常见滚动体有：球滚子：圆柱形、滚针、圆锥形、球面、非对称球面、螺旋等滚动轴承的主要优点：滚动轴承的主要缺点：摩擦力矩和发热较小。维护比较方便，润滑剂消耗较少。轴承单位宽度的承载能力较大。大大减少有色金属的消耗。径向外廓尺寸比滑动轴承大。接触应力高，承受冲击载荷能力较差，高速重载时寿命低。小批生产特殊的滚动轴承时成本较高。减振能力比滑动轴承低。◆按接触角的大小和承受载荷的方向，滚动轴承分为两类：§8-2滚动轴承的主要类型及其代号一、滚动轴承的主要类型、性能和特点◆按滚动体的形状，滚动轴承分为球轴承和滚子轴承。向心轴承和推力轴承。向心轴承，其公称接触角从0o到45o，又可分为：接触角α：滚动体与套圈接触处的法线与轴承径向平面之间的夹角。α↑，承受轴向力的能力↑。径向接触轴承和向心角接触轴承。径向接触轴承，公称接触角＝0o的向心轴承，主要承受径向载荷（如圆柱滚子轴承）。其中，公称接触角＝0o的球轴承（如深沟球轴承），除主要承受径向载荷外，也能承受较小的轴向载荷。◆推力轴承向心角接触轴承，公称接触角从0o到45o的向心轴承，同时承受径向载荷和单向的轴向载荷（如角接触球轴承）。其公称接触角从45o到90o，分为：轴向接触轴承，公称接触角＝90o的推力轴承，只能承受轴向载荷。推力角接触轴承，公称接触角从45o到90o的推力轴承，主要承受轴向载荷，但也能承受一定的径向载荷。推力调心滚子轴承◆按自动调心性能，滚动轴承分为自动调心轴承和非自动调心轴承。◆按结构形式不同，标准滚动轴承有很多类，最常用的有六类:深沟球轴承（6）圆柱滚子轴承（N、NN）推力球轴承（5）角接触球轴承（7）圆锥滚子轴承（3）调心球轴承（1）调心滚子轴承（2）滚针轴承（NA)向心角接触轴承径向接触轴承推力圆柱滚子轴承（8）轴向接触轴承类型代号成对使用，对称安装滚动轴承主要类型及其代号6深沟球轴承L直线轴承5推力球轴承U外球面球轴承4双列深沟球轴承NA滚针轴承3圆锥滚子轴承N、NN圆柱滚子轴承29推力调心滚子轴承9推力圆锥滚子轴承2调心滚子轴承8推力圆柱滚子轴承1调心球轴承7角接触球轴承0双列角接触球轴承代号轴承类型代号轴承类型§13-2滚动轴承的代号前置代号基本代号后置代号成套轴承分部件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承配置代号其它代号×××××类型代号尺寸系列代号内径代号宽高度系列代号直径系列代号滚动轴承代号构成：用代号表示轴承的结构、尺寸、类型、精度等内容，并打印在轴承上。二、滚动轴承的代号1.基本代号◆内径代号：代号0001020304～96内径d10121517代号×5由轴承内径代号和组合代号组成。基本代号用来表明轴承的内径、直径系列、宽（或高）度系列和类型。基本代号×××××类型代号尺寸系列代号内径代号宽高度系列代号直径系列代号直径系列：结构、内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化系列。宽（或高）系列：结构、内径和直径系列都相同的轴承，在宽（或高）度方面的变化系列。◆直径系列代号和宽（或高）度系列代号统称为尺寸系列代号：直径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。宽度系列为0系列（窄系列）时，或宽度系列为1系列（正常系列）时，代号为“0（或1）”，省略不标。对于调心滚子轴承（2类）、圆锥滚子轴承（3类）和圆柱滚子轴承（N类），宽（或高）度系列代号0或1应标出。无论哪类轴承，只要用（）的0或1都不标出。3.后置代号2.前置代号表示轴承的分部件，用字母表示。如：LN207表示N207轴承的外圈可分离；K81107表示推力圆柱滚子轴承81107的滚子、保持架组件。用字母和数字表示轴承的结构、公差及材料的特殊要求等等。◆内部结构代号是用表示同一类型轴承的不同内部结构，用字母紧跟基本代号表示。如：公称接触角为15、25和40度的角接触球轴承，分别用C、AC和B表示内部结构不同。◆公差等级代号：分为2级、4级、5级、6级、6x级和0级。代号为/P0、/P6x、/P6、/P5、/P4、/P2。代号：/C1、/C2、0、/C3、/C4、/C5。低级高级游隙值：小大0级为普通级、省略0组省略。◆游隙代号：游隙：指一个套圈相对于另一个套圈，沿径向或沿轴向，从一个极限位置到另一个极限位置的移动量。游隙分为1组、2组、0组、3组、4组、5组，共六个组别。仅用于圆锥滚子轴承6308：深沟球轴承，3─中系列，内径d=40mm，公差为0级，游隙为0组；N105/P53：圆柱滚子轴承，1─特轻系列，内径d=25mm，公差为5级，游隙为3组；7214AC/P4：7─角接触球轴承，2─轻系列，内径d=70mm，公差为4级，游隙为0组，公称接触角α=25°；30213：圆锥滚子轴承，2─轻系列，内径d=65mm，公差为0级，游隙为0组；注：遇到看不懂的代号时，查阅GB/T272-93。设计滚动轴承部件时，需要：§8-3滚动轴承的选择选择轴承类型时，需要考虑：（1）正确选择出能满足约束条件的滚动轴承，包括：A合理选择轴承。B校核所选出的轴承是否能满足疲劳强度、转速、静强度及经济等方面的约束。（2）进行滚动轴承部件的组合设计。一、类型选择轴承的工作条件、各类轴承的特点、价格等因素。1）轴承所受载荷的大小、方向和性质当FA很大而FR较小时，选2或N或6＋5或8组合使用。当FR很大而FA较小时，可选6类。只受FR时，选径向接触轴承（6、N、NA）。只受FA时，选轴向接触轴承（5、8）。同时受FR和FA时，选向心角接触轴承（7、3）。选择轴承类型时，主要考虑的问题有：（1）载荷的大小和性质球轴承适宜于中小载荷及载荷波动较小的场合；滚子轴承则可用于重载荷及载荷波动较大的场合。（2）载荷的方向转速高、载荷小或要求旋转精度高时，宜选球轴承。推力轴承不适宜高转速，若轴向载荷不大，可用7类代替。3）调心要求轴的刚度低、轴承座孔的同轴度低、支点跨度大、多支点轴或因轴受力大造成很大的弯曲或倾斜时，会造成轴承的内、外圈轴线发生偏斜，此时选调心轴承。2）轴承的转速转速低、载荷大或有冲击载荷时，选用滚子轴承。5）经济性精度高的价格高，滚子轴承比球轴承价格高。4）轴承的安装和拆卸当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，优先选用内外圈可分离的轴承（N、NA、3）。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1：12的圆锥孔的轴承。二、尺寸系列、内径等的选择尺寸系列包括直径系列和宽度系列。就直径系列而言，载荷很小时，一般可以选择超轻或特轻系列。而载荷很大时，可以选择重系列。一般情况下选用轻系列或中系列，待校核后根据具体情况进行调整。就宽度系列而言，一般可以选择正常系列。若结构上有特殊要求时，可根据具体情况选用其他系列。轴承内径根据轴颈直径初步确定。公差等级一般选0级，若有特殊要求，根据具体情况再定。§8-4滚动轴承的工作情况及设计约束外载荷作用于轴承上是通过滚动体由一个套圈传递给另一个套圈的。一、滚动轴承的载荷分布滚动轴承的载荷分布与各个滚动体在接触处的弹性变形有关。每个滚动体所承受载荷的大小，取决于接触处的弹性变形。2/3maxmax)/(/QQ点接触：08.1maxmax)/(/QQ线接触：根据赫兹公式，可得以下的载荷分布。式中，为所在位置处的滚动体载荷；Qmax为最大滚动体载荷（图8-3）；为在位置处的滚动体位移；为最大位移（图8-3）。Qmax根据滚动体受力与外载荷平衡的条件，可求得到Qmax与径向力Fr及轴向力Fa之间的关系。)cos/(37.4maxZFQr点接触：)cos/(06.4maxZFQr线接触：Z为滚动体数目。若所考察的轴承为半周承受载荷（图8-4中＝0.5），可求得：二、轴承工作时元件上载荷及应力的变化工作时内圈上的任意一点，在承受载荷区，每次与滚动体接触就受载荷一次，因此该点的载荷和应力是周期性变化的。外圈各点所受载荷随位置不同而大小不同，且外圈固定，在承受载荷区的任意一点，每次与滚动体接触就受载荷一次，且所受载荷最大值不变，承受稳定的脉动载荷。滚动体工作时，有自转和公转，其上任意一点，所受载荷和应力也是变化的，其变化规律与内圈相似，只是变化频率增加。主要失效形式有：1）疲劳点蚀：是最常见的失效形式。滚动体和套圈滚道承受循环接触应力。点蚀使轴承产生振动和噪音而失效。点蚀三、滚动轴承失效形式和设计约束2）塑性变形：对于转速很低或间歇摆动的轴承，会因过大的载荷或冲击载荷，使滚动体或内、外圈滚道产生塑性变形，形成不均匀的凹坑。3）磨粒磨损、粘着磨损（胶合）：多尘条件下工作的轴承，易产生磨粒磨损。润滑不良的高速轴承，易产生粘着磨损（胶合）。磨损胶合轴承在不同工况下其主要失效形式不同：中速运转，主要失效形式是疲劳点蚀，按疲劳寿命进行校核计算。高速运转，主要失效形式是过渡磨损和烧伤，除进行疲劳寿命进行校核计算外，还要校核其极限转速。低速运转或不转动，主要失效形式是过大的塑性变形，按静强度进行校核计算。此外，轴承组合结构设计要合理，保证充分的润滑和可靠的密封，对提高轴承的寿命和保证正常工作是非常重要的。§8-5滚动轴承的校核计算轴承的寿命：对于单个滚动轴承来说，在套圈、滚动体材料首次出现疲劳点蚀之前，一套圈相对另一套圈所能运转的转数。一、滚动轴承的疲劳寿命计算1.基本额定寿命和基本额定动载荷轴承寿命的离散性是相当大的（见右图）。1009080706050403020100151020未失效轴承数量／%轴承的寿命/（106r）基本额定寿命L10：一批相同的轴承，在相同条件下运转，其中90％轴承不发生疲劳点蚀以前能运转的总转数，或在一定转速下所能运转的总工作小时数。基本额定动载荷C：轴承的基本额定寿命为106转时，轴承所能承受的动载荷。径向接触轴承的C是径向载荷，用Cr表示。向心角接触轴承的C是所受载荷的径向分量，也用Cr表示。轴向接触轴承的C是中心轴向载荷，用Ca表示。L10的可靠度R＝90％。6208轴承的载荷－寿命曲线：2.滚动轴承疲劳寿命计算的基本公式该曲线公式表示为：)10()(610转PCLε为寿命指数，对于球轴承ε＝3；对于滚子轴承ε＝10/3。式中，P为当量动载荷（N）。实际计算中，用小时数表示比较方便。令转速为n（r/min），则)()(60106hPCnLh寿命计算时，引入温度系数ft，则)10()(610转PCfLt)()(60106hPCfnLth常以设备的中修期或大修期作为轴承的设计寿命。疲劳寿命校核计算应满足的约束条件为：'hhLL式中，Lh’为轴承预期计算寿命，见表8－6。滚动轴承的寿命计算23.滚动轴承的当量动载荷当量动载荷：是由轴承实际所受载荷转换得到的假想载荷，它与基本额定动载荷C的确定条件及性质相同，用P表示。arYFXFP当量动载荷式中：Fr、Fa—分别为轴承承受的径向载荷和轴向载荷；X、Y—分别为轴承的径向载荷系数与轴向载荷系数；对只能承受纯径向载荷的向心圆柱滚子轴承、滚针轴承、螺旋轴承：rFP对只能承受纯轴向载荷的推力轴承：aFP根据机器的实际工作情况，引入载荷系数fp，用于计入冲击、振动对载荷的影响。)(arpYFXFfPrpFfPapFfP4.角接触球轴承与圆锥滚子轴承的轴向载荷Fa的计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受纯径向载荷时，要产生派生轴向力S。轴承安装不同时，产生的派生轴向力也不同。原因：承载区内每个滚动体的反力都是沿滚动体与套圈接触点的法线方向传递的。工作情况2角接触球轴承及圆锥滚子轴承的派生轴向力的大小取决于该轴承所受