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1、机械设计基础,武汉理工大学 物流工程学院 机械设计及制造系 罗齐汉 qhluo 2019年11月13日星期三,Foundation of Machine Design,第14章 滚动轴承及装置设计,熟悉滚动轴承的类型和代号,掌握滚动轴承的寿命计算,掌握滚动轴承的组合设计。,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,3,2019年11月13日星期三,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,一、基本结构 外圈 内圈 滚动体 保持架,4,2019年11月13日星期三,二、主要类型,按照滚动体形状: 球轴承 滚子轴承(圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等) 按照承受载荷的方向: 向心轴承 径向接触 =0 向
2、心角接触 045 推力轴承 轴向接触 =90 推力角接触 4590 滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角称为公称接触角,简称接触角,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,5,2019年11月13日星期三,三、滚动轴承的代号,滚动轴承的类型很多,而各类轴承又有不同的结构、尺寸、公差等级和技术要求,为便于组织生产和选用,国家标准规定了滚动轴承的代号。滚动轴承的代号由基本代号、前置代号和后置代号构成。,6,2019年11月13日星期三,1.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。按国家标准生产的滚动轴承的基本代号,由轴承类型代号、尺寸系列代号和内径代号构成。
3、 1)类型代号 是基本代号左起第一位,用数字或字母表示,代号为“0”(双列角接触球轴承)则省略。,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,7,2019年11月13日星期三,表14-2 滚动轴承的主要类型和特性,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,8,2019年11月13日星期三,表14-2 滚动轴承的主要类型和特性,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,9,2019年11月13日星期三,表14-2 滚动轴承的主要类型和特性,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,10,2019年11月13日星期三,1.基本代号,2)尺寸系列代号 由轴承的宽(高)度系列代号(基本代号左起第二位)和直径系列代号(基
4、本代号左起第三位)组合而成。,11,2019年11月13日星期三,3)内径代号 基本代号左起第四、五位数字,表示轴承公称内径尺寸。,1.基本代号,14-1 滚动轴承的结构、类型和代号,12,2019年11月13日星期三,2.前置、后置代号,1) 前置代号 用字母表示成套轴承的分部件,可参阅GB/272-93。 2) 后置代号 用字母(或加数字)表示。与基本代号空半个汉字距离或用符号“-”、“/”分隔。,13,2019年11月13日星期三,类型和代号5,6308:,6深沟球轴承,3中系列,08 内径d=40mm, 公差等级为0级;,N105/P5:,7214AC/P4:,30213:,3圆锥滚子
5、轴承,2轻系列,13内径d=65mm,0正常宽度,公差等级为0级;,6103:,6深沟球轴承,1特轻系列,03内径d=17mm,公差等级为0级;,N圆柱滚子轴承,1特轻系列,05内径d=20mm,公差等级为 5级;,7角接触球轴承,2轻系列,14内径d=70mm,公差等级为4级,公称接触角=25;,14-2 滚动轴承类型的选择,14,2019年11月13日星期三,14-2 滚动轴承类型的选择,由于结构的不同,各类轴承的使用性能也不相同,说明如下: 1、承载能力 在同样外形尺寸下,滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.53倍。所以,在载荷较大或有冲击载荷时应优先采用滚子轴承。但当轴承内径d 20mm
6、时,滚子轴承和球轴承的承载能力已相差不多,而球轴承的价格一般低于滚子轴承,故可优先选用球轴承。 角接触轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。角接触向心轴承(045)以承受径向载荷为主;角接触推力轴承(4590)以承受轴向载荷为主。轴向接触(=90)推力轴承只能承受轴向载荷。径向接触(=0)向心轴承,当以滚子为滚动体时,只能承受径向载荷;当以球为滚动体时,因内外滚道为较深的沟槽,除主要承受径向载荷外,也能承受一定量的轴向载荷。深沟球轴承结构简单,价格便宜,应用最广泛。,15,2019年11月13日星期三,14-2 滚动轴承类型的选择,2、极限转速 滚动轴承转速过高会使摩擦面间产生高温,润滑失效而导
7、致滚动体回火或胶合破坏。滚动轴承在一定载荷和润滑条件下,允许的最高转速称为极限转速,其具体数值见有关手册。如果轴承极限转速不能满足要求,可采取提高轴承精度、适当加大间隙、改善润滑和冷却条件、选用青铜保护架等措施。 3.角偏差 轴承由于安装误差或轴受力变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜(见图a)。其倾斜角称为角偏差。角偏差较大时会影响轴承正常运转,故在这种场合应采用调心轴承(如图)。调心轴承的外圈滚道表面是球面,能自动补偿两滚道轴心线的偏差,从而保证轴承正常工作。滚针轴承对轴线偏斜最为敏感,应尽可能避免在轴线有偏斜的情况下使用。,14-3 滚动轴承的主要失效形式和设计准则,16,2019年1
8、1月13日星期三,14-3 滚动轴承的主要失效形式和设计准则,一、主要失效形式 1、疲劳点蚀(一般转速) 2、塑性变形(低速、不回转、摆动) 3、磨损、胶合 二、设计准则 疲劳点蚀寿命计算 塑性变形静强度计算,点蚀,磨损,胶合,断裂,17,2019年11月13日星期三,14-4 滚动轴承的寿命计算,18,2019年11月13日星期三,14-4 滚动轴承的寿命计算,一组同一型号的轴承,由于材料、热处理和工艺等很多随机因素的影响,即使在相同的条件下运转,寿命也不一样,有的甚至相差几十倍。因此对一个具体的轴承来讲,很难知其确切的寿命。但大量的轴承寿命试验表明,轴承的与寿命之间有如图所示的关系。 一组
9、同一型号轴承在同一条件下运转,90%的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过的寿命,称为基本额定寿命。记作(单位为百万转,即106r)或Lh(单位为小时)。 对单个轴承来讲,能够达到或超过此寿命的概率为90%。轴承的基本额定寿命为一百万转时,轴承所能承受的载荷,称之为基本额定动载荷,用表示。,轴承一个套圈或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展点蚀前,一个套圈相对另一个套圈的总转数,或在某一转速下的工作小时数,称为轴承的寿命。,14-4 滚动轴承的寿命计算,19,2019年11月13日星期三,一、滚动轴承的寿命计算的基本公式,实际计算时,用小时表示轴承寿命比较方便,如用n代表轴的转速(r/min),则上式可
10、写为:,式中称为当量动载荷。当量动载荷为一恒定径向(或轴向)载荷,在该载荷作用下,滚动轴承具有与实际载荷作用下相同的寿命。的确定方法将在下一节阐述。,轴承寿命与载荷有关,由负荷一寿命曲线(P-L曲线) 试验表明:,式中:寿命指数, 球轴承=3,滚子轴承=10/3 滚动轴承的基本额定寿命( r)与基本额定动载荷(N)、当量动载荷(N)间的关系为:,14-4 滚动轴承的寿命计算,20,2019年11月13日星期三,二、滚动轴承当量动载荷,滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的试验条件下确定的。如前所述,对向心轴承是指承受纯径向载荷;对推力轴承是指承受中心轴向载荷。如果作用在轴上的实际载荷是既有径向载荷
11、又有轴向载荷,则必须将实际载荷转换成与试验条件相同的载荷后,才能和基本额定动载荷进行比较。 换算后的载荷是一种假定的载荷,故称为当量动载荷。 当量动载荷的计算公式为: P= fP(XFR+YFA) 式中: FR径向载荷(N) FA轴向载荷(N) fP动负荷修正系数 X径向动载荷系数 Y轴向动载荷系数 对于向心轴承,当FA/ FRe时,表明轴向力的影响较大,可由表14-11查出X和Y的数值;当FA/ FRe时,表明轴向力的影响可以忽略不计(这时表中Y=0,X=1)。e值列于轴承标准中,其值与轴承类型和FA/ C0r比值有关(C0r是轴承的径向额定静载荷)。 向心轴承只承受径向载荷时: P= FR
12、 推力轴承(=90)只能承受轴向载荷,其轴向当量动载荷为: P= FA,14-4 滚动轴承的寿命计算,21,2019年11月13日星期三,三、角接触球轴承(7类)和圆锥滚子轴承(3类)轴向负荷FA的计算,角接触球轴承和圆锥滚子轴承的结构特点是在滚动体和滚道接触处存在着接触角。当它承受径向载荷FR时,作用在滚动体上的法向力可分解为径向分力和轴向分力(如图)。各滚动体上所受轴向分力之和即为轴承的内部轴向力Fs。 1。内部轴向力FS的大小及方向: FS的大小:可按照P252表14-12中的公式计算求得近似值。 FS的方向:总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向。,2。安装方式: 为了使角接触向心轴承的
13、内部轴向力得到平衡,以免轴窜动,通常这种轴承都要成对使用,对称安装。安装方式有两种: 图a为外圈窄边相对(正装、面对面),图b为外圈宽边相对(反装、背对背) 显然,两种安装方式下轴的强度和刚度是不同的。,14-4 滚动轴承的寿命计算,22,2019年11月13日星期三,3。轴向负荷FA的计算,在图a中,有两种受力情况: (1) 若FS1+ FA FS2,则轴有右移的趋势(轴承2被压紧,轴承1被放松),由于轴承2右端已固定,轴不能向右移动,故右端盖必然会提供给轴承2一个力增量FS使轴受力平衡,即FS1+ FA= FS2+FS,由此可知,结论:放松端轴承的轴向载荷等于它本身的内部轴向力,压紧端轴承
14、的轴向载荷等于除本身内部轴向力以外其余轴向力的代数和。,轴承1(放松端):FA= FS1 轴承2(压紧端):FA =FS2+FS2 = FS1+ FA (2) 若FS1+ FA FS2,则轴有左移的趋势(轴承1被压紧,轴承2被放松),左端盖必然提供一个力增量FS使轴受力平衡,即FS1+ FA +FS = FS2,由此可知 轴承1(压紧端):FA= FS1+FS = FS2- FA 轴承2(放松端):FA =FS2,14-4 滚动轴承的寿命计算,23,2019年11月13日星期三,轴向负荷FA计算的方法,方法一: 在图上标注全部轴向力,判断轴的运动趋势; 判断轴承是“压紧”还是“放松”; “压紧
15、”除本身内部轴向力以外其余轴向力的代数和 “放松”本身的内部轴向力 方法二:,取两者中较大者,取两者中较大者,24,2019年11月13日星期三,课堂练习,1、FR1=3600N, FR2=1800N, FA=400N, FS=FR/2Y,Y=1.8,求FA1 ,FA2,2、FR1=1000N, FR2=500N, FA=300N, FS=0.7FR,求FA1 ,FA2,FR1,FR2,FA,FR1,FR2,FA,25,2019年11月13日星期三,课堂练习,3、已知FR1=4000N, FR2=2000N, FA1=500N, FA2=1500N, FS=FR/4, 当FA/FR0.3时,P
16、=fp FR 当FA/FR0.3时,P=fp (0.4FR+2FA) fp =1.2 求这两个轴承的当量动载荷,FR2,FR1,FA1,FA2,14-6滚动轴承装置设计,26,2019年11月13日星期三,14-6滚动轴承装置设计,为了保证轴承在机器中正常工作,除合理选择轴承类型、尺寸外,还应正确进行轴承的组合设计,也就是要解决轴的轴向位置固定、轴承与其他零件的配合、间隙调整、装拆和润滑密封等一系列问题。,一、滚动轴承的轴向固定(常用下面两种固定方式) 1、两端固定式 如上图所示,使轴的两个支点中每一个支点都能限制轴一个的方向移动,两个支点合起来就限制了轴的双向移动,这种固定方式称为两端单向固定。它适用于工作温度变化不大的短轴,考虑到轴因受