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1、现代机械设计理论与方法,姓名： 学号： 导师：,支承零件设计 滚动轴承的设计,滚动轴承的设计,一、概述 二、滚动轴承的主要类型及代号； 三、滚动轴承的工作情况分析； 四、滚动轴承尺寸的选择； 五、滚动轴承装置的设计。,一、 概述,滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。 1.1 滚动轴承的特点 摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易，标准部件，互换性好。 1.2 滚动轴承的构造 滚动轴承主要由内圈、 外圈、滚动体、保持架等 四部分构成。,一、 概述,二、 主要型号及代号,按承载能力分,接触角 ：指滚动体和外圈滚道接触处中点的法线nn 与半径方向所夹的锐角
2、。标志轴承承受轴向载荷与径向载荷的分配关系， 越大，承受轴向载荷能力越强。,2.1 滚动轴承的类型,二、 主要型号及代号,在实际应用中，作为标准的滚动轴承，在国家标准中分为13类，其中，最为常用的轴承如下所示：,调心球轴承 10000,调心滚子轴承 20000,圆锥滚子轴承 30000,推力球轴承 50000,深沟球轴承 60000,角接触球轴承 70000,圆柱滚子轴承 N0000,滚针轴承 NA0000,外球面球轴承 UC000,二、 主要型号及代号,二、 主要型号及代号,2.2 滚动轴承的代号 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。 滚动轴承代号构成,二、
3、 主要型号及代号,内径代号：用基本代号右起第一、二位数字表示。内径代号5=内径，如：08表示轴承内径d =508=40mm。 特殊情况：,尺寸系列代号：表达相同内径但外径和宽度不同的轴承，用基本代号右起第三、四位数字分别表示外径系列代号和宽度系列代号。 外径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。 宽度系列代号：一般正常宽度为“0”，通常不标注。 但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。 类型代号：详细代号查阅类型代号表。,（1）基本代号：表示轴承的类型与尺寸等主要特征。,二、 主要型号及代号,（2）后置代号：表示轴承的精度、内部结构以及材料的特征，用字母
4、（或加数字）表示。,以/P2 、/P4、 /P5、 /P6(/P6x)为代号，0级不标注。,公差等级代号：公差分2、4、5 、6(6x)、 0级，共六个级别。,游隙代号：径向游隙分1 、2、 0 、3 、4 、5共六个组别，依次由小到大，以/C1 、/C2、 /C3 、/C4 、/C5为代号，0组不标注。,二、 主要型号及代号,6 2 2 4,内径尺寸 d =24x5 =120 mm,尺寸系列（0）2，宽度系列0省略，直径系列2,轴承类型 深沟球轴承,7 3 1 0 AC,公称接触角 = 25。,内径尺寸 d =10x5 =50 mm,尺寸系列（0）3，宽度系列0省略，直径系列3,轴承类型 角
5、接触球轴承,2.3 滚动轴承代号举例,二、 主要型号及代号,6308： 6深沟球轴承，3中系列，08 内径d = 40mm， 公差等级为0级，游隙组为0组； N105/P5： N圆柱滚子轴承，1特轻系列，05内径 d =20mm，公差等级为5级，游隙组为0组； 7214AC/P4： 7角接触球轴承，2轻系列，14内径 d =70mm，公差等级为4级，游隙组为0组，公称接触角=15； 30213： 3圆锥滚子轴承，2轻系列，13内径 d = 65mm，0正常宽度(0不可省略)，公差等级为0级，游隙组为0组； 6103： 6深沟球轴承，1特轻系列，03内径 d =17mm，公差等级为0级，游隙组为
6、0组；,滚动轴承选择的一般过程如下：,2.4 滚动轴承类型的选择,二、 主要型号及代号,二、 主要型号及代号,选用轴承主要是选择轴承的类型，应考虑如下主要因素： 1）轴承的载荷 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轴向力联合作用。 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。 2）轴承的转速 极限转速滚动轴承在一定载荷与润滑条件下，允许的最高转速。具体可查阅设计手册或轴承样本。 一般，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。 3）轴承的调心性能 当轴可能发生偏斜
7、时，应采用调心轴承。,三、 工作情况分析,3.1 轴承工作时轴承元件上的载荷分布 滚动轴承工作时，并非所有滚动体都同时受载。滚动体同时受载的程度与轴承所受的径向力和轴向力的大小有关。 受纯轴向载荷时，各滚动体受力相同； 受纯径向载荷时，上半圈滚动体不受力； 3.2 滚动体的应力变化情况,滚动体、动圈上确定点的应力变化,固定圈上确定点的应力变化,三、 工作情况分析,3.3 轴向载荷的影响 向心推力轴承即使在纯径向力Fr的作用时，由于存在接触角，会产生派生轴向力Fd。分析如下： 第i个滚动体所受力为FNi。可分解为轴向和径向两个分力： FNi = Fdi +Fri，其中 Fdi = Fri tan
8、 （注意与的区别！） 所有滚动体轴向力之和 Fd =Fdi = Fri tan派生轴向力,由于产生了派生轴向力，此时轴承所承受的实际轴向力不再等于外部轴向力，即： Fa Fae,四、 尺寸的选择,4.1 滚动轴承的失效形式及基本额定寿命 滚动轴承在运转时可能出现各种类型的失效，下列为常见的失效形式：,点 蚀,胶 合,断 裂,磨 损,套圈和滚动体表面的疲劳点蚀是滚动轴承最基本和常见的失效形式，是作为滚动轴承寿命计算的依据。除了点蚀以外，轴承还可能发生其它多种的失效形式。例如：1）转速较高而润滑油不足时引起轴承烧伤；2）润滑油不清洁而使滚动体和滚道过度磨损；3）装配不当而使轴承卡死、胀破内圈、挤碎
9、内外圈和保持架等。,滚动轴承的寿命是指轴承的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，轴承的转数或相应的运转小时数。与一般结构件的疲劳寿命一样，滚动轴承的疲劳寿命的离散性也是相当大的（见右图）。 基本额定寿命： 一组同一型号轴承，在同一运转条件下，具有90可靠度时轴承的寿命，用L10表示。,4.2 滚动轴承的基本额定动载荷 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。,100,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0,1,5,10,20,未失效轴承数量%,轴承的寿命/（106r）,四、 尺寸的选择,四、 尺寸的选择,4.3 滚动轴承寿命的计算公式 轴承的载荷-
10、寿命曲线的数学表达式为,P为轴承所受当量动载荷。,当轴承工作温度高于某一温度时，应采用高温轴承。此时，基本额定动载荷应进行修正，即,四、 尺寸的选择,4.4 滚动轴承的当量动载荷 把实际载荷转换为与基本额定动载荷的载荷条件相一致的载荷，这样的载荷称为当量动载荷。转换条件为：在当量载荷作用下，轴承寿命与实际载荷作用下的轴承寿命相同。当量动载荷的一般计算式为,式中，X、Y分别为径向动载荷系数和轴向动载荷系数，由载荷系数表查得。 考虑到附加载荷的作用，轴承的当量动载荷应乘以载荷系数,4.5 向心推力轴承的径向载荷与轴向载荷的计算 角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向载荷时要产生轴向力，且通常是成对使用
11、的。分析它们所受的轴向载荷要同时考虑由径向力引起的附加（派生）轴向力和作用于轴上的其它工作轴向力，具体情况由力的平衡关系进行计算。 当约有半圈滚动体受载时，派生轴向力Fd计算如下：,向心推力轴承所受的轴向力可能等于派生轴向力，也可能不等。分析如下：,四、 尺寸的选择,如图所示轴承，受径向载荷Fre和轴向载荷Fae作用。把派生轴向力的方向与外加轴向载荷的方向一致的轴承标为2，另一端轴承为1。轴承1、2所受径向载荷分别为Fr1和Fr2，由Fr1和Fr2派生的轴向力为Fd1和Fd2。当轴向平衡时应满足,反装（派生轴向力方向互相背离）,正装（派生轴向力方向相对）,四、 尺寸的选择,若满足,则Fa1 F
12、d1， Fa2 Fd2 ；否则，根据FaeFd2和Fd1的大小判断“放松”与“压紧”轴承。若FaeFd2Fd1，则轴承1为“压紧”轴承,则 Fa1FaeFd2 ，Fa2Fd2；否则，Fa1Fd1 ；Fa2Fd1Fae。,结论：放松端轴承的轴向力 = 自身派生轴向力 压紧端轴承的轴向力 = 其余轴向力的代数和 推论：某一轴承所受轴向力一定不小于其自身派生的轴向力。,四、 尺寸的选择,4.6 滚动轴承的静载荷 对于在工作载荷下基本不旋转或缓慢旋转或缓慢摆动的轴承，其失效形式不是疲劳点蚀，而是因滚动接触面上的接触应力过大而产生的过大的塑性变形。 在国家标准中，对每一种规格的滚动轴承规定了一个不应超过
13、得载荷界限基本额定静载荷，用C0表示。 轴承上作用的径向载荷Fr与轴向载荷Fa应折合成一个当量静载荷P0 即： P0=X0Fr+Y0Fa 式中：X0、Y0分别为当量静载荷的径向载荷系数和轴向载荷系数，可由轴承手册查取。 按轴承静承载能力选择轴承的公式为：,式中：S0为静强度安全系数，可由设计手册查取。,四、 尺寸的选择,4.7 不同可靠度时滚动轴承尺寸的选择 在一般工程问题中，以轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命来衡量轴承的承载能力，这时对应的可靠度均为90%。但是，对于可靠度大于90%的情况，滚动轴承寿命的计算须引入可靠性系数a1，即修正寿命为：,四、 尺寸的选择,五、 轴承装置的设计,轴承
14、装置的设计主要是解决轴承的安装、配合、紧固、调节、润滑、密封等问题。 5.1 支承部分的刚度和同心度 轴、安装轴承的外壳或轴承座必须有足够的刚性；对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能保持同心。,增大轴承座刚性方法一,增大轴承座刚性方法二,五、 轴承装置的设计,5.2 轴承的配置 合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后不至将轴卡死等因素。常用的轴承配置方法有以下三种，而每一种又有若干具体方案：,双支点各单向固定,单支点双向固定 另一支点游动,两端游动支承,五、 轴承装置的设计,5.3 滚动轴承的轴向紧固 滚动轴承的轴向紧固是指将轴承的内圈或外圈相对于轴或轴承座
15、实施紧固。具体的紧固方法有很多，下面列举常用的方法。,五、 轴承装置的设计,5.4 轴承游隙及轴上零件位置的调整 常用的方法有：1）调整垫片的厚度；螺钉（螺母）调整。,方法一：调整垫片,方法二：螺钉调整,五、 轴承装置的设计,方法三：套杯调整,五、 轴承装置的设计,5.5 滚动轴承的配合 配合是指轴承内圈与轴颈、轴承外圈与外壳孔的配合； 除了对轴承的内外颈规定了直径公差外，还规定了平均内径和平均外经(dm ，Dm)的公差； 标准规定，0、 6 、5、 4、 2各级公差等级的轴承的的内径 dm和外经Dm均采用单向制，且统一采用上偏差为零，下偏差为负的分布； 轴承内孔与轴的配合采用基孔制；轴承外径
16、与外壳孔的配合采用基轴制。,五、 轴承装置的设计,5.6 滚动轴承的预紧 滚动轴承的适当预紧可以提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小轴的振动。以下是常用的预紧方式：,夹紧圆锥滚子轴承的内（外）圈,套筒预紧,弹簧预紧,五、 轴承装置的设计,5.7 滚动轴承的润滑 润滑可以降低滚动轴承内部的摩擦，减少磨损和发热量； 轴承的摩擦发热使轴承升温，油润滑可以到起冷却作用，从而降低轴承的工作温度，延长使用寿命； 良好的润滑状态，可在滚动体与滚道间形成一层使两者隔开的油膜，可以使接触压力减小； 轴承零件表面覆盖一层润滑剂，可以防止表面氧化生锈。 轴承常用的润滑方式有油润滑和脂润滑两类。 一般根据滚动轴承的速度（dn值）来选取润滑方式。,脂润滑,油浴润滑,滴油润滑,喷油润滑,油雾润滑,dn值,五
