滾動軸承：rolling bearing,8-1 概 述,用在高速、重載、高精度以及結構要求剖分等場合,已標準化，使用維護方便，一般機器中使用廣泛,第8章 滾動軸承的選擇與校核,8-1 滾動軸承概述,8-1 滾動軸承概述,內圈、外圈、保持架和滾動體,其中：滾動體是必不可少的,8-1 滾動軸承概述,內圈：支撐軸，,外圈：安裝在軸承座孔或零件孔內，通常是不動的,滾動體：將滑動摩擦變為滾動摩擦,保持架：將滾動體均勻分開,通常隨軸一起轉動,某些軸承還有一些特殊零件，如：止動環,滾動體：球和滾子,滾動副材料要求：,保持架用較軟材料制造，如：低碳鋼、銅合金、鋁合金等,8-1 滾動軸承概述,高硬度 高接觸疲勞強度 良好的耐磨性和沖擊韌性,滾動體、內、外圈由專門的滾動軸承鋼如GCr15制造,經熱處理后硬度達6165HRC。工作表面需經磨削或拋光,滾動軸承是標準件，由專業軸承廠集中生產,設計人員只需按工作要求正確選用,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,一、軸承分類：,按滾動體的形狀分為：,球軸承 和 滾子軸承,按滾動體的列數可分為：,單列軸承 和 多列軸承,按內外圈能否分離可分為：,可分離軸承 和 不可分離軸承,如：圓錐滾子軸承 和 圓柱滾子軸承 均屬于可分離軸承,按主要承受的外載可分為：,向心軸承 和 推力軸承,承受徑向載荷為主,承受軸向載荷為主,具體劃分方法需根據公稱接觸角a 的大小來判斷！,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,公稱接觸角 ：,滾動體與外圈接觸處的法線與軸承徑向平面間的夾角,向心軸承,推力軸承,徑向接觸軸承 (a =0),軸向接觸軸承 (a =90),向心角接觸軸承( 0 a 45 ),推力角接觸軸承( 45 a 90 ), 越大，軸向承載能力越強,推力調心滾子軸承,Deep groove ball bearing (深溝球軸承，6類),8-2 滾動軸承的主要類型和代號,幾種常用軸承：,主要承受徑向載荷，同時也能承受少量雙向軸向載荷,a =0,Cylindrical roller bearing (圓柱滾子軸承，N類),只能承受較大的徑向載荷。且內外圈可分離,a =0,Tapered roller bearing (圓錐滾子軸承，3類),8-2 滾動軸承的主要類型和代號,能同時承受較大的徑向、軸向聯合載荷。因線性接觸，承載能力大，內外圈可分離，裝拆方便。成對使用,10 a 18 ,Angular contact ball bearing (角接觸球軸承，7類),承受較大徑向、較大單向軸向載荷，有3種公稱接觸角,a =15，25 ，40 ,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,Thrust ball bearing (推力球軸承，5類),只能承受軸向載荷，分為單、雙向兩種。可用于軸向載荷大、轉速不高之處,a =90,Spherical roller bearing (調心滾子軸承，2類),能承受很大的徑向載荷和少量軸向載荷。承載能力大，具有調心性能,0 a 45 ,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,代號由三部分構成：, 用于表征滾動軸承的類型、尺寸、結構、精度等特征,前置代號表示軸承的分部件,基本代號表示軸承的類型與尺寸等主要特征,后置代號表示軸承的結構、精度與材料等特殊要求,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,基本代號：,類型代號，由數字或字母組成,推力球軸承 50000,3圓錐滾子 5推力球 6深溝球 7角接觸球 N圓柱滾子,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,基本代號：,內徑代號,類型代號,滾動軸承內徑絕大多數都是5的整數倍,內徑 代號 10 00 12 01 15 02 17 03 20500 d/5,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,基本代號：,直徑系列,寬度系列,0特輕 1特輕 2輕 3中 4重,0窄 1正常 2寬 3、4、 5、6 特寬,若寬度系列為窄，則除2、3類軸承外，其它軸承此代號可以省略,類型、內徑相同，而直徑系列代號不同的四種軸承的比較,特輕 輕 中 重,結構、內徑相同時外徑、寬度變化,結構、內徑、外徑相同時寬度變化,省略寬度代號為0,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,軸承內部結構常用代號,后置代號：,注：公差等級中0級最低，向右依次增高，2級最高,公差等級代號,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,軸承游隙：, 一般來說，徑向游隙越大，軸向游隙也越大, 是將一個套圈固定，另一套圈沿徑向或軸向的最大活動量, 沿徑向的最大活動量叫徑向游隙, 沿軸向的最大活動量叫軸向游隙,有些滾動軸承不能調整游隙，更不能拆卸，如：6類、N類,有些滾動軸承可以調整游隙，但不能拆卸，如：7類,有些軸承可以拆卸，更可以調整游隙，如：3類、5類,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,合適的游隙有助于滾動軸承的正常工作：, 游隙過大，滾動軸承噪聲大，設備振動大, 游隙過小，滾動軸承溫度升高，無法正常工作，以至滾動體卡死,在高溫、高速、低摩擦等特殊條件下工作的軸承則宜選用大的徑向游隙；對精密主軸、機床主軸用軸承等宜選用較小的徑向游隙,徑向游隙代號,注：向右游隙依次增大，5組最大,前置代號：,表示軸承的分部件，字母表示,如：L表示可分離軸承的可分離套圈,例：LNU207-內圈無檔邊圓柱滾子軸承的內圈,8-2 滾動軸承的主要類型和代號,例題：,說明滾動軸承 62203 和 7312AC/P6 的含義,6 2 2 03,7 (0) 3 12 AC / P6,8-3 滾動軸承的選擇,8-3 滾動軸承的選擇,載荷的大小、性質及方向,載荷大小,小：,球軸承 （點接觸）,大：,滾子軸承 （線接觸）,載荷方向,：6類、N類或NA（滾針軸承）,：5類、8類（推力圓柱滾子軸承）,Fr和Fa,：6類、7類（小接觸角）,：5類 + 6類,：7類（大接觸角）、3類,FrFa,FaFr,Fa、Fr 均較大,純Fr,純Fa,載荷性質,平穩：,球軸承,沖擊：,滾子軸承, 類型選擇的主要依據,8-3 滾動軸承的選擇,轉速和旋轉精度,要求高時，用球軸承；反之，用滾子軸承,推力軸承極限轉速低 (離心力使滾動體與保持架摩擦嚴重),整體保持架極限轉速比分離的高,球軸承,滾子軸承,高速、輕載,低速、重載,內外圈相對偏轉一定角度仍可正常運轉,軸剛性差、軸承座孔同軸度差或多點支承選調心軸承,調心性能,軸承的裝拆,經濟性,內外圈分離的軸承 (3類、N類 ),球軸承比滾子軸承低,精度低的價格低 (一般公差等級選 0 級 ),與軸頸直徑相等,載荷很小,特輕系列 (0、1),載荷很大,重系列 ( 3 ),一般情況,輕或中系列( 2、3 ),一般選窄或正常系列 (0、1),假設最細處直徑為28mm，如何選擇軸承型號？,前置代號、后置代號中的公差等級和游隙一般可省略,軸承內徑,直徑系列,寬度系列,8-3 滾動軸承的選擇,例題2：,僅受軸向力Fa 作用：,Pi Pj,僅受徑向力Fr 作用：,最多只有半圈滾動體受載,且各滾動體變形、受載不同,Q2,Qmax,Q1,Q2,Q1,8-4 滾動軸承的壽命計算,8-4 滾動軸承的壽命計算,點接觸軸承：,線接觸軸承：, z為全部滾動體個數,既受徑向力Fr又受軸向力Fa 作用：,顯然作用在每一個滾動體上的載荷Pi是不等的,8-4 滾動軸承的壽命計算,設某一滾動體反力為Pi,徑向分力為Qi,軸向分力為Si, 派生軸向力,當tanb 1.25tana 時, 下半圈滾動體全部受載,當tanb1.7tana 時, 全部滾動體受載,b 為載荷角,滾動體,固定套圈,這些點的接觸應力 均可近似看作是脈 動循環變應力！,8-4 滾動軸承的壽命計算,滾動體與滾道接觸處的接觸應力是一種什么樣的應力？,轉動套圈,發生在滾動體表面或套圈滾道,低速軸承的主要失效形式,使用維護不當引起，屬于非正常失效,按疲勞強度進行壽命計算，防止點蝕破壞,按靜強度計算，防止塑性變形,壽命計算外，還應校核其極限轉速,最主要的失效形式,靜載或沖擊載荷過大,疲勞點蝕,塑性變形,磨損、膠合、保持架斷裂等,中、低轉速：,高 轉 速：,極低轉速：,8-4 滾動軸承的壽命計算,軸承中任一元件出現疲勞點蝕前所經歷的總轉數或總工作小時數,8-4 滾動軸承的壽命計算,1、基本概念,軸承壽命,由于制造精度、材質等的差異，即使相同的軸承，在完全相同的條件下工作，它們的壽命也極不相同,既不能以最長壽命作為標準，也不能以最短壽命作為標準,一批相同的軸承，在相同的條件下運轉，其中90 的軸承發生疲勞點蝕前所經歷的總轉數或總工作小時數,基本額定壽命L10,以基本額定壽命選擇軸承，可能有10%的軸承發生提前破壞,對每個軸承來說，順利地在基本額定壽命期內正常工作的概率為90%, 按基本額定壽命選用軸承，可靠性為90,軸承的基本額定壽命為 106 轉（即一百萬轉）時所能承受的載荷,C 越大，軸承承載能力越大,對于具體軸承C 按手冊查取,8-4 滾動軸承的壽命計算,基本額定動載荷C,軸承壽命與所受載荷大小有關， 工作載荷越大，壽命越短,如：,30203 C 20.8KN,30204 C 28.2KN,r,r,C,51220 Ca = 132KN,C,向心軸承：指純徑向載荷，用Cr表示,推力軸承：指純軸向載荷，用Ca表示,基本額定動載荷C是有方向性的！,2、壽命計算,載荷為C 壽命為106轉,注意上述公式中的P稱為當量動載荷,常數,引入溫度系數 ft （表8-5）：,載荷為P， 壽命為多少？,選軸承型號時，要保證 C C,e 為壽命指數， 球軸承 e 3， 滾子軸承 e 10/3,8-4 滾動軸承的壽命計算,3、當量動載荷P,軸承的C是在一定條件下測得的,8-4 滾動軸承的壽命計算,其中載荷條件為：,向心軸承只受徑向載荷,推力軸承只受軸向載荷,但實際上軸承經常同時承受徑向載荷Fr和軸向載荷Fa,如已知軸承30208承受如下載荷：,P = ?,且由軸承手冊查得Cr 19.8KN,Fr=3500N， Fa2000N,試計算軸承壽命為多少？,8-4 滾動軸承的壽命計算,壽命計算時，需把實際復合載荷轉換為與C 的載荷條件一致的載荷,如果是向心軸承, 把復合載荷轉換為純徑向載荷,如果是推力軸承, 把復合載荷轉換為純軸向載荷, 轉換以后的載荷即稱為當量動載荷,P是假想的，在P 作用下軸承的壽命與實際復合載荷作用下相同,當量動載荷的一般計算公式為：,對于只能承受純徑向載荷Fr的軸承（如N類）：,對于只能承受純軸向載荷Fa的軸承（如5類）：,P = Fr,P = Fa,X、Y 的確定：,由Fa/Fr 和參數 e 確定,若： Fa/Fr e,則：X 0、Y 0,若： Fa/Fr e,則：X 1、Y 0,軸向載荷影響系數,說明軸向載荷Fa對軸承壽命影響較小，可忽略,說明軸向載荷Fa對軸承壽命影響較大，不能忽略, X、Y 分別為徑向、軸向載荷系數, fp 為載荷系數(表8-8),因此：P = fpFr,8-4 滾動軸承的壽命計算,e 值到底為多少？如何求X、Y 值？,對于單列軸承：,表8-7(部分),8-4 滾動軸承的壽命計算,Cor 為基本額定靜載荷，由手冊查取； i為滾動體列數,X、Y 確定步驟(深溝球軸承和70000C軸承)：, 確定滾動軸承的類型和滾動體的列數i, 根據軸承型號查出Cor, 計算出相對軸向載荷iFa /Cor的大小, 求出e值的大小,可能需線性插值,e值和Y 值均由型號直接查得(計算更簡單), 將Fa/Fr值與e值進行比較，求X、Y 值,若： Fa/Fr e 則：X 0、Y 0,若： Fa/Fr e 則：X 1、Y 0,X值不變，但Y 值也可能需線性插值,X、Y 確定步驟(圓錐滾子軸承和70000AC軸承)：,8-4 滾動軸承的壽命計算,雙列軸承X和Y的求法對70000C軸承略有不同，參見表8-7,已知 7208C軸承受力：Fr=3500N, Fa=2000N, fp=1.2，求當量動載荷P 的大小。,P = fp(XFr+YFa)=1.2 (0.443500+1.2182000)=4771.2N,由7208C查手冊得：Cr=26.8kN，Cor=20.5kN,相對軸向載荷iFa /Cor=12000/20500=0.098,插值：e =0.463,Fa/Fr =2000/3500=0.571e,插值：Y=1.218，另查得 X= 0.44,8-4 滾動軸承的壽命計算,例題：,已知 30208軸承受力：Fr=3500N, Fa=2000N, fp=1.2，求當量動載荷P 的大小。,P = fp(XFr+YFa)=1.2 (0.403500+1.62000)=5520N,查手冊得：e = 0.37,Fa/Fr =2000/3500=0.571 e,查得： X= 0.40 ， Y=1.6,8-4 滾動軸承的壽命計算,例題：,8-4 滾動軸承的壽命計算,1,2,軸承1、2上所受的徑向力Fr如何求取？,垂直面：,水平面：,Fa？,4、徑向載荷Fr的確定,當3類、7類只受純徑向載荷Fr作用時：,但通常取軸承寬度中點為計算點(為簡化計算),O 為理論支反力作用點,角接觸球軸承,Fr,8-4 滾動軸承的壽命計算,5、3類和7類軸承軸向載荷Fa的確定, 會產生派生軸向力 S,表8-9,Y：Fa/Fr e時的載荷系數,S的大小：, 即對軸的推力,計算軸承所受的軸向力時，必須考慮S,當軸上有軸向外載時，需按受力平衡求出軸承所受軸向力, 正裝：,外圈的窄邊相對，,S的指向相面對, 反裝 ：,外圈的寬邊相對，,S的指向相背離,跨距短，軸剛度大,跨距長，軸剛度小,面對面安裝,背靠背安裝,由寬邊指向窄邊的方向,具體指向與軸承的安裝方式有關,8-4 滾動軸承的壽命計算,S的方向：, 正裝：, 反裝 ：,圓錐滾子軸承：,8-4 滾動軸承的壽命計算,為什么滾動軸承通常需成對安裝？,右圖結構正確嗎？為什么？, 軸承正裝時：,將滾動體、內圈與軸視為一體，受力簡圖如下：,1,2,8-4 滾動軸承的壽命計算,Fa的確定：,以圓錐滾子軸承為例, 若 S1 + FA S2,軸有向右移動的趨勢,軸向力平衡：,外圈固定，右軸承2被壓緊，會產生反力S2,S2 和 S2 都是右軸承所受的力，故：,而左軸承只受S1，,8-4 滾動軸承的壽命計算, 若 S1 + FA S2,軸有向左移動的趨勢,軸向力平衡：,外圈固定，左軸承1被壓緊，會產生反力S1,S1 和 S1 都是左軸承1所受的力，故：,而右軸承只受S2，, 若 S1 + FA = S2, 軸承反裝時：,8-4 滾動軸承的壽命計算,以角接觸球軸承為例, 若 S2 + FA S1,軸有向右移動的趨勢,左軸承1被壓緊，產生反力S1, 若 S2 + FA S1,軸左移，右軸承2被壓緊，產生反力S2,綜合上述幾種情況，軸向力Fa的大小可歸納為：,“放松”端的軸向力等于自身的派生軸向力S,“壓緊”端的軸向力等于除去自身派生軸向力后其它軸向力的代數和,假設：S1+FA S2,則： Fa1 = S2-FA,Fa2 = S2,方法一：,例：,均取二者中的較大值,8-4 滾動軸承的壽命計算,軸承1壓緊，2放松,方法二：,對于深溝球軸承：,因為：a 0 ,故：6類軸承無派生軸向力,圖中：,Fa10,Fa2FA,8-4 滾動軸承的壽命計算,6類軸承Fa的確定：,S10 ，S2 0,軸向合力指向的軸承，即為受力軸承,軸向力 = 軸向外載,3類、7類軸承軸向載荷的求法總結如下：, 確定軸承安裝方式：是正裝還是反裝, 判明派生軸向力 S 1、S2 的方向,正裝時S的方向指向中間，反裝時S的方向指向外側, 由軸向合力指向判別出軸系可能移動的方向,分析哪端軸承被“壓緊”，哪端軸承被“放松”,正裝時，軸向合力所指的軸承被“壓緊”,反裝時，軸向合力所指的軸承被“放松”, “放松”端的軸向力等于自身的派生軸向力S,“壓緊”端的軸向力等于除去自身派生軸向力后其它軸向力的代數和,8-4 滾動軸承的壽命計算,也可用“方法二”直接求得軸向載荷的大小,滾動軸承壽命計算步驟：, 計算軸承徑向反力Fr1、Fr2, 計算軸承的軸向力Fa1、Fa2, 計算軸承的當量動載荷P1、P2；, 由軸承壽命計算公式算出壽命,考慮軸承安裝方式、派生軸向力等, P1P2, Lh1Lh2,取當量動載荷大的值代入壽命計算,8-4 滾動軸承的壽命計算,屬于靜不定結構，一般采用近似計算：, 將成對軸承視為雙列軸承,8-4 滾動軸承的壽命計算,6、同一支點成對安裝同型號向心角接觸軸承的計算, 支反力作用在兩軸承中點處,7類軸承：, 查X、Y 值時按雙列軸承查取，e值按單列查,3類軸承：,Cr = 1.625 Cr, 基本額定動載荷Cr變大，分別為：,Cr = 1.71 Cr,8-4 滾動軸承的壽命計算,例：某軸由一對7312C軸承支承，已知軸承所受徑向力R15000N，R28000N，軸向力FA2000N，方向如圖所示，試計算軸承的當量動載荷。設軸承載荷平穩。,解：,由題意知，這是一對反裝的軸承, 計算派生軸向力,S10.5R10.550002500N,S20.5R20.580004000N,方向指向左側，如圖所示,方向指向右側，如圖所示, 計算軸承所受軸向力, S2+FA=4000+2000=6000N, S1=2500N, 軸系有向右移動的趨勢, 軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”,8-4 滾動軸承的壽命計算, 計算當量動載荷,Fa1 FAS22000+4000=6000 N,Fa2S24000N,軸承1被“壓緊”，軸承2被“放松”,軸承1：,查軸承手冊得，C0r=70.2KN，Cr=80.5KN,由表8-7，插值得：e1 =0.458, e1,再由表8-7，線性插值得：,X1=0.44；Y1=1.235,P1fP(X1R1Y1Fa1) 1.0(0.4450001.2356000) 9610 N,8-4 滾動軸承的壽命計算,軸承2：,由表8-7，線性插值得：e2 =0.428, e2,再由表8-7，線性插值得：,X2=0.44；Y2=1.323,P2fP(X2R2Y2Fa2) 1.0(0.4480001.3234000) 8812 N,哪個軸承壽命更長？, 軸承2,校核目的：避免產生過大的塑性變形,強度條件：,8-4 滾動軸承的壽命計算,7、靜強度校核,或,或,Cor、Coa分別為徑向、軸向額定靜載荷, 取兩式中較大值者, 3、6、7類：,Por、Poa分別為徑向、軸向當量靜載荷, 其它軸承請自學, X0、Y0見表8-12, 軸承的定位和固定方法, 軸承組合的調整, 軸承的預緊, 配合與裝拆,組合設計合理與否將影響軸系的受力、運轉精度、軸承壽命及機器性能,組合設計的內容包括：,重點：軸承的固定方法、配置和軸承調整,8-5 滾動軸承的組合設計,8-5 滾動軸承的組合設計, 潤滑與密封, 軸承的配置,8-5 滾動軸承的組合設計,軸向力Fa較小時:,軸向力Fa較大時:,8-5 滾動軸承的組合設計,軸向力Fa較小時:,軸向力Fa較大時:,通常情況下，一根軸需兩個支點，每個支點可由一個或一個以上的軸承構成,合理的軸承配置應考慮如下問題：,8-5 滾動軸承的組合設計, 軸在機器中有正確的位置, 防止軸向竄動, 軸受熱膨脹后不至將軸承卡死等,常用的軸承配置方法有三種：,兩端固定,一端固定、一端游動,兩端游動,8-5 滾動軸承的組合設計,兩端固定,最簡單、常見的固定方法,適合溫升不高的短軸(跨距 L 400 mm),軸受熱伸長，應留出熱補償間隙 C,每個支點限制一個方向移動, 在箱體與軸承端蓋間放調整墊片, 兩支點各單向固定,還可用3類、7類軸承,當工作溫升高或軸較長時，熱伸長量大，無法靠游隙保證,固定支點：,只承受徑向力，不承受軸向力, 避免軸承受到附加載荷作用，防止軸承卡住,8-5 滾動軸承的組合設計,限制軸的雙向移動、承擔雙向軸向力,游動支點：,可以雙向軸向移動,一端固定，一端游動式,固定支點用軸承：,Fa 不大 ： 深溝球軸承(6),Fa 較大 ： 一對向心角接觸軸承(3、7),Fa 和 Fr 均大 ： 推力與向心軸承組合,游動支點用軸承：,深溝球軸承(6)：內圈軸向需固定,圓柱滾子軸承(N)：內、外圈軸向均需固定,8-5 滾動軸承的組合設計,游動支點為6類和N類軸承的固定情況：,8-5 滾動軸承的組合設計,為什么會有這種差別？,分析固定端軸向定位和固定的方法？,兩個軸承都不進行軸向固定,兩端游動式,主要用在人字齒輪的主動軸(小齒輪軸)上, 避免過定位,小齒輪軸兩端能少量的軸向移動,大齒輪軸：,小齒輪軸系：,兩端固定,軸向位置靠齒形鎖合來保證,8-5 滾動軸承的組合設計, 軸上仍有少量軸向力,墊片調整,1、軸承間隙的調整,為保證軸承正常工作，軸承內部要留出適當大小的游隙,通過增、減墊片厚度來調整間隙,螺釘調整,用于軸向力不是太大的軸承組合,游隙大小影響軸承的：回轉精度、壽命、噪聲等,8-5 滾動軸承的組合設計,2、軸系部件位置的調整,使軸上零件處于準確的工作位置, 通常用墊片調整,如：錐齒輪軸系位置的調整,8-5 滾動軸承的組合設計,8-5 滾動軸承的組合設計,為便于調整錐齒輪的軸向位置，一般把小錐齒輪軸系放置在套杯里, 請分析錐齒輪軸系結構中墊片的作用？, 請分析上面兩錐齒輪軸系結構的特點？, 請比較上面兩錐齒輪軸系結構剛度大小？,8-5 滾動軸承的組合設計,正裝 “面對面”,反裝“背靠背”,懸臂受力,調整間隙,小,大,變形小,變形大,方便,不便,跨距,正裝,反裝,錐齒輪軸系結構剛度：,8-5 滾動軸承的組合設計,預緊：安裝時對軸承施加一軸向力（預緊力），消除軸向游隙,目的：提高回轉精度和支承剛度，減小軸的振動,工作載荷作用后，徑、軸向相對位移量會大大減少,夾緊外圈