《机械设计基础》课件第11章.ppt
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- 机械设计基础 机械设计 基础 课件 11
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1、第11章 滚动轴承 11.1 滚动轴承的结构、基本类型和特点滚动轴承的结构、基本类型和特点 11.2 滚动轴承的计算滚动轴承的计算 11.3 滚动轴承的静强度计算滚动轴承的静强度计算 11.4 滚动轴承的极限转速滚动轴承的极限转速 11.5 滚动轴承部件结构设计滚动轴承部件结构设计 11.6 滚动轴承的润滑和密封滚动轴承的润滑和密封 11.7 新型轴承简介新型轴承简介 习习 题题 11.1 滚动轴承的结构、基本类型和特点滚动轴承的结构、基本类型和特点 11.1.1 滚动轴承的结构滚动轴承的结构 图11-1 滚动轴承的结构 图11-2 滚动体的类型 滚动轴承的内、外圈及滚动体一般用含铬的轴承钢制
2、造,如GCr9、GCr15、Cr15SiMn等。热处理后硬度一般不低于HRC6065,工作表面经磨削抛光。保持架一般用软钢冲压而成,也有用铜或塑料制成的。11.1.2 滚动轴承的基本类型和特点滚动轴承的基本类型和特点 滚动轴承类型繁多,以适应各种机械装置的多种要求。滚动轴承可以从不同角度进行分类。按滚动体的形状不同可分为球轴承和滚子轴承。球形滚动体与内、外圈是点接触,运转时摩擦损耗小,承载能力和抗冲击能力弱;滚子滚动体与内、外圈是线接触,承载能力和抗冲击能力强,但运转时摩擦损耗大。按滚动体的列数,滚动轴承又分为单列、双列及多列。如图11-3所示,滚动轴承的滚动体和外圈滚道接触点的法线与轴承半径
3、方向的夹角称为轴承公称接触角。按轴承所承受的载荷的方向或公称接触角的不同,滚动轴承可分为以下两种类型。图11-3 滚动轴承的接触角 1.向心轴承向心轴承 向心轴承主要用于承受径向载荷,045。向心轴承又分为:(1)径向接触轴承(=0,如图11-3(a)、(b)。(2)向心角接触轴承(045,如图11-3(e)、(f)。2.推力轴承推力轴承 推力轴承主要用于承受轴向载荷,4590。推力轴承又可分为:(1)轴向接触轴承(=90,如图11-3(c)。(2)推力角接触轴承(4590,如图11-3(d)。在国家标准GBT2721993中,滚动轴承是按轴承所承受的载荷的方向及结构的不同进行分类的。常用的滚
4、动轴承类型及特性见表11-1。表表11-1 滚动轴承的类型及特性滚动轴承的类型及特性 表表11-1 滚动轴承的类型及特性滚动轴承的类型及特性 表表11-1 滚动轴承的类型及特性滚动轴承的类型及特性 11.1.3 滚动轴承类型的选择滚动轴承类型的选择 选择滚动轴承的类型非常重要,如选择不当,会使机器的性能要求得不到满足或降低了轴承寿命。在选择轴承类型时,应从具体工作条件出发,考虑各类轴承的特点及应用场合,所承受的载荷的大小、方向、性质和转速的高低以及刚度、调心性能、结构尺寸、轴承的装卸和经济性等要求,从中选出比较合适的轴承类型。具体选择时可参考以下几点:(1)当载荷较大或有冲击载荷时,宜用滚子轴
5、承;当载荷较小时,宜用球轴承。(2)当只受径向载荷或虽同时受径向和轴向载荷,但以径向载荷为主时,应用向心轴承;当只受轴向载荷时,一般应用推力轴承。而当转速很高时,可用角接触球轴承或深沟球轴承;当径向和轴向载荷都较大时,应采用角接触轴承。(3)当转速较高时,宜用球轴承;当转速较低时,可用滚子轴承,也可用球轴承。(4)当要求支承具有较大刚度时,应用滚子轴承。(5)当轴的挠曲变形大或两轴承座孔直径不同、跨度大且对支承有调心要求时,应选用调心轴承,如图11-4所示。(6)为便于轴承的装拆,可选用内、外圈可分离的轴承。(7)从经济角度看,球轴承比滚子轴承便宜,精度低的轴承比精度高的轴承便宜,普通结构轴承
6、比特殊结构轴承便宜。图11-4 调心轴承11.1.4 滚动轴承代号滚动轴承代号 表表11-2 滚动轴承代号的构成滚动轴承代号的构成 1.内径代号内径代号 最右边两位数字表示轴承的公称内径尺寸。当轴承内径在20480 mm范围内,内径代号乘以5即为轴承内径尺寸,单位为mm。内径在1017 mm的代号见表11-3。对于内径小于10 mm和大于等于500 mm的轴承,内径表示方法另有规定,可参见轴承手册。表表11-3 轴承内径表示方法轴承内径表示方法 2.直径系列代号直径系列代号 右起第三位数字是直径系列代号。直径系列指同一内径、结构相同的轴承有几种不同的外径(如图11-5所示)。国标规定,直径系列
7、代号有7,8,9,0,1,2,3,4,5等外径尺寸依次递增的系列。图11-5 不同直径系列的对比 3.宽度系列代号宽度系列代号 右起第四位数字是宽度系列代号,代号用8,0,1,2,3,4,5,6表示,其宽度尺寸递增如图11-6所示。相同内径的同类型轴承,外廓尺寸大(外径,宽度)则承载能力强。图11-6 不同宽度系列的对比 4.轴承类型代号轴承类型代号 表表11-4 内部结构代号内部结构代号 表表11-5 公差等级代号公差等级代号 5.代号举例代号举例 7208AC轴承类型代号为7,表示角接触球轴承;宽度系列代号为0(不标出),直径系列代号为2,属于轻型;内径为40 mm,接触角25,公差等级0
8、级。N2312P6内径为60 mm,23(中宽)系列的圆柱滚子轴承,公差等级6级。11.2 滚动轴承的计算滚动轴承的计算11.2.1 滚动轴承的工作情况分析滚动轴承的工作情况分析 滚动轴承内、外套圈间有相对运动,滚动体既有自转又围绕轴承中心公转。以径向接触轴承为例,轴承承受中心轴向力Fa与径向力Fr。在理想状态下,轴向力由各滚动体均匀分担,而径向力只由半圈滚动体承受(如图11-7),最下面的滚动体所受载荷最大。轴承在工作状态下,滚动体与旋转套圈承受变化的脉动接触应力,固定套圈上最下端一点承受最大脉动接触应力。图11-7 滚动轴承受力图 11.2.2 滚动轴承失效形式和计算准则滚动轴承失效形式和
9、计算准则 滚动轴承的主要失效形式有以下几种:滚动轴承的主要失效形式有以下几种:1.疲劳点蚀疲劳点蚀 轴承工作时,滚动体和内、外套圈的接触处产生循环变化的接触应力。长期工作产生疲劳点蚀,使轴承运转时产生振动、噪音,运转精度降低。2.塑性变形塑性变形 对转速较低和间歇摆动的轴承,在承受较大的冲击或静载荷下,滚道和滚动体出现永久的塑性变形,当变形量超过一定界限便不能正常工作。3.磨损磨损 在多粉尘或润滑不良条件下工作时,滚动体和套圈工作表面容易产生磨损。速度过高时还会出现胶合、表面发热甚至滚动体回火。在选择轴承时,应针对这几种失效形式进行适当计算。对一般回转的滚动轴承,其主要失效形式是疲劳点蚀破坏,
10、应进行轴承寿命计算。对于低速和摆动轴承,主要失效形式是塑性变形,应按额定静载荷进行强度计算;对于载荷较大或有冲击载荷的回转轴承,也应进行静强度计算。对于高速轴承,其主要失效形式是磨损、烧伤,除了需要进行寿命计算外,还应验算极限转速。11.2.3 基本额定寿命和基本额定动载荷基本额定寿命和基本额定动载荷 1.滚动轴承的寿命滚动轴承的寿命 滚动轴承任一元件的材料首次出现疲劳点蚀前的总转数或在某一给定的恒定转速下运转的小时数称为轴承寿命。2.基本额定寿命基本额定寿命 一批相同型号的轴承,在同样的工作条件下,其寿命一般并不相同,最低与最高寿命相差可达数十倍。基本额定寿命是指一批相同的轴承,在相同运转条
11、件下,其中90在疲劳点蚀前能运转的总转数或给定转数下能运转的总工作时数。其可靠度为90。即当一批轴承工作运转达到额定寿命时,有10的轴承已先后出现疲劳点蚀。寿命单位若为转数,用L10表示;若为工作小时数,用Lh10表示。3.基本额定动载荷基本额定动载荷 轴承的基本额定寿命为一百万转(106r)时所能承受的最大载荷为轴承的基本额定动载荷,以C表示。在基本额定动载荷C作用下,这些轴承中的90可以工作106r,而不发生点蚀失效。显然,轴承基本额定动载荷数值高,则抗点蚀破坏的能力相应要强。这里的基本额定动载荷,对向心轴承指纯径向载荷,对角接触轴承指载荷的径向分量,两者均称为径向基本额定动载荷,用Cr表
12、示;对于推力轴承指的是纯轴向载荷,称为轴向基本额定动载荷,用Ca表示。轴承基本额定动载荷的数值与轴承的结构、尺寸、材料及制造精度有关,需要时可查阅有关设计手册或轴承生产厂家的产品样本。11.2.4 滚动轴承的当量动载荷滚动轴承的当量动载荷 1.滚动轴承的当量动载荷滚动轴承的当量动载荷 在实际使用中,轴承往往既承受轴向载荷又承受径向载荷,为了便于研究,将实际的轴向、径向载荷等效为一假想的当量动载荷P来处理,在此载荷作用下,轴承的工作寿命与在实际工作载荷下的寿命相等。其计算公式为 P=XFr+YFa(11-1)式中:P当量动载荷(N);Fr轴承所承受的实际径向载荷(N);Fa轴承所承受的实际轴向载
13、荷(N);X,Y径向载荷系数和轴向载荷系数,见表11-6。对于圆柱滚子轴承和滚针轴承Y0;对于推力轴承X0。2.径向载荷系数径向载荷系数X和轴向载荷系数和轴向载荷系数Y的确定的确定 表表11-6 径向载荷系数径向载荷系数X和轴向载荷系数和轴向载荷系数Y 表表11-6 径向载荷系数径向载荷系数X和轴向载荷系数和轴向载荷系数Y 11.2.5 滚动轴承寿命计算滚动轴承寿命计算 轴承的载荷P与寿命L10的关系可以用疲劳曲线表示(如图11-8所示),其表达式为 61010PCL即 61010CLP式中:P轴当量动载荷,N;L10滚动轴承的基本额定寿命,106 r;轴寿命系数:对于球轴承3,对于滚子轴承1
14、03。图11-8 滚动轴承的P-L曲线 在实际应用中,习惯用表示小时数Lh10描述轴承的寿命,若轴承的转速为n,L10=60nLh10,则有 PfCfnLPth6010610(11-2)式中:ft温度系数,考虑到在工作温度高于120时,轴承材料的硬度下降,导致轴承的基本额定动载荷C下降,其值查表11-7;fP载荷系数,考虑冲击和振动载荷对轴承当量动载荷的影响,其值查表11-8。如果已知轴承的当量动载荷P、转速n,设计机器时所要求的轴承预期寿命Lh 也已确定,则可计算出轴承应具有的基本额定动载荷C值,从而可根据C值选用所需要的轴承 61060htPnLfPfC(11-3)在选择轴承型号时,应满足
15、CC。表表11-7 温温 度度 系系 数数 ft表表11-8 载载 荷荷 系系 数数 fP 表表11-9 轴承预期寿命轴承预期寿命L h的推荐值的推荐值 【例例11-1】某减速器的高速轴,已知其转速n960rmin两轴承处所受的径向载荷分别为Fr11500 N,Fr2=1200 N,轴向工作载荷Fa=520 N,轴颈直径d=40 mm,要求轴承使用寿命不低于25 000 h。传动有轻微冲击,工作温度不高于100,试确定轴承型号。解解 本题属未定轴承型号的问题,故初选轴承型号,再经计算确定型号。(1)根据工作条件,传动有轻微冲击,查表11-8得fP=1.2,温度不超过100,由表11-7查得ft
16、=1。(2)求当量动载荷P。该轴承既受径向载荷又受轴向载荷,FrFa,转速较高,所以选深沟球轴承。初选6208轴承,查手册得Cr=29.5 kN,C0r=18 kN。根据FaC0r=520/18 000=0.029,查表11-6得e=0.22;Fa/Fr1=0.35e,由表11-6通过查值得X=0.56,Y=1.98,故P1=XFr1+YFa=(0.561500)+(1.98520)=1869.6 N(3)计算所需的额定动载荷C。NnLfPfChtp7.3342510000209606016.18692.11060366由于CCr,故6208轴承满足要求(如果不满足上式要求,可选择6308或更
17、大的直径系列和宽度系列的轴承)。11.2.6 角接触轴承的内部轴向力角接触轴承的内部轴向力 1.角接触轴承的内部轴向力的确定角接触轴承的内部轴向力的确定 角接触轴承的结构特点是在滚动体与外圈滚道接触处存在着接触角。当它承受径向载荷时,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11-9)。各个滚动体上所受轴向分力的合力即为轴承的内部轴向力S。内部轴向力S的大小的近似计算式见表11-10。内部轴向力S的方向为从外圈的宽边指向窄边。图11-9 角接触轴承的内部轴向力 表表11-10 内部轴向力内部轴向力S的计算公式的计算公式 2.轴承的装配形式轴承的装配形式 图11-10 角接触轴承成对
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