機械設(shè)計教程第3版機械工業(yè)出版社第九章滾動軸承第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號第二節(jié)滾動軸承的受力、應(yīng)力分析及其失效形式第三節(jié)滾動軸承的類型選擇第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算第五節(jié)滾動軸承的靜態(tài)承載能力計算

第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號一、滾動軸承的結(jié)構(gòu)滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)如圖9-1所示。它是由內(nèi)圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成的。保持架的作用是把滾動體均勻地隔開。滾動體的形狀很多,常見的有球、圓柱滾子、滾針、圓錐滾子、球面滾子和非對稱球面滾子等,如圖9-2所示。圖9-1滾動軸承的典型結(jié)構(gòu)1—內(nèi)圈2—外圈3—滾動體4—保持架第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號一、滾動軸承的結(jié)構(gòu)圖9-2滾動體的類型a)球b)圓柱滾子c)滾針d)圓錐滾子e)球面滾子f)非對稱球面滾子第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號二、滾動軸承的主要類型和性能按滾動體來分,滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承;按滾動軸承能否自動調(diào)心,可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承;按滾動軸承的滾動體列數(shù)來分,可分為單列、雙列和多列軸承;按滾動軸承能承受主要載荷的方向來分,有向心軸承(α=0°)、推力軸承(α=90°)和角接觸軸承(0°<α<90°)。α為公稱接觸角,是指滾動軸承的外圈與滾動體接觸點的法線和垂直于軸承軸線平面的夾角。向心軸承主要承受徑向載荷;推力軸承主要承受軸向載荷;角接觸軸承可以承受徑向、軸向聯(lián)合載荷(接觸角α越大,其承受軸向載荷的能力也越大)。為了滿足不同的需要,向心角接觸球軸承有α=15°(70000C型)、α=25°(70000AC型)和α=40°(70000B型)等多種公稱接觸角;圓錐滾子軸承的接觸角α≈10°~29°。滾動軸承是標準件,在滾動軸承的國家標準中,將滾動軸承分為13種基本類型,表9-1中列出了其中常見的幾種。此外,還有附加其他元件如密封蓋、緊定套或支承座等的滾動軸承,以及滾針軸承與推力球軸承的組合等。生產(chǎn)滾動軸承的廠商很多,知名品牌及網(wǎng)址參見教材網(wǎng)絡(luò)資源。第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號二、滾動軸承的主要類型和性能第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號二、滾動軸承的主要類型和性能第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號二、滾動軸承的主要類型和性能第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號三、滾動軸承的代號滾動軸承的類型很多,同一種類型又有不同的結(jié)構(gòu)、尺寸和公差等級區(qū)別,為了便于制造、標記和選用,GB/T272—2017和JB/T2974—2004中規(guī)定了滾動軸承代號表示方法。軸承代號由基本代號、前置代號和后置代號組成,其含義見表9-2。第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號三、滾動軸承的代號1.基本代號基本代號表示滾動軸承的類型、內(nèi)徑、直徑系列和寬度(或高度)系列。(1)內(nèi)徑代號

用基本代號右起第一、第二位數(shù)字表示。內(nèi)徑d=10~480mm(其中22、28、32mm除外)的常用軸承,其內(nèi)徑表示方法見表9-3。內(nèi)徑小于10mm和大于500mm的軸承的內(nèi)徑代號另有規(guī)定,見滾動軸承標準GB/T272—2017。(2)尺寸系列代號對于同一內(nèi)徑的軸承,為了能適應(yīng)不同承載能力、轉(zhuǎn)速或結(jié)構(gòu)尺寸的需要,采用不同大小的滾動體可以制成不同外徑和寬度(對于推力軸承則為高度),以基本代號右起第三(直徑系列)、第四位數(shù)字(寬度系列,0表示正常系列,可省略)代表外廓尺寸系列。結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)徑相同,直徑系列不同,軸承的寬度、直徑和額定動載荷不同,如圖9-3所示。(3)類型代號從基本代號右起第五位起,用1位或2位數(shù)字,或拉丁字母表示軸承的類型。常用軸承類型代號見表9-1。第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號三、滾動軸承的代號第一節(jié)滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號三、滾動軸承的代號2.前置代號前置代號表示成套軸承的分部件,用拉丁字母表示,代號及其含義見滾動軸承標準。3.后置代號后置代號是軸承在內(nèi)部結(jié)構(gòu)、密封防塵與外部形狀、軸承零件材料、保持架及其材料、公差等級、游隙、成對軸承在一個支點處配置方式等有變化時,在基本代號后面所加的補充代號。后置代號用拉丁字母(或加數(shù)字)表示,代號及其含義見滾動軸承標準。公差等級代號表示軸承制造的精度等級,分別用/P0(為普通級精度,可省略)、/P6x、/P6、/P5、/P4、/P2表示,精度按以上次序由低到高。游隙代號:軸承游隙是軸承滾動體與軸承內(nèi)外圈之間的間隙。代號有C2、CN、C3、C4、C5、CA、CM及C9等,具體含義可查看GB/T272—2017。例題9-1某軸承代號為16008,試判斷它的類型、內(nèi)徑尺寸、公差等級和游隙組別。解:查表9-1和表9-3,或查滾動軸承標準,可知各數(shù)字(自右至左)代號的含義如下:

08——內(nèi)徑代號,內(nèi)徑d=8×5mm=40mm;0——外廓尺寸系列代號(外徑和寬度都是較小的一種),其中特寬系列代號“0”省去不寫;16——類型代號,16代表深溝球軸承的一種。無后置代號,說明該軸承公差等級為0級,徑向游隙為0組。第二節(jié)滾動軸承的受力、應(yīng)力分析及其失效形式

以只承受徑向載荷FR的深溝球軸承為例,設(shè)有半圈滾動體承載,如圖9-4所示。承載區(qū)內(nèi)各位置的滾動體所承受的載荷大小是不同的,因而處于各位置的滾動體與內(nèi)、外圈之間的接觸應(yīng)力也是不同的。若軸承外圈固定,內(nèi)圈旋轉(zhuǎn),外圈承載區(qū)上某點接觸應(yīng)力都受脈動循環(huán)接觸應(yīng)力。在安裝、潤滑、維護良好的條件下,由于受變化的接觸應(yīng)力,滾動軸承的正常失效形式是滾動體、內(nèi)外圈滾道點蝕,故大多數(shù)的滾動軸承按動態(tài)承載能力來選擇其型號,即計算滾動軸承不發(fā)生點蝕前的疲勞壽命。如果滾動軸承不轉(zhuǎn)動、低速轉(zhuǎn)動(n≤10r/min)或擺動,則一般不會發(fā)生疲勞破壞,這時,軸承元件的主要失效形式是塑性變形。因此,應(yīng)按靜態(tài)承載能力來選擇軸承的尺寸(型號)。此外,工作環(huán)境惡劣(如多灰塵、酸堿腐蝕性介質(zhì)等)、密封不好、潤滑不良、安裝使用不當或高速重載等原因,也可能引起軸承發(fā)生過度磨損、化學(xué)腐蝕、元件碎裂或膠合而失效。不過,對這些失效形式,只要在設(shè)計和使用時注意防止,還是可以避免的。第二節(jié)滾動軸承的受力、應(yīng)力分析及其失效形式圖9-4軸承的受力和應(yīng)力圖a)軸承受力圖b)滾動體上某點的應(yīng)力圖c)內(nèi)圈上某點的應(yīng)力圖d)外圈上某點的應(yīng)力圖第三節(jié)滾動軸承的類型選擇

在設(shè)計機械時,滾動軸承的合理選擇是重要的一環(huán)。首先選擇軸承的類型,然后選擇軸承尺寸,即型號。滾動軸承的類型選擇可參考表9-4。第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算一、滾動軸承的基本額定動載荷和基本額定壽命滾動軸承的壽命是指軸承中任意元件出現(xiàn)疲勞點蝕前的總轉(zhuǎn)數(shù),或在一定轉(zhuǎn)速下的工作小時數(shù)。由于制造精度、材料均質(zhì)等差異,即使同樣材料、型號及同一批生產(chǎn)的軸承在同一條件下工作,其壽命也是非常離散的。軸承的可靠度與壽命的關(guān)系大致可描繪成圖9-5所示的曲線。滾動軸承的基本額定壽命是指同一批軸承,在同一條件下,其中10%的軸承產(chǎn)生疲勞點蝕,而90%的軸承不產(chǎn)生疲勞點蝕時,軸承所轉(zhuǎn)的總?cè)?shù)(用L10表示),或在一定轉(zhuǎn)速下的工作小時數(shù)(用Lh表示)。滾動軸承在基本額定壽命L10恰好等于106r(轉(zhuǎn))時所能承受的載荷,稱為基本額定動載荷,用C表示。對于向心軸承,標記為Cr;對于推力軸承,標記為Ca。對于向心軸承Cr值是平穩(wěn)的純徑向載荷;對于推力軸承Ca是平穩(wěn)的純軸向載荷;對于角接觸軸承,基本額定動載荷是特定條件下載荷的徑向或軸向分量。圖9-6所示的6208型軸承的基本額定動載荷Cr=29.5kN。C值與滾動軸承的類型、材料、尺寸等有關(guān)。各種型號軸承的Cr和Ca值在滾動軸承樣本和機械設(shè)計手冊中均可查得。第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算一、滾動軸承的基本額定動載荷和基本額定壽命圖9-5軸承壽命分布曲線第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算一、滾動軸承的基本額定動載荷和基本額定壽命圖9-6軸承(6208型)載荷-壽命曲線第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算二、壽命計算

第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算二、壽命計算

第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算三、滾動軸承當量動載荷P的計算滾動軸承實際運轉(zhuǎn)時所受的載荷性質(zhì)和工作條件與試驗時的載荷性質(zhì)和工作條件一般不完全一致。當實際載荷是既有徑向載荷又有軸向載荷的聯(lián)合載荷時,必須把它們換算成純徑向載荷值或純軸向載荷值,才能和基本額定動載荷C相比較。換算后的載荷是一個等效的假想載荷,稱當量動載荷P。通過大量的試驗研究和理論分析,人們研究了徑向載荷FR和軸向載荷FA聯(lián)合作用時對軸承壽命的影響,并建立了滾動軸承當量動載荷的計算公式如下:P=XFR+YFA(9-5)式中,FR為徑向載荷;FA為軸向載荷;X為徑向系數(shù),其值查表9-7;Y為軸向系數(shù),其值查表9-7。在應(yīng)用表9-7查X、Y時,對于一些軸承需要先確定系數(shù)e,它是表征軸向載荷對向心軸承受力影響的判別系數(shù),其數(shù)值與軸承的類別和實際接觸角有關(guān)。深溝球軸承(公稱接觸角α=0)和公稱接觸角較小(α=15°)的角接觸球軸承的實際接觸角隨實際軸向載荷FA的增大而增大。所以,可以按iFA/C0r或f0FA/C0r來確定判別系數(shù)e。C0r是滾動軸承的額定靜載荷,i是滾動體的列數(shù),f0是基本額定靜載荷的計算系數(shù),與滾動體的列數(shù)、滾動體直徑和滾動體個數(shù)有關(guān),詳見GB/T4662—2012。滾動體直徑和滾動體個數(shù)可以查閱滾動軸承產(chǎn)品樣本。表9-7中的X、Y值還與FA/FR≤e和FA/FR>e有關(guān)。例如,當FA/FR≤e時,表明軸向載荷FA對向心單列軸承壽命的影響很小或可不計。第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算三、滾動軸承當量動載荷P的計算第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算三、滾動軸承當量動載荷P的計算注:表中圓錐滾子軸承和調(diào)心球軸承,有的機械設(shè)計手冊或產(chǎn)品樣本沒有列出接觸角α,而是直接給出e值和Y值。第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算四、角接觸軸承和軸向載荷FA的計算為了計算滾動軸承的當量動載荷,須按力學(xué)方法計算軸承所受的徑向載荷FR和軸向載荷FA。但是在計算圓錐滾子軸承(30000型)和角接觸球軸承(70000型)所承受的載荷時,要注意兩點:第一,由于這兩種軸承結(jié)構(gòu)上的原因,在支撐軸時,它的支反力作用點不在軸承寬度B的中點,而在各滾動體的法向載荷作用線與軸線的交點O,如圖9-7所示。點O稱為載荷作用中心,點O到軸承外側(cè)面的距離a,可從滾動軸承樣本或《機械設(shè)計手冊》中查到。第二,它們承受徑向載荷FR時,各承載的滾動體均產(chǎn)生派生軸向力Fsi?？偱缮S向力等于各滾動體派生軸向力之和,即Fs=∑Fsi。派生軸向力Fs經(jīng)驗計算公式見表9-8,Fs的方向如圖9-7所示。第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算四、角接觸軸承和軸向載荷FA的計算圖9-7角接觸軸承載荷第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算四、角接觸軸承和軸向載荷FA的計算第四節(jié)滾動軸承的動態(tài)承載能力計算四、角接觸軸承和軸向載荷FA的計算圖9-8a、b所示為成對使用的角接觸球軸承的兩種安裝方式,其中圖9-8b所示為正裝(或稱“面對面”安裝),圖9-8a所示為反裝(或稱“背靠背”安裝)。圖9-8c、d所示分別為圖9-8a、b所示的受力簡圖。Fa和Fr是作用在軸上的外載荷,FR1、FR2分別是軸承1和軸承2的徑向支反力,Fs1、Fs2分別是軸承1和軸承2的派生軸向力。以圖9-8a、c為例,若Fa+Fs2≥Fs1時,軸(連同軸承內(nèi)圈和滾動體)有向左移動的趨勢。軸承1被“壓緊”,而軸承2被“放松”。被“壓緊”的軸承軸向力等于其余軸向力之和;被“放松”的軸承軸向