1、第十章 轴承,$13-1 概述,轴承是支持心轴或转轴的部件。有时也作为 支承轴上的转动零件。根据承受载荷的方向不同，轴承可分为：向心（径向）轴承承受与轴的中心线相垂直的载荷；推力（轴向）轴承承受与轴的中心线方向相一致的载荷。,根据相对运动表面的摩擦性质，轴承又可分为滑动轴承和滚动轴承。在滑动轴承中，根据润滑摩擦状态不同，又分为液体摩擦滑动轴承（两滑动面完全被油膜隔开）和非液体摩擦滑动轴承（两滑动面有直接接触），这里主要介绍非液体摩擦滑动轴承。,$13-2 滑动轴承的结构,滑动轴承通常由轴承体，轴瓦及轴承衬（轴瓦上的涂层），润滑装置等部分组成。但简单轴承可不用轴瓦和润滑装置。,一、向心滑动轴承1
2、.整体式如图10-1，整体式滑动轴承可由轴承体（座）、轴瓦（满足轴承材料要求，可以更换的部件）组成。通常用螺栓将轴承固定在机架上。,分为凸缘轴承图13-3和普通轴承图10-1。最简单的可在机器壳体上直接钻出或镗出孔，孔中装轴瓦。整体式向心滑动轴承无法调节轴颈和轴承孔间的间隙。当轴瓦磨损后必须更换；安装时必须作轴向位移，很不方便。,2.对开式典型的对开式向心滑动轴承如图10-2所示。它由轴承座1、轴承盖2、剖分式轴瓦3、轴承盖螺栓4组成。盖与座的剖分面做成阶梯形榫口，在安装时便易对准，减轻螺栓受横向载荷。,由于盖与座剖分面间留有不大的间隙，这样当轴瓦磨损后，适当地取去轴瓦剖分面间的垫片，拧紧螺栓
3、，就可调整间隙，继续使用。另外装拆时不需要作轴向位移，故较方便。,轴承所受的径向力方向一般不超过对开剖分面垂直线左右35的范围，否则应采用对开式斜滑动轴承（图10-3）。,3.自动调心式如图10-5，具有可动的轴瓦，可使轴颈与轴瓦保持良好接触，避免因安装误差或轴的变形而引起轴承边缘产生严重磨损（图10-4）。,当轴承的宽径比,二、推力滑动轴承1.端面推力轴承见图10-6，它由轴承座1、衬套2、向心轴瓦3和推力轴瓦4组成。轴瓦底部制成凸球面与轴承座配合以便于对中，并用销钉5定位以防止其旋转。轴端制成圆环状。润滑油从下部油管注入，从上部油管导出。,2.环形推力轴承见图10-7，其轴向力是由与轴环接
4、触的轴瓦凸缘承受。这种轴承结构可以是单环或多环的型式，多环式用于轴向载荷较大的场合。,三、轴瓦轴瓦是轴承中直接与轴径接触的部分。轴瓦的结构和材料选择直接影响滑动轴承的工作能力和使用寿命。轴瓦可以制成整体式和剖分式两种。图10-8所示为剖分式轴瓦，其两端的凸肩用以防止轴瓦的轴向窜动，并能承受一定的轴向力。,轴瓦可以用单一的减摩材料制成，但为了节省贵重的金属材料（如轴承合金）及提高轴承的工作能力，通常制成双金属轴瓦，如图10-9所示。,在强度较高、价格低廉的轴瓦（用钢、铸铁或青铜制造）内表面上浇注一层减摩性更好的合金材料，通常称为轴承衬，其厚度在从十分之几毫米到6毫米不等。,为了使润滑油能够很好地
5、分布到轴瓦的整个工作表面，在轴瓦的非承载区上要开出油沟和油孔。常见的油沟型式如图10-10所示。,图a所示为轴向油沟，润滑油沿轴向输入并充满油沟，通过轴径转动使油分布于周向；图b为斜向油沟。为了使油在整个接触面上均匀分布，油沟沿轴向应有足够的强度，通常取为轴瓦宽度的80%左右，但不应开通，以免油从轴瓦两端大量流失。此外，油沟的部位应开在非承载区，使润滑油从非承载区引入，以免降低轴承的承载能力。,$13-3 滑动轴承的材料,轴承盖及轴承座一般均采用灰铸铁制造，只是在特别重载及冲击很大的情况下，才用铸钢制造。,轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。为了降低摩擦 ，减小磨损和保证轴承的预期寿命，要求轴承
6、材料与轴颈材料间具有小的摩擦系数，高的耐磨性及抗胶合性，足够的强度和塑性，良好的导热和防腐蚀性，且工艺性好，价格便宜。因轴较轴瓦贵，故轴颈材料应更耐磨。,工业上常用的轴承材料有金属与非金属两大类：一、金属：1.轴承合金（巴氏合金，又称白合金）：主要是锡、铅、锑、铜的合金。由于其减摩性和耐磨性好，塑性高，跑和性能好，导热性大，抗胶合性能好，与油的吸附性好，故适用于重载、高中速情况。轴承合金的强度小，价格较贵，使用时必须浇铸在青铜、钢或铸铁的轴瓦上，形成薄涂层，即轴承衬。,2.青铜：青铜比轴承合金硬，耐磨性好，机械强度较高，但其跑和性、塑性较差，适用于重载及中速的情况下。,3.粉末合金：铁粉（或铜
7、粉）与石墨粉混合调匀后直接压制成轴瓦，然后在高温下焙烧，成为多孔性金属。优点是吸油、润滑好；缺点是韧性小，只适于无冲击、中小速场合。也称其为含油轴承。,4.铸铁：各种性能均不如轴承合金和青铜，但价格便宜，适于轻载低速。,二、非金属：常用的材料有工程塑料、硬木、橡胶等。常用金属轴瓦材料见表10-1。,$13-4 非液体摩擦滑动轴承的计算,非液体摩擦滑动轴承常因磨损、胶合及持久强度不够而损坏。目前，常用磨损的条件性计算作为设计依据，即在按强度及结构要求定出主要尺寸后，进行轴承工作面上的压强及压强和速度乘积的验算。,一、向心轴承1.压强计算限制轴承的压强可以保证其润滑、减少磨损。轴承投影面上压强的验
8、算式为：式中：Fr为轴承所受的径向载荷；d为轴颈的直径；L为轴承的宽度（见图10-11）；p为许用压强，其值见表10-1。,2. 压强和速度乘积计算pv值与轴承的摩擦功率成正比，可以间接表示轴承的工作温度。对载荷较大和速度较高的轴承，为了保证轴承运转时不产生过多的热量，以避免边界油膜破裂及胶合现象，需要进行pv的验算。,其验算式：式中：n为轴颈的转速(r/min)，d为轴颈直径(mm)，L为轴瓦宽度(mm)，Fr为最大径向载荷，pv为许用值，见表10-1。,一、推力轴承非液体摩擦推力滑动轴承多为环状。验算时，假设轴承压力是均匀分布在支承面上。1.轴承压强的验算：其验算式为：式中：Fa为轴承所受
9、的最大计算轴向载荷；一般取d1(0.4-0.6)d2；p为许用压强值，其值列于表10-2中 。,2.轴承压强和速度乘积的验算验算式pvmpv，式中：vm为环形支承面平均半径处的圆周速度：pv为许用值 见表10-2。,例题13-1：试按全液体摩擦设计一对向心滑动轴承。已知这对轴承受径向载荷量为20000N，转速30r/min，轴颈直径120mm。解：1.决定滑动轴承上的径向载荷2.选取轴承宽径比3.验算压强,4.验算PV：选用2CuAl10Fe3作为轴瓦材料是足够的，因其P = 15 Mpa ，,$13-5 滚动轴承的类型和代号,一、类型如图10-14，滚动轴承由外圈1、内圈2，滚动体3和保持架
10、4组成。内圈和轴颈配合，外圈和轴承座或机座配合。通常是内圈随轴旋转，外圈不转，也可以是外圈旋转而内圈不转。,根据滚动体的形状（图10-15），滚动轴承分为球轴承及滚子轴承两大类。滚子轴承分为短圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承和球面滚子轴承。,滚动体与轴承套圈接触处的法线与轴承径向平面（垂直于轴承轴心线的平面）之间的夹角称为公称接触角（图10-16）。,滚动轴承的类型很多，按其能承受的载荷方向或公称接触角的不同可分为：1) 向心轴承: 主要用于承受径向载荷，其公称接触角为0至45，其中公称接触角0的轴承为径向接触轴承（图10-16a）；公称接触角大于0至45的为向心角接触轴承（图b），能同时
11、承受径向和轴向载荷。,2) 推力轴承: 公称接触角大于45至90，其中90为轴向接触轴承（图10-16c），只能承受轴向载荷。,常用滚动轴承的类型及性能特点见表10-2。二、代号滚动轴承的类型、结构及尺寸规格很多，为了便于生产和使用，规定了轴承的代号。国家标准GB/T 272-1993规定的轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号构成，如表10-3所示。,1.基本代号基本代号： 由类型代号、尺寸系列代号和内径代号依次排列构成。类型代号： 用数字和字母表示。常用滚动轴承的类型代号见表10-2。,内径代号： 用基本代号右起第一、第二位数字表示。对于内径为20-495mm的轴承，代号数乘以5即为轴承内
12、径值（mm）。内径小于20mm，等于和大于500mm及等于22mm、28mm、32mm的轴承，其内径代号另有规定。,尺寸系列代号 ：轴承的尺寸系列是宽度系列（对于推力轴承是高度系列）和直径系列的组合，表示内径相同的轴承可具有不同的外径和宽度（或高度）。尺寸系列代号是由两位数字构成，左面的数字表示宽度（或高度）系列，右面数字表示直径系列，代号见表10-4。,常用轴承的尺寸系列代号及由轴承类型代号与尺寸系列代号组成的组合代号见表10-2。,2.前置、后置代号前置和后置代号表示轴承结构形状、材料、密封、公差等级的改变，其内容较多，下面介绍后置代号中的两个常用代号。,内部结构代号： 用字母表示轴承内部
13、结构的改变。如：角接触球轴承的公称接触角有15、25和40三种，分别用C、AC和 B 紧跟着基本代号表示。,轴承公差等级代号：轴承公差等级有0、6、6x、5、4、2级，共有6个级别，2级最高。其代号分别为/P0、/P6、/P6x、/P5、/P4和/P2。0级为普通级，在轴承代号中不标出。,以上介绍的是滚动轴承代号的最基本、常用的部分，轴承详细的代号方法可查阅有关资料。轴承代号示例：1） 6210/P4表示内径为50mm、尺寸系列为02、公差等级为4级的深沟球轴承；2） 7308 AC表示内径为40mm、尺寸系列为03、公称接触角25的普通级角接触球轴承。,三、类型的选用原则：按以下几点来选择：
14、1) 球轴承旋转精度和极限转速较高，但承载能力和抗冲击能力较差，故适用于高速、高精度和轻载场合。其价格低廉，故较常用。2) 滚子轴承与球轴承正相反，它适用于转速较低，重载和有冲击的场合。,3) 同时受径向和较大的轴向载荷时，一般可用角接触轴承或圆锥滚子轴承，轴向载荷再大时，可将径向和轴向接触轴承组合使用。 4) 角接触和圆锥滚子轴承通常都是成对使用，必须反向安装，可装在轴的两端；也可一端装一对，另一端装一径向接触轴承。,5) 对不能保证同心度的轴，如刚性小和多支点的轴，应选用调心轴承。 6) 选择轴承时还要考虑经济性。一般球轴承比滚子轴承便宜；公差等级愈高，轴承价格愈贵。,$13-6 滚动轴承
15、的计算,一、几个概念1.寿命：大部分滚动轴承是因疲劳点蚀而失效。任一个轴承上出现疲劳点蚀前转过的总转数N，或在一定转速n下工作的总小时数h称为轴承寿命。N=60nh 。,2. 基本额定寿命L：同类型、同尺寸的一批轴承的寿命并不相同，所以不能以单个轴承的寿命为准，因此，规定一批相同的轴承在相同条件下运转，其中90%的轴承不发生疲劳点蚀前所转过的总转数，或在一定转速下工作的总小时数为基本额定寿命。如一批抽检10个轴承：这批轴承的基本额定寿命为：3200小时。,3. 基本额定动载荷C：轴承的额定寿命与所受载荷成反比，规定基本额定寿命为106转时的载荷（向心轴承按径向载荷Cr，推力轴承按轴向载荷Ca）
16、，称为基本额定动载荷。,4.基本额定静载荷C0： 对于非回转或低速转动（n10 r/min)的轴承，其主要失效形式不是疲劳点蚀，而是塑性变形。将轴承滚动体与滚道接触产生的塑性变形量之和达到滚动体直径的万分之一时的载荷，称为基本额定静载荷。也有径向载荷C0r和轴向载荷C0a之分。,5. 当量动载荷P：滚动轴承的基本额定动载荷C的数值可由有关标准中查得(如表10-5)，它是在一定条件下确定的(如L=106转，向心受纯径向，推力受纯轴向载荷等)，当实际载荷与上述条件不同时，必须将其换算为相同后才能与基本额定动载荷相互比较计算，换算后的载荷是一假定的载荷，称为当量动载荷。即在当量动载荷作用下与实际载荷
17、（如复合载荷）作用下的额定寿命相同，可相互等效 。6.当量静载荷P0：与当量动载荷类似，用于静载荷的计算。,二、承受动载荷能力的计算根据实验研究，滚动轴承的基本额定寿命L(106转)与基本额定动载荷C(N)，当量动载荷P(N)之间的关系为：n为转速。,选择轴承时，一般是根据已知条件通过P求出需要的额定动载荷C：然后从手册中（如表10-5）按稍大于C的数查出所选轴承 的尺寸。,需要指出，只有在轴承工作温度低于120时C可直接由手册中查出，或由C值选择轴承尺寸；高于120时应对求出的C值进行修正，乘以温度系数ft,其值见表10-6。,上式中的P值需通过换算求出。考虑径向载荷Fr和轴向载荷Fa的联合
18、作用，同时考虑附加动载荷（冲击、振动等）的影响（载荷系数fF，见表10-8）,P 换算式为：P = fF(XFrYFa)X和Y分别为动径向载荷系数和动轴向载荷系数，见表10-5；e是一个判断系数，称为计算临界系数,对只能承受径向载荷的轴承（如向心滚子、滚针轴承等），P=fFFr，对只能受轴向载荷的轴承（如推力轴承），P=fFFa。,三、承受静载荷能力的计算对于非回转或低速回转(n10r/min）的轴承，应按基本额定静载荷C0选择轴承尺寸，或对低速轴承，按动载荷算出的轴承尺寸也需要按静载荷验算。有关系式C0S0P0 式中：S0为安全系数，见表10-9。C0值见表10-5，P0为当量静载荷，其换算
19、式为：P0X0FrY0Fa，X0、Y0分别为静径向载荷系数和静轴向载荷系数，见表10-5。,例题12-2 试选用一深沟球轴承，以承受4KN的径向载荷，转速为600r/min，使用寿命为1200h。载荷平稳。 解：因不受轴向载荷，并取fF1，所以PFr，即工作载荷为4KN。由表10-5查得6206轴承的基本额定动载荷Cr19500N，故可选用。,例题12-3 ：试为一鼓风机选一轴承类型及尺寸。已知轴径直径d35mm，转速n2900r/min，轴承受径向载荷Fr1800N，轴向载荷Fa450N，使用时间8000h。 解：(1)选择轴承类型及尺寸：由于转速较高，轴向载荷比径向载荷小得多，故选用深沟球
20、轴承。又已知d35mm，初选6207轴承，由表10-5查得Cr25700N，C0r15300N。(2)计算当量动载荷：,由表10-5查得e0.22 由表10-5查得x0.56，Y1.99 PXFrYFa0.5618001.994501903.5 N,(3) 计算必需的基本额定动载荷：由表10-8查得fF1.3,由表10-6查得ft1.0，则,(4) 重选6307轴承：由表10-5查得：Cr33400N，C0r19200N(5) 计算必须的基本额定动载荷：由表10-5查得 e0.21，由表10-5查得X0.56，Y2.1故PXFrYFa0.5618002.14501953N,故选择的6307轴承
21、满足要求。,题10-15 ：某传动装置中的一根传动轴上装有齿轮及带 轮，尺寸如图所示。齿轮上圆周力Ft780N，径向力Fr290N，V带作用在轴上的力FQ2020N(与水平线成30)，转速 n1420r/min，要求寿命Lh10000h，轴承处轴径d40mm。若采用深沟球轴承，试选择轴承型号。,解：如图，轴承只受径向力，选坐标系OXY，设1轴承和2轴承在X向和Y向对轴的支承反力分别为 Rx1、Ry1和 Rx2、Ry2，方向如图。根据工程力学空间力系平衡条件，分析轴上力系有：,解得: Ry2-1193.89 N , RX22495.3 N ,Ry1473.88 N , RX134.1 N 。2轴
22、承所受径向载荷（数值等于总支承反力）：1轴承所受径向载荷（数值等于总支承反力）：取fF和ft均为1,则当量动载荷 P1Fr1 , P2Fr2,额定动载荷d40mm, 查表10-5, 1轴承和2轴承均可选6208型。,$13-7 滚动轴承组合设计,滚动轴承除产生疲劳点蚀的失效形式外,其它失效形式均可通过合理的结构设计加以避免。所以,滚动轴承在类型、尺寸选择后,还应正确地设计好轴承及其相关件之间的组合结构。组合设计时,主要考虑以下各方面的问题。,一、保证支承的刚度和同轴度轴和安装轴承的轴承座或机体必须有足够的刚度，否则会因这些零件的变形而使滚动体的运动受到阻碍，影响旋转精度，导致轴承过早损坏。为此
23、，轴承座应有适当的壁厚，或加肋以增加刚度（图10-18）。,同一轴上各轴承孔要保证必要的同轴度,否则轴安装后会产生较大变形,影响轴承运转。因此,应尽可能采用整体铸造机壳,并采用直径相同的轴承孔,以便于加工。,二、轴承的固定和调整为了使轴和轴上零件在机器中有确定的位置,并能承受轴向载荷,必须固定轴承的轴向位置,同时还应考虑轴因受热伸长后,不会卡住滚动体而影响运转性能。1. 轴的支承结构的基本型式轴的支承结构型式常用的有以下两种：,(1) 两端单向固定 如图10-19a所示,这种方法是利用轴肩顶住轴承内圈,轴承盖顶住外圈,每一个支承只能限制一个方向的轴向移动。考虑温升后轴的伸长,对深沟球轴承,需在
24、轴承外圈与轴承端盖间留有0.2-0.4mm 的间隙。,对于角接触轴承(圆锥滚子轴承和角接触球轴承)是在安装时使轴承内部留有适当的轴向间隙。此间隙是靠增减轴承端盖与箱体间的垫片(图10-19b)来保证。,也可用调节螺钉改变轴承外圈上压盖的位置来实现调整间隙(图10-20)。这种固定结构简单,便于安装,但仅适用于温升不高的短轴。,(2) 一端双向固定对工作温度较高的长轴；由于其热伸长量大,应将一个支承处的轴承内、外圈两侧固定,而另一支承的轴承可沿轴向自由游动(图10-21a)。图10-21b所示则是将两个角接触轴承装在轴的一端并一起双向固定,另一端自由游动的支承采用深沟球轴承。,2.滚动轴承的轴向
25、固定内圈在轴上的轴向固定方法如图10-22所示,图a为利用轴肩单向固定,只能承受单向轴向力；图b为利用轴肩和弹性挡圈嵌入轴的环槽内作双向固定；图c为利用轴肩和轴端挡圈固定轴承内圈；图d为利用轴肩和轴端螺母固定。,外圈在轴承孔内的轴向固定方法如图10-23所示。图a为利用端盖单向固定,可以承受较大的轴向力；图b为利用端盖和凸肩作双向固定,可承受较大的双向轴向力；图c为利用弹性挡圈和凸肩作双向固定,只能承受较小的轴向力。,3.轴向位置的调整为了使轴上零件具有准确的工作位置,要求轴承组合的轴向位置可以调整。如图10-24a所示的锥齿轮传动,要求两个齿轮的锥顶重合于一点,因此需要调整两锥齿轮的轴向位置
26、。图b所示的圆锥齿轮轴的轴承组合结构中设置了两个垫片组,其中轴承盖与套杯间的一组垫片用来调整轴承内间隙；机体与套杯间的垫片用来调整锥齿轮的轴向位置。,三、滚动轴承的配合和装拆1.滚动轴承的配合滚动轴承的配合是指内圈与轴颈、外圈与轴承座孔的配合。这些配合的松紧将直接影响轴承间隙的大小,从而关系到轴承的运转精度和使用寿命。,轴承的配合,应根据轴承的类型、尺寸,载荷、转速以及内外圈是否转动来确定。轴承是标准件,其内圈与轴颈的配合采用基孔制,外圈与座孔的配合采用基轴制。转动套圈(通常为内圈)的转速愈高、载荷和振动愈大以及工作温度变化较大时,应采用较紧的配合。不动套圈(通常为外圈)、游动套圈或经常拆卸的
27、轴承应采用较松的配合，其公差与配合的具体选择,可参考有关机械设计手册。,2.轴承的装拆设计轴承组合时,必须考虑轴承的安装与拆卸。轴承内圈与轴颈的配合通常较紧,可采用压力机在内圈上加力将轴承压套到轴颈上。大尺寸的轴承,可将轴承放在80-120的油中加热后进行热装。装拆轴承须用专用的拆卸工具,如图10-25a所示。为便于拆卸轴承,内圈在轴肩上应露出足够的高度 ,或在轴肩上开槽(图b),以便放入装拆工具的钩头。,$13-8 轴承的润滑和密封,轴承润滑的目的,是为了减少摩擦和磨损,提高效率和延长使用寿命,同时润滑剂也起冷却、吸振、防锈和减少噪音的作用。,一、润滑剂最常用的有液体的和半固体的两种，前者称
28、为润滑油，后者称为润滑脂。（降低摩擦，减轻磨损）。润滑油的性能指标主要有粘度和油性。粘度是指液体流动时内部摩擦阻力的度量；油性是指润滑油吸附在接触表面的能力。当转速高、载荷小时，选低粘度润滑油，反之亦然。,润滑脂的特性通常用针入度（稠度）、滴点和耐水性来衡量：针入度系指用一特制锥形针在5秒内刺入润滑脂内的深度，借以衡量其稠密程度。滴点系指温度升高时，润滑脂第一滴掉下时的温度，借以衡量其耐热性。耐水性系指润滑脂与水接触时，其特性的保持程度。润滑脂多用在低速及重载或摆动的轴承中。,二、润滑装置 请自阅 三、密封1.接触式：常用的有毡圈式（用于低速V5m/s，图10-32a）和唇式（用于高速V12m
29、/s，图10-32b)两种。后者较前者密封性能好。,2.非接触式：常用的有间隙式（图10-33a）和迷宫式（图10-33b）两者缝隙内都填充润滑脂。后者较前者密封好，但结构复杂，安装要求高。,题10-6：某机械上采用对开式向心滑动轴承，已知轴承处所承受的载荷Fr200000N，轴径直径d200mm , 轴的转速n500r/min，工作平稳，试设计该轴承。解：选用铅青铜(ZCuPb30)作为轴瓦材料，因其p254Mpa，pv=3020.95MPam/s，故能满足该轴承的要求。,题10-10： 说明下列轴承代号的意义：N210、6308、6212/P4、30207/P6、51308 。 解：N210: 内径50mm，尺寸系列为02、普通级的圆柱滚子轴承。6308：内径40mm、尺寸系列03、普通级的深沟球轴承。6212/P4：内径60mm、尺寸系列02、公差等级为4级的深沟球轴承。30207/P6：内径35mm、尺寸系列02、公差等级为6级的圆锥滚子轴承。51308：内径40mm、尺寸系列13、普通级单向推力球轴承。,
