《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 》課件-第10章

項(xiàng)目十軸及軸承設(shè)計(jì)任務(wù)一軸的設(shè)計(jì)

任務(wù)二滾動軸承設(shè)計(jì)

任務(wù)三滑動軸承設(shè)計(jì)

知識目標(biāo)

(1)熟悉軸的類型。

(2)掌握軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

(3)掌握滑動軸承、滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型和代號。

(4)掌握滑動軸承、滾動軸承類型及型號選擇。

(5)能進(jìn)行滾動軸承的組合設(shè)計(jì)。

能力目標(biāo)

(1)能合理設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu);

(2)能根據(jù)軸上載荷合理選用滑動軸承、滾動軸承。

任務(wù)一軸的設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入設(shè)計(jì)圖10-1所示的斜齒輪減速器的低速軸。已知低速軸的轉(zhuǎn)速n=140r/min,傳遞的功率P=5kW,大齒輪齒數(shù)z=58,法面模數(shù)mn=3mm,齒輪分度圓螺旋角β=11°17'3″,左旋,齒寬b=70mm。圖10-1傳動機(jī)構(gòu)

任務(wù)實(shí)施

機(jī)器上所安裝的旋轉(zhuǎn)零件,例如帶輪、齒輪、聯(lián)軸器和離合器等都必須用軸來支承,才能正常工作,因此軸是機(jī)械中不可缺少的重要零件。本章將討論軸的類型、軸的材料和輪轂聯(lián)接,重點(diǎn)是軸的設(shè)計(jì)問題,其中包括軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算。軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是要合理確定軸的形狀和尺寸,設(shè)計(jì)中除應(yīng)考慮軸的強(qiáng)度和剛度外,還要考慮使用、加工和裝配等方面的許多因素。軸的強(qiáng)度使軸具有可靠的工作能力,其計(jì)算方法在工程力學(xué)中已經(jīng)介紹過。對于初學(xué)者,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較難掌握,因此,軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是重點(diǎn)之一。

一、軸的類型和常用材料

1.軸的類型及應(yīng)用

根據(jù)軸的承載性質(zhì)和功用可將軸分為心軸、傳動軸、轉(zhuǎn)軸三類。只承受彎矩而不承受轉(zhuǎn)矩的軸稱為心軸,如車輛軸和滑輪軸(見圖10-2)。只承受扭矩不承受彎矩或所受彎矩很小的軸稱為傳動軸,如汽車傳動軸(見圖10-3)。既承受彎矩又承受轉(zhuǎn)矩的軸稱為轉(zhuǎn)軸,如減速箱中的齒輪軸(見圖10-4)。轉(zhuǎn)軸在各類機(jī)械中最為常見。

按照軸的軸線形狀,可將軸分為直軸、曲軸和撓性軸。直軸各軸段軸線為同一直線。曲軸各軸段軸線不在同一直線上,主要用于有往復(fù)式運(yùn)動的機(jī)械中,如內(nèi)燃機(jī)中的曲軸(見圖10-5)。撓性軸軸線可任意彎曲,可改變運(yùn)動的傳遞方向,常用于遠(yuǎn)距離控制機(jī)構(gòu)、儀表傳動及手持電動工具中(見圖10-6)。另外還有空心軸、光軸和階梯軸(見圖10-7)。圖10-2心軸圖10-3傳動軸圖10-4轉(zhuǎn)軸圖10-5曲軸圖10-6撓性軸圖10-7階梯軸

2.軸的材料

軸的材料種類很多,選擇時應(yīng)主要考慮如下因素:軸的強(qiáng)度、剛度及耐磨性要求;軸的熱處理方法及機(jī)加工工藝性的要求;軸的材料來源和經(jīng)濟(jì)性等。

值得注意的是:由于常溫下合金鋼與碳素鋼的彈性模量相差不多,因此當(dāng)其他條件相同時,如想通過選用合金鋼來提高軸的剛度是難以實(shí)現(xiàn)的。

低碳鋼和低碳合金鋼經(jīng)滲碳淬火,可提高其耐磨性,常用于韌性要求較高或轉(zhuǎn)速較高的軸。

球墨鑄鐵和高強(qiáng)度鑄鐵因其具有良好的工藝性,不需要鍛壓設(shè)備,吸振性好,對應(yīng)力集中的敏感性低,近年來被廣泛應(yīng)用于制造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的曲軸等。只是鑄件質(zhì)量難控制。軸的毛坯多用軋制的圓鋼或鍛鋼。鍛鋼內(nèi)部組織均勻,強(qiáng)度較好,因此,重要的大尺寸的軸,常用鍛造毛坯。

二、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就是確定軸的形狀和尺寸。軸的形狀和尺寸與軸上零件的安裝拆卸和零件的定位及加工工藝有著密切的關(guān)系。因此軸的結(jié)構(gòu)沒有統(tǒng)一的形狀,進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先要分析軸上零件的定位和固定以及軸的結(jié)構(gòu)工藝性。．

對軸的結(jié)構(gòu)基本要求是:

(1)軸和軸上的零件有準(zhǔn)確定位和固定措施。

(2)軸上零件便于調(diào)整和裝拆。

(3)良好的制造工藝性。

(4)形狀、尺寸應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中。

為了便于軸上零件的裝拆,可以將軸制成階梯軸。

軸的各部分名稱:如圖10-8所示,軸頭是回轉(zhuǎn)零件配合的部分,軸上設(shè)置有鍵槽。軸頸上裝有軸承;軸身是連接軸頭和軸頸的部分。軸肩和軸環(huán)是階梯軸截面變化的部分,對軸起軸向定位作用。例如齒輪、帶輪和右端軸承是靠軸肩定位。左端軸承是靠套筒定位。兩端軸承蓋把軸固定在箱體上。階梯軸可以滿足軸和軸上零件有準(zhǔn)確的工作位置;軸上各零件應(yīng)有可靠的相對固定;軸上零件便于裝拆。因此,階梯軸被廣泛使用。圖10-8軸的結(jié)構(gòu)

在圖10-8中,軸各部分的含義:

軸頸:軸與軸承配合處的軸段。

軸頭:安裝輪轂鍵槽處的軸段。

軸身:軸頭與軸頸間的軸段。

軸肩或軸環(huán):階梯軸上截面尺寸變化的部位,其中一個尺寸直徑最大稱為軸環(huán)。

1.軸上零件的定位和固定

軸上零件的定位是為了保證傳動件在軸上有準(zhǔn)確的安裝位置;固定則是為了保證軸上零件在運(yùn)轉(zhuǎn)中保持原位不變。

(1)軸上零件的軸向定位和固定。為了防止零件的軸向移動,通常采用下列結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)軸向固定:軸肩、軸環(huán)、套筒、圓螺母和止退墊圈、彈性擋圈、軸端擋圈等。

(2)軸上零件的周向固定。周向固定的目的是為了限制軸上零件相對于軸的轉(zhuǎn)動,以滿足機(jī)器傳遞扭矩和運(yùn)動的要求。常用的周向固定方法有鍵、花鍵、銷、過盈配合、成型連接等,其中以鍵和花鍵連接應(yīng)用最廣。

2.軸的結(jié)構(gòu)工藝性

軸的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸應(yīng)盡量滿足加工、裝配和維修的要求。為此,常采用以下措施。

(1)當(dāng)某一軸段需車制或磨削加工時,應(yīng)留有退刀槽(見圖10-9(a))或砂輪越程槽(見圖10-9(b))。

(2)軸上所有鍵槽應(yīng)沿軸的同一母線布置(見圖10-10)。

(3)為了便于所有軸上零件的裝配和去除毛刺,軸端及軸肩一般均應(yīng)制出45°的倒角。過盈配合軸段的裝入端加工出半錐角為30°的導(dǎo)向錐面(見圖10-10)。

(4)為便于加工,應(yīng)使軸上直徑相近處的圓角、倒角、鍵槽和越程槽等尺寸一致。圖10-9退刀槽和越程槽圖10-10-軸的結(jié)構(gòu)與鍵槽在軸上的布置

3.提高軸強(qiáng)度、剛度的措施

(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面。軸截面尺寸突變會造成應(yīng)力集中,所以階梯軸相鄰軸段直徑不宜相差太大,在軸徑變化處的過渡圓角不宜過小;盡量避免在軸上開橫孔、凹槽和加工螺紋。在重要結(jié)構(gòu)中可采用中間環(huán)(見圖10-11(a))、或凹切圓角(見圖10-11(b))以增加軸肩處過渡圓角半徑和減小應(yīng)力集中。

圖10-11減小軸圓角處應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)

(2)制造工藝方面。提高軸的表面質(zhì)量,降低表面粗糙度,對軸表面采用碾壓、噴丸和表面熱處理等強(qiáng)化方法,均可顯著提高軸的疲勞強(qiáng)度。

(3)軸上零件的合理布局。在軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時,可采取改變受力情況和零件在軸上的位置等措施,達(dá)到減輕軸載荷,減小軸尺寸,提高軸強(qiáng)度的目的。

4.軸的直徑和長度

(1)與滾動軸承配合的軸頸直徑,必須符合滾動軸承內(nèi)徑的標(biāo)準(zhǔn)系列。

(2)軸上車制螺紋部分的直徑,必須符合外螺紋大徑的標(biāo)準(zhǔn)系列。

(3)安裝聯(lián)軸器的軸頭直徑應(yīng)與聯(lián)軸器的孔徑范圍相適應(yīng)。

(4)與零件(如齒輪、帶輪等)相配合的軸頭直徑,應(yīng)優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸。軸的標(biāo)準(zhǔn)直徑見表10-1。

三、軸的強(qiáng)度計(jì)算

1.軸的計(jì)算簡圖

在進(jìn)行軸的強(qiáng)度計(jì)算時,為了便于分析計(jì)算,可以通過必要的簡化,得出軸的合理簡化力學(xué)模型,即軸的計(jì)算簡圖。

通常將軸簡化為一置于鉸鏈支座上的梁,軸和軸上零件的自重可忽略不計(jì)。作用在軸上的扭矩通常從傳動件輪轂中點(diǎn)計(jì)算。

2.軸的強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)受載情況,軸常用的強(qiáng)度計(jì)算方法有以下幾種:

(1)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度計(jì)算。對只受轉(zhuǎn)矩或以承受轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸,應(yīng)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件計(jì)算軸的直徑。若有彎矩作用,可用降低許用應(yīng)力的方法來考慮其影響。

(2)按彎扭合成強(qiáng)度條件計(jì)算。對于同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸,可根據(jù)轉(zhuǎn)矩和彎矩的合成強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算時,先根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所確定的軸的幾何結(jié)構(gòu)和軸上零件的位置,畫出軸的受力簡圖,然后繪制彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖,按第三強(qiáng)度理論條件建立軸的彎扭合成強(qiáng)度條件:

【例10-1】完成任務(wù)導(dǎo)入中的設(shè)計(jì)要求。

解

(1)選擇軸的材料,確定許用應(yīng)力。減速器功率不大,又無特殊要求,故選用45鋼并作正火處理。查得σb=600MPa,又由表10-3查得[σ-1]b=55MPa。

(2)按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸的最小直徑:

由表10-2取A=110,由式(10-2)得

軸身安裝聯(lián)軸器,考慮補(bǔ)償軸的可能位移,選用彈性柱銷聯(lián)軸器。由n和轉(zhuǎn)矩TC=KT=1.5×9.55×106×5/140=511607N·mm,查GB5014—85選用HL3彈性柱銷聯(lián)軸器,標(biāo)準(zhǔn)孔徑d1=38mm,即軸身直徑d1=38mm。

(3)確定齒輪和軸承的潤滑。計(jì)算齒輪圓周速度

齒輪潤滑采用油浴潤滑,軸承采用脂潤滑。

(4)軸系的初步設(shè)計(jì)。

根據(jù)軸系結(jié)構(gòu)分析要點(diǎn),結(jié)合后述各零件尺寸,按比例繪制軸系結(jié)構(gòu)草圖,見圖10-12。圖10-12軸系結(jié)構(gòu)草圖

任務(wù)二滾動軸承設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入齒輪減速器中的7204C軸承的軸向力Fa=800N,徑向力Fr=2000N,載荷Fp=1.2,工作溫度系數(shù)fT=1,工作轉(zhuǎn)速為n=700r/min。求該軸承壽命Lh。

任務(wù)實(shí)施

軸承的作用是支承軸及軸上的零件,使其回轉(zhuǎn)并保持一定的旋轉(zhuǎn)精度。合理地選擇和使用軸承對提高機(jī)器的使用性能,延長壽命都有重要作用。

根據(jù)轉(zhuǎn)動副工作表面摩擦性質(zhì)的不同,軸承可以分為滑動摩擦軸承(簡稱滑動軸承)和滾動摩擦軸承(簡稱滾動軸承)兩大類。滾動軸承是一個標(biāo)準(zhǔn)件,由專門工廠成批生產(chǎn)。它具有摩擦阻力小、啟動靈敏、效率高,安裝、維護(hù)方便,且類型較多,易于選購和互換等優(yōu)點(diǎn),故廣泛應(yīng)用于各類機(jī)器和儀器中。對于高速、精密機(jī)械和低速、重載或沖擊載荷較大的機(jī)器,滑動軸承有其優(yōu)異的性能。在需要剖分結(jié)構(gòu)的場合,必須采用滑動軸承。

一、滾動軸承的結(jié)構(gòu)、類型及特性

滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)化、系列化程度很高的一種部件,也是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一。它是依靠主要元件間的滾動接觸來支承轉(zhuǎn)動零件。

1.滾動軸承的結(jié)構(gòu)

滾動軸承的基本結(jié)構(gòu)形式如圖10-13(a)所示。滾動軸承主要由外圈1、內(nèi)圈2、滾動體3和保持架4等組成。滾動體位于內(nèi)外圈的滾道之間,是滾動軸承中必不可少的基本元件。內(nèi)圈用來和軸頸裝配,外圈裝在機(jī)座或零件的軸承孔內(nèi)。外圈一般不轉(zhuǎn)動,內(nèi)圈和軸一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)內(nèi)外圈相對轉(zhuǎn)動時,滾動體即在內(nèi)外圈滾道間滾動。保持架的主要作用是均勻地隔開滾動體,避免滾動體之間的碰撞和磨損。常見滾動體的形狀如圖10-13(b)所示。圖10-13滾動軸承的基本構(gòu)造及常用滾動體

2.滾動軸承的主要類型和特性

滾動軸承的類型很多,其結(jié)構(gòu)形式也不盡相同,以適應(yīng)各種不同的工作要求。

1)常用滾動軸承的類型

(1)按滾動體的形狀不同分類。

①球軸承。滾動體的形狀為球形的軸承稱為球軸承。工作時,球與滾道之間形成高副,呈點(diǎn)接觸狀態(tài),摩擦阻力小,因而其承載能力和耐沖擊能力較低;但球的制造工藝較簡單,極限轉(zhuǎn)速較高,價格低廉。

②滾子軸承。除了球軸承以外,其他軸承均稱為滾子軸承。滾子與滾道之間亦為高副,且呈線接觸,所以其承載能力和耐沖擊能力均較高;但摩擦阻力較大,制造工藝較球復(fù)雜,價格較高。

(2)按承受載荷的方向不同分類。

①向心軸承。其主要承受徑向載荷。向心軸承又可分為徑向接觸軸承和向心角接觸軸承兩種。徑向接觸軸承(α=0°):主要承受徑向載荷,也可以承受不大的軸向載荷,如深溝球軸承、調(diào)心軸承等。

向心角接觸軸承(0°<α<45°):能同時承受徑向和軸向兩種載荷的聯(lián)合作用。如角接觸球軸承、圓錐滾子軸承等。其接觸角愈大,承受軸向載荷的能力愈強(qiáng)。圓錐滾子軸承能同時承受較大的徑向和單向軸向載荷,內(nèi)、外圈可沿軸向分離,安裝和拆卸較方便,間隙可調(diào)。

②推力軸承。推力軸承只能(或主要)承受軸向載荷。它又有軸向推力軸承和推力角接觸軸承兩種。

軸向推力軸承(α=90°)只能承受軸向載荷。如單、雙向推力球軸承、推力滾子軸承等。推力球軸承的兩個套圈的孔徑不相等。直徑較小的套圈安裝在軸頸上,稱為軸圈;直徑較大的套圈安裝在機(jī)座上,稱為座圈。由于套圈上滾道深度較淺,當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時,滾動體的離心力增大,軸承對滾動體的限制不夠,所以允許的轉(zhuǎn)速較低。

推力角接觸軸承(45°<α<90°)主要承受軸向載荷,如推力調(diào)心球面滾子軸承等。

2)滾動軸承的結(jié)構(gòu)特性

(1)接觸角。滾動體和外圈接觸處的法線nn與軸承徑向平面(垂直于軸承軸心線的平面)之間的夾角α,稱為接觸角,如圖10-14所示。α愈大,軸承承受軸向載荷的能力亦愈大。

(2)游隙。滾動體與軸承的內(nèi)、外圈之間存在著一定的間隙,因此,內(nèi)、外圈之間可產(chǎn)生相對移動,其最大位移量稱為游隙。軸承軸向和徑向都可能產(chǎn)生游隙,如圖10-15所示。游隙的大小對軸承壽命、噪聲、運(yùn)動精度、載荷和溫升等都有很大影響,應(yīng)按使用要求進(jìn)行游隙的選擇或調(diào)整圖10-14接觸角圖10-15軸承的游隙

(3)偏移角。軸承的安裝誤差或軸的變形等都會引起其內(nèi)、外圈軸線發(fā)生相對傾斜,此時兩軸線所夾的銳角,稱為偏移角。偏移角愈大,軸承的摩擦力矩愈大,造成運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活,噪聲愈大,發(fā)熱愈嚴(yán)重。能自動適應(yīng)角偏移的軸承,稱為調(diào)心軸承。

二、滾動軸承的代號及選擇

1.滾動軸承的代號

滾動軸承代號由前置代號、基本代號和后置代號構(gòu)成。其排列格式如圖10-16所示。圖10-16滾動軸承代號排列格式

1)基本代號

基本代號由軸承的類型代號、尺寸系列代號及內(nèi)徑代號組成。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,滾動軸承的基本代號表示方法如圖10-17所示。圖10-17滾動軸承基本代號

圖中類型代號用數(shù)字或大寫拉丁字母表示,尺寸系列代號和內(nèi)徑代號用數(shù)字表示,小方框內(nèi)的數(shù)字表示位數(shù)。

(1)內(nèi)徑代號。自右至左第一、二位數(shù)字表示。表示方法見表10-4

(2)尺寸系列代號?；敬栔杏移鸬谌?、四是數(shù)字,為尺寸系列代號。其中右起第三位數(shù)字為直徑系列代號,右起第四位數(shù)字為寬度(對推力軸承為高度)系列代號。表示方法見表10-5。

2)前置代號

前置代號用字母表示,是用來說明成套軸承分部件特點(diǎn)的補(bǔ)充代號。例如,用L表示可分離軸承的可分離套圈;K表示軸承的滾動體與保持架組件等。一般軸承沒有前置代號。前置代號及其含義參閱GB/T272—1993。

3)后置代號

后置代號用字母、數(shù)字或二者的組合來表示軸承在結(jié)構(gòu)、公差和材料等方面的特殊要求。它置于基本代號的右邊,并與基本代號空半個漢字距或用符號“—”、“/”分隔。后置代號內(nèi)容較多,下面介紹幾種常用的代號。

(1)內(nèi)部結(jié)構(gòu)代號。

(2)公差等級代號。

(3)徑向游隙代號。

【例10-2】試解釋滾動軸承代號7210AC和NU2208/P6的含義。

解兩個軸承的代號含義如下:

2.滾動軸承類型的選擇

機(jī)械設(shè)計(jì)中,對于滾動軸承類型的選擇,只有在對各類軸承的性能和結(jié)構(gòu)充分了解的基礎(chǔ)上,再根據(jù)軸承的工作載荷(大小、方向、性質(zhì))、轉(zhuǎn)速、軸的剛度以及其他特殊要求,才能作出正確的判斷。選擇時建議參照以下幾點(diǎn):

(1)軸承所受載荷。軸承所受載荷大小、方向和性質(zhì)以及轉(zhuǎn)速是選擇軸承類型的主要依據(jù),應(yīng)區(qū)別不同情況選取。

①轉(zhuǎn)速較高、載荷較小、要求旋轉(zhuǎn)精度高時優(yōu)先選用球軸承;轉(zhuǎn)速較低、載荷較大并有沖擊載荷時宜選用滾子軸承;

②以徑向載荷為主(或只受純徑向載荷)時,可選用深溝球軸承;

③當(dāng)受軸向載荷比徑向載荷大很多(或只受純軸向載荷)時,可采用推力軸承和向心軸承的組合結(jié)構(gòu),以便分別承受軸向載荷和徑向載荷;

④徑向載荷和軸向載荷都較大時,可選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承。

(2)軸承的調(diào)心性能。由于制造和安裝誤差等因素的影響,使得軸的中心線與軸承中心線不重合;或軸受力彎曲造成軸承內(nèi)外圈軸線發(fā)生偏斜。為了不使其相對偏移角度超過許用值,此時可選用調(diào)心性能好的調(diào)心軸承。

(3)軸承的尺寸要求。當(dāng)軸承徑向尺寸受到限制時,可選用滾針軸承或特輕、超輕直徑系列的軸承;軸向尺寸受到限制時,可選用寬度尺寸較小的軸承(如窄或特窄寬度系列的)。

(4)軸承的經(jīng)濟(jì)性能、噪聲與振動等方面的要求也應(yīng)全面考慮。

三、滾動軸承的失效形式、壽命計(jì)算

1.滾動軸承的主要失效形式

滾動軸承的主要失效形式有以下幾種:

(1)疲勞點(diǎn)蝕。滾動軸承以n>10r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時,滾動體和內(nèi)圈(或外圈)不斷地轉(zhuǎn)動,在載荷的作用下,滾動體與滾道接觸表面受交變接觸應(yīng)力作用,因此在工作一段時間后,接觸表面就會產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕。將使噪聲和振動加劇,旋轉(zhuǎn)精度明顯降低,致使軸承失效。

(2)塑性變形。對于轉(zhuǎn)速很低(n<10r/min)或作間隙運(yùn)動的軸承,在過大的靜載荷和沖擊載荷作用下,滾動體與套圈滾道接觸表面上將出現(xiàn)不均勻的塑性變形(凹坑)。塑性變形發(fā)生后,增加了軸承的摩擦力矩、振動和噪聲,降低了旋轉(zhuǎn)精度。導(dǎo)致軸承喪失工作能力。

(3)磨損。滾動軸承如潤滑不良,或密封不可靠(雜物和灰塵的侵入),相互運(yùn)動的表面會產(chǎn)生早期磨損,磨損后使溫度升高、噪聲及游隙增大、旋轉(zhuǎn)精度降低。最終導(dǎo)致軸承失效。

2.滾動軸承的計(jì)算準(zhǔn)則

(1)對于一般轉(zhuǎn)速的軸承,若其制造、保管、安裝、使用等均良好的情況下,其失效形式主要表現(xiàn)為疲勞點(diǎn)蝕,故應(yīng)以疲勞強(qiáng)度計(jì)算為依據(jù),進(jìn)行軸承的壽命計(jì)算。

(2)對于不轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速很低(n≤10r/min)或間歇擺動的軸承,為防止其發(fā)生塑性變形,以靜強(qiáng)度計(jì)算為依據(jù),稱為軸承的靜強(qiáng)度計(jì)算。

(3)對于高速軸承,除考慮疲勞點(diǎn)蝕外,其余各元件接觸表面過熱,也是很重要的失效形式,故除需進(jìn)行壽命計(jì)算外,還應(yīng)校驗(yàn)其極限轉(zhuǎn)速。

3.滾動軸承的壽命計(jì)算

1)壽命計(jì)算中的基本概念

(1)軸承壽命。軸承壽命指滾動軸承任一元件首次出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕前所經(jīng)歷的實(shí)際總轉(zhuǎn)數(shù),或在一定轉(zhuǎn)速下的實(shí)際總工作小時數(shù)。

(2)基本額定壽命。一批同樣型號、同樣結(jié)構(gòu)、同樣材料的軸承,即使在完全相同的工作條件下,由于材料的不均勻程度、制造工藝及精度等差異,其壽命是不相同的,可相差幾倍、幾十倍。故實(shí)際選擇軸承時,常以基本額定壽命為標(biāo)準(zhǔn)。

(3)基本額定動載荷。滾動軸承抵抗點(diǎn)蝕破壞能力可由基本額定動載荷來表示。它是指基本額定壽命為106r時,軸承所能承受的最大載荷值,用符號C表示。對于推力軸承是指純軸向載荷,用Ca表示;對于向心軸承是指純徑向載荷,用Cr表示。

(4)額定靜載荷。額定靜載荷是用來限制塑性變形的極限載荷值。它是指軸承工作時,受載最大的滾動體和內(nèi)、外圈滾道接觸處的接觸應(yīng)力達(dá)到一定值(向心和推力球軸承為4200MPa,滾子軸承為4000MPa)時的靜載荷。該靜載荷稱為額定靜載荷,用C0表示。

2)滾動軸承的當(dāng)量動載荷及計(jì)算滾動軸承的基本額定動載荷是在特定受載試驗(yàn)條件下確定的。對于軸承的實(shí)際工作載荷,既有徑向載荷又有軸向載荷,這就要把載荷換算成一個大小和方向恒定的載荷,在這一載荷的作用下,軸承壽命與實(shí)際負(fù)荷作用下的壽命相等。這種換算后的假想載荷稱為當(dāng)量動載荷,用P表示,其計(jì)算公式為

式中:X為徑向載荷系數(shù);Y為軸向載荷系數(shù);Fr為軸承承受的徑向載荷;Fa為軸承承受的軸向載荷。

表10-6中,e為判斷系數(shù),用以判別軸向載荷Fa對當(dāng)量動載荷P影響的程度,其數(shù)值由Fa/C0的比值而選定;C0是軸承額定靜載荷,其值可查閱軸承手冊或機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。

3)滾動軸承的壽命計(jì)算

通過大量實(shí)驗(yàn)證明,軸承的載荷P與壽命L之間的關(guān)系曲線如圖10-18所示,其表達(dá)式為

式中:P為當(dāng)量動載荷;L為基本額定壽命;ε為壽命系數(shù),球軸承ε=3,滾子軸承ε=10/3。

由此可得壽命計(jì)算公式圖10-18滾動軸承的PL曲線

若以工作小時數(shù)表示,可寫為

式中:n為軸承工作轉(zhuǎn)速,單位為r/min。

實(shí)際工作中,影響軸承壽命的因素很多,在這里只考慮工作溫度和載荷性質(zhì)的影響,引入溫度系數(shù)(見表10-7)和載荷系數(shù)(見表10-8),因此實(shí)際壽命公式為

如果當(dāng)量動載荷P和轉(zhuǎn)速n已知,預(yù)期壽命L'h已選定,可根據(jù)下式選擇軸承型號

式中:C'為計(jì)算額定動載荷(KN);L'h為預(yù)期壽命,其他符號意義同上。

【例10-3】齒輪減速器中的7204C軸承的軸向力Fa=800N,徑向力Fr=2000N,載荷系數(shù)fP=1.2,工作溫度系數(shù)fT=1,工作轉(zhuǎn)速為n=700r/min。求該軸承壽命Lh。

四、滾動軸承的組合設(shè)計(jì)

為了保證滾動軸承在機(jī)器中的正常工作,除應(yīng)正確地選用軸承的類型和尺寸外,還必須合理地從結(jié)構(gòu)上考慮軸承的組合設(shè)計(jì)。即正確解決軸承的軸向位置與固定、軸承的裝拆與間隙調(diào)整、軸承的潤滑與密封以及與其他零件的配合等一系列問題。

1.滾動軸承的軸向固定

滾動軸承內(nèi)外圈的周向固定是靠內(nèi)圈與軸(頸)間以及外圈與機(jī)座孔間的配合來保證的。為了防止軸承在承受軸向載荷時,軸和軸承座孔產(chǎn)生軸向相對移動,軸承內(nèi)圈與軸、外圈與座孔必須進(jìn)行軸向固定。

(1)內(nèi)圈的軸向固定。(略)

(2)外圈的軸向固定。(略)

(3)滾動軸承組合的軸向固定。

2.滾動軸承組合的調(diào)整

軸承裝入機(jī)座后,需要進(jìn)行細(xì)致的調(diào)整。一是為保證軸承中有正常的游隙;二是使軸上零件處于正確的位置。

1)軸承游隙的調(diào)整

(1)調(diào)整墊片?？考訙p軸承蓋與機(jī)座之間的墊片厚度進(jìn)行調(diào)整。

(2)調(diào)整螺釘。利用螺釘通過軸承外圈壓蓋移動外圈位置進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整后,用螺母鎖緊防松。

(3)調(diào)整端蓋。利用調(diào)整端蓋與座孔內(nèi)的螺紋連接進(jìn)行調(diào)整。

2)軸承的預(yù)緊

軸承預(yù)緊的目的是為了提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度,減少振動,以滿足機(jī)器的工作要求。在安裝時預(yù)加一定的軸向壓力(預(yù)緊力),以消除內(nèi)部原始游隙(或形成負(fù)游隙),并使?jié)L動體和內(nèi)、外圈接觸處產(chǎn)生彈性預(yù)變形。

3)軸承組合位置的調(diào)整

調(diào)整的目的是使軸上的零件(如齒輪、蝸輪等)具有準(zhǔn)確的工作位置。例如,圓錐齒輪傳動,要求兩個節(jié)錐頂點(diǎn)要重合,才能保證正確嚙合;又如蝸桿轉(zhuǎn)動,則要求蝸輪的中間平面通過蝸桿的軸線等。這種情況下需要有軸向位置調(diào)整的措施。

3.滾動軸承的配合與裝拆

1)滾動軸承的配合滾動軸承是標(biāo)準(zhǔn)件,軸承內(nèi)孔與軸的配合采用基孔制,軸承外圈與軸承座孔的配合則采用基軸制。選擇軸承的配合,應(yīng)考慮載荷大小、方向和性質(zhì),以及軸承的類型、轉(zhuǎn)速和使用條件等因素。一般情況下可參照下列原則:

(1)當(dāng)外載荷方向不變時,轉(zhuǎn)動套圈應(yīng)比固定套圈的配合緊一些。

(2)當(dāng)軸承作游動支承時,軸承外圈與座孔間應(yīng)采用間隙配合,但又不能過松而發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。

(3)高速、重載情況下,應(yīng)采用較緊配合:反之,則選取較松配合。

2)滾動軸承的裝拆

滾動軸承是精密部件,在進(jìn)行軸承的組合設(shè)計(jì)時,應(yīng)考慮軸承便于裝拆。裝拆方法必須正確規(guī)范,以便在拆卸的過程中不致?lián)p壞軸承和其他零件。裝拆時,要求滾動體不受力,裝拆力直接對稱或均勻地施加在被裝拆的套圈端面上。

(1)軸承的安裝。當(dāng)軸承內(nèi)圈與軸采用過盈配合時,可采用壓力機(jī)在內(nèi)圈上加壓將軸承壓套到軸頸上。對于小型軸承,可使用手錘與簡單的輔助套筒來裝配;大尺寸的軸承,可放入油中加熱至80℃~120℃后進(jìn)行熱裝。

(2)軸承的拆卸。軸承內(nèi)圈的拆卸常用拆卸器進(jìn)行。

4.滾動軸承的潤滑和密封

根據(jù)滾動軸承的實(shí)際工作條件選擇合適的潤滑方式,設(shè)計(jì)可靠的密封裝置,是保證其正常工作的重要條件,同時對滾動軸承的使用壽命有著極大的影響。

1)滾動軸承的潤滑

潤滑不僅可以減少滾動軸承摩擦和磨損、提高效率、延長軸承使用壽命,還起著散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動和防止銹蝕等作用。

(1)潤滑劑的選擇。滾動軸承常用潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩種。潤滑油為液體狀,是一種應(yīng)用最廣泛的潤滑劑,分為礦物油、植物油和動物油三種。潤滑脂是用礦物油、金屬皂調(diào)劑而成的膏狀物,根據(jù)金屬皂不同,又可分為鈣基、鈉基、鋰基和鋁基潤滑脂。

當(dāng)軸承的速度因素dn值在(2~3)×105mm·r/min范圍以內(nèi)時,采用脂潤滑。因?yàn)闈櫥矶却?不易流失,便于密封,不易污染,使用周期長。但其理化性質(zhì)不如油穩(wěn)定,摩擦損失也較大,故多用于低速重載或擺動軸承中。注意:潤滑脂填充量不得超過軸承空隙的1/3~1/2,過多或不足會均引起軸承發(fā)熱。潤滑脂的選擇見表10-9。

(2)潤滑方式的選擇。潤滑方式可按軸承類型與dn選取,見表10-10。

2)滾動軸承的密封

滾動軸承密封的目的是為了防止灰塵、水分、酸氣和其他雜物侵入軸承,并阻止?jié)櫥瑒┑牧魇?。因?必須設(shè)計(jì)出可靠的密封裝置。滾動軸承密封方法的選擇與潤滑劑的種類、工作環(huán)境、工作溫度以及密封表面的圓周速度有關(guān)。常用的密封裝置可分為接觸式和非接觸式兩大類。

任務(wù)三滑動軸承設(shè)計(jì)

任務(wù)導(dǎo)入說明圖10-19液體靜壓滑動軸承的工作原理。圖10-19液體靜壓滑動軸承工作原理

任務(wù)實(shí)施

一、滑動軸承的主要類型

滑動軸承按其受載方向的不同,可分為向心滑動軸承和推力滑動軸承。向心滑動軸承只能承受徑向載荷;推力滑動軸承只能承受軸向載荷。

1.向心滑動軸承

1)整體式滑動軸承整體式滑動軸承如圖10-20所示。軸承座常采用鑄鐵材料,軸套(又稱軸瓦)采用減摩材料制成并鑲?cè)胼S承座中;軸承上開有油孔,可將潤滑油輸至摩擦面上。這種軸承形式較多,大多都已標(biāo)準(zhǔn)化。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低。缺點(diǎn)是軸頸只能從端部裝入,安裝和檢修不方便,而且軸承套磨損后,軸承間隙難以調(diào)整,只能更換軸套。故只能用于間歇工作或低速輕載的簡單機(jī)械中。

2)剖分式滑動軸承

剖分式滑動軸承如圖10-21所示。軸承蓋與軸承座的剖分面上設(shè)置有階梯形定位止口,這樣在安裝時容易對中。另在剖分面間放置調(diào)整墊片,以便在安裝或磨損時調(diào)整軸承間隙。若載荷垂直向下或略有偏斜,軸承的剖分面常為水平布置;若載荷方向有較大偏斜,則軸承的剖分面可偏斜布置,使剖分面垂直或接近垂直載荷。圖10-21剖分式滑動軸承

3)調(diào)心式滑動軸承

當(dāng)軸頸較長或軸承寬度B較大時(B/d>1.5~2,d為軸承的直徑),由于軸的變形、裝配或軸承孔的同軸度較低而造成軸與軸瓦端部邊緣產(chǎn)生局部接觸,這將導(dǎo)致軸承兩端邊緣急劇磨損。在這種情況下,應(yīng)采用調(diào)心式滑動軸承。軸承外支承表面呈球面,球面的中心恰好在軸線上,軸承可繞球形配合面自動調(diào)整位置,這種結(jié)構(gòu)承載能力較大。

2.推力滑動軸承

推力滑動軸承不僅可用來承受軸向載荷,而且能防止軸的軸向移動。常見的推力滑動軸承如圖10-22所示,有實(shí)心(見圖10-22(a))、空心(見圖10-22(b))、環(huán)形(見圖10-22(c))和多環(huán)(見圖10-22(d))等幾種結(jié)構(gòu)。由圖可見,推力軸承的工作表面可以是軸的端面或軸上的環(huán)形平面。對于實(shí)心式,當(dāng)軸回轉(zhuǎn)時,其端面邊緣相對滑動速度較大,因而磨損也較嚴(yán)重,而中心磨損很輕,使實(shí)心端面上的壓力分布極不均勻,故很少用。而一般多采用空心式、環(huán)形式和多環(huán)式,克服了實(shí)心式的不足,且多環(huán)式既能承受雙向的軸向載荷,又有較大的承載能力。圖10-22推力滑動軸承

二、軸瓦的結(jié)構(gòu)和軸承材料

軸瓦直接與軸頸接觸,它的結(jié)構(gòu)和材料對于軸承的性能有直接的影響,必須十分重視。

1.軸瓦的結(jié)構(gòu)

軸瓦有整體式和剖分式兩種。整體式軸瓦又稱為軸套(分為有油溝和無油溝兩種),與軸承座一般采用過盈配合。剖分式軸瓦應(yīng)用廣泛。為了改善軸瓦表面的摩擦性質(zhì),提高其承載能力,節(jié)省貴重金屬,常在其內(nèi)表面澆鑄一層耐摩性或減摩性好的金屬材料,通常稱為軸承襯。

2.軸承材料

1)對軸承材料的性能要求軸承材料是指軸瓦和軸承襯的材料。軸承的主要失效形式是磨損,或由于強(qiáng)度不夠出現(xiàn)疲勞損壞,或由于工藝原因出現(xiàn)減摩層脫落。因此,對軸承材料性能的主要要求是;

(1)足夠或必要的強(qiáng)度(包括抗壓、抗沖擊、抗疲勞等強(qiáng)度),以保證在沖擊、變載及高壓力下有足夠的承載能力。

(2)良好的減摩性、耐磨性和磨合性,避免與鋼質(zhì)軸頸產(chǎn)生膠合,相對滑動時不易發(fā)熱,功率損失小,以提高軸承的效率及延長使用壽命。

(3)良好的導(dǎo)熱性和吸附性,對潤滑油的吸附能力強(qiáng),便于建立牢固的潤滑油膜,改善工作條件,導(dǎo)熱性好則有利于保持油膜。

(4)良好的耐腐蝕性、工藝性、嵌藏性以及價格低廉等。然而很難直接找到能同時滿足上述性能要求的軸承材料。

比較常見的方法是用兩層不同的金屬材料做成軸瓦,使其在性能上形成互補(bǔ)。

2)常用的軸承材料

常用的軸承材料有下列幾種:

(1)青銅。青銅主要是銅與錫、鉛或鋁的合金。其中,以鑄錫青銅(ZCuSn10Pb1)應(yīng)用最普遍。其摩擦因數(shù)小,且具有較高的強(qiáng)度,較好的減摩性、耐磨性以及導(dǎo)熱性,承載能力大,宜用于中速、中載或重載的場合。

(2)軸承合金。軸承合金主要是錫(Sn)、鉛(Pb)、銻(Sb)、銅(Cu)的合金。這種材料具有良好的耐磨性、塑性和磨合性,導(dǎo)熱及吸附油的性能也好,但它的強(qiáng)度較低且價格較貴。不能用其單獨(dú)制作軸瓦,通常用鑄造的方法澆鑄在材料強(qiáng)度較高的(鋼、鑄鐵或青銅)軸瓦表面,作軸承襯使用。一般用于高速、重載,或中速、中載的情況。為使軸承襯在軸瓦基體上貼附可靠,基體上常開有燕尾槽或螺旋槽。

(3)鑄鐵。鑄鐵有灰鑄鐵和耐磨鑄鐵?；诣T鐵材料用于低速輕載、不受沖擊的軸承;耐磨鑄鐵則用于與經(jīng)淬火熱處理的軸頸相配合的軸承。

(4)粉末冶金材料。由不同金屬經(jīng)過制粉、成型、燒結(jié)等工藝制造的軸承,其內(nèi)部組織具有多孔性的特點(diǎn),孔隙約占總體積的10%~35%,并能儲存大量的潤滑油,故亦稱含油軸承。工作時,軸承的溫度逐步升高,因油的膨脹系數(shù)比金屬大,所以能自動進(jìn)入摩擦表面起潤滑作用。停止工作后,油又被吸回孔隙。含油軸承使用前,應(yīng)先把軸瓦放在熱油中浸數(shù)小時,使孔隙中滲滿潤滑油,可以使用較長時間,常用于加油不方便的場合。

(5)非金屬材料。非金屬材料主要有橡膠、塑料、硬木等。橡膠軸承彈性較大,能吸振,使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),可以用水潤滑,常用于水輪機(jī)、潛水泵、砂石清洗機(jī)、鉆機(jī)等有泥沙和在水中工作的場合。塑料軸承具有小的摩擦因數(shù),良好的自潤性、磨合性、耐磨性和抗蝕性,可以用水、油及化學(xué)溶液潤滑等優(yōu)點(diǎn)。但它的導(dǎo)熱性差,線膨脹系數(shù)較大,尺寸穩(wěn)定性差。為改善此缺陷,可將薄層塑料作為軸承襯附在金屬軸承上使用。硬木軸承用得很少。

三、非液體摩擦滑動軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算

1.設(shè)計(jì)步驟

非液體摩擦滑動軸承的工作表面,無論處于何種潤滑狀態(tài),都不可避免存在著局部微小表面的直接接觸。為了防止其發(fā)生粘著磨損,保持邊界膜的存在,其設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是壓強(qiáng)、壓強(qiáng)與圓周速度之積等均不超過許用值。由于影響邊界膜的因素較復(fù)雜,且尚在探索中,故該設(shè)計(jì)計(jì)算是間接的有條件的。

(1)設(shè)計(jì)的已知條件:軸頸的直徑、轉(zhuǎn)速、載荷情況和工作要求。

(2)設(shè)計(jì)步驟如下:

①根據(jù)工作條件和使用要求,確定軸承結(jié)構(gòu)類型及軸瓦材料。

②根據(jù)軸頸尺寸確定軸承寬度,軸承寬度與軸頸直徑之比B/d稱為寬徑比。它是向心滑動軸承中的重要參數(shù)之一。對于液體摩擦的滑動軸承,常取B/d=0.5~1,對于非液體摩擦的滑動軸承,常取B/d=0.8~1.5。

③校核軸承的工作能力。

④選擇軸承的配合,見表10-12。

⑤確定潤滑裝置,選擇潤滑劑的牌號。

2.向心滑動軸承的校核計(jì)算

1)校核軸承平均壓強(qiáng)P校核(或限制)軸承平均壓強(qiáng)的目的,是為了保證潤滑油不被過大的壓力擠出軸承的工作表面,以防止軸承產(chǎn)生過度磨損。即

式中:Fr為軸承承受的徑向載荷(N);B為軸承寬度(mm);d為軸頸直徑(mm);[p]為軸承材料的許用平均壓強(qiáng)(MPa)。見表1表0-11。

2)校核軸承pv值

校核(或限制)軸承pv值目的,是為了防止軸承工作時產(chǎn)生過高的熱量而導(dǎo)致膠合。因?yàn)檩S承的發(fā)熱量與其單位面積上表征摩擦功耗的fpv成正比。

式中:v為軸頸的圓周速度(m/s);n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min);[pv]為許用pv值(MPa·m/s),見表10-11。

3.推力滑動軸承的計(jì)算

1)校核軸承平均壓強(qiáng)

式中:Fa為軸承所受的軸向載荷(N);d0、d為軸頸的內(nèi)、外直徑(mm);z為軸環(huán)數(shù);K為支承面因油溝而減小系數(shù),有油溝時K=0.8~0.9,無油溝時K=1.0;[p]為許用壓強(qiáng)(MPa),見表10-13。

2)驗(yàn)算軸承pvm值

式中:vm為軸頸平均直徑處的圓周速度(m/s);dm為軸頸的平均直徑(mm),dm=(d+d0)/2;n為軸頸的轉(zhuǎn)速(r/min);[pv]為許用pv值(MPa·m/s),見表10-12。

其他符號意義同上。

四、液體摩擦滑動軸承簡介

液體摩擦是滑動軸承的理想摩擦狀態(tài)。根據(jù)軸承獲得液體潤滑原理的不同,液體摩擦滑動軸承可分為液體動壓滑動軸承和液體靜壓滑動軸