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1、第十章 支撑设计第10章 支承设计所有作回转运动的传动零件（如带轮、链轮、齿轮等），必须安装及固定在轴上才能实现运动和动力的传递，而轴需要在箱体内用轴承支承起来。因此，安装传动零件的轴、支承轴的轴承、箱体、机架以及支承弹簧等在机械中均属于支承零部件的范畴。10.110.2滚动轴承设计10.3目录CONTENTS轴的设计10.4轴及轴承设计概述弹簧设计简介10.5滑动轴承设计10.1轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1.110.1.1轴的功用和分类轴的功用和分类功用：安装、固定和支承机器中的回转零件，使其具有确定的工作位置，并传递运动和动力。1.轴的类型按轴线形状不同：轴可分为直轴
2、和曲轴两大类。直轴：有光轴和阶梯轴之分。光轴是全轴各处直径相同的轴，工艺性好，易加工，但轴上零件不易定位。10.1 轴及轴承设计概述阶梯轴的各段直径不同，便于零件的装拆、定位和紧固。直轴一般为实心轴，当有结构要求或为减轻重量时，可制成空心轴。曲轴：将回转运动转换为直线运动或将直线运动转换为回转运动。10.1 轴及轴承设计概述按承受的载荷不同转轴既承受弯矩又承受扭矩心轴仅承受弯矩转动心轴如火车轮轴固定心轴如自行车轴传动轴主要承受扭矩如汽车变速箱至后桥的传动轴如减速器中的轴特殊用途的轴：由几层紧贴在一起的钢丝层构成，可把回转运动和转矩灵活地传递到任何位置。钢丝软轴。10.1 轴及轴承设计概述自行车
3、的前轮轴 固定心轴固定心轴10.1 轴及轴承设计概述铁路机车轮轴 转动心轴转动心轴10.1 轴及轴承设计概述点击图动画演示汽车中联接变速箱与后桥之间的轴传动轴传动轴10.1 轴及轴承设计概述减速器中的轴转转 轴轴10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述10.1 轴及轴承设计概述2.轴的材料主要受交变弯曲、扭转或弯曲、扭转应力的复合作用轴与轴上零件有相对
4、运动时相互间存在摩擦和磨损轴在高速运转过程中会产生振动，使轴承受冲击载荷多数轴会承受一定的过载载荷轴的工作条件轴的失效形式 疲劳断裂 过量变形甚至断裂 表面过度磨损 对轴材料的性能要求良好的综合机械性能高的疲劳强度对应力集中的敏感性低；具有良好的工艺性10.1 轴及轴承设计概述轴的材料常采用碳素钢和合金钢。碳素钢：（1）价廉；（2）对应力集中的敏感性低；（3）可通过热处理改善其综合力学性能。优质碳素结构钢，如35、40、45和50钢，其中45钢尤为常用。受载较小和不重要的轴，可采用普通碳素结构钢，如Q235等。10.1 轴及轴承设计概述合金钢：强度高，淬火性能好，但对应力集中较敏感，价格贵。应
5、用：（1）大功率；（2）尺寸及重量小场合；（3）轴颈较高耐磨性场合；（4）高温或低温条件下工作的轴。球墨铸铁或可锻铸铁：具有良好的制造工艺性，而且价廉、吸振性较好，对应力集中敏感性低，故适于制造结构形状复杂的轴，但铸造质量较难控制。QT600-3、QT700-2、KTZ450-5、KTZ500-4等。20Cr、40Cr、40CrNi、20CrMnTi、40MnB等，采用合金钢必须采取相应的热处理点击此处链接轴的常用材料及主要机械性能 10.1 轴及轴承设计概述铸铁的吸振性强，耐磨性好，切削性好，对应力集中敏感性较低，价格便宜。但铸铁的冲击韧性低，工艺过程不易控制，轴的质量不够稳定。（1）合金钢
6、对应力集中较敏感，结构设计时应尽量减少应力集中。选材时注意：（2）一般工作温度下（如低于200C），碳素钢和合金钢的弹性模量相差不多，因此，用合金钢代替碳素钢并不能提高轴的刚度。如轴刚度不够，只能增大截面积来解决 （3）钢轴的毛坯常用轧制件或锻件。锻件的内部组织均匀，强度较高，故重要的轴宜采用锻件毛坯制造。（4）形状复杂的轴，如凸轮轴、曲轴、空心轴等，有时也可采用铸钢或铸铁制造，经过铸造成型。10.1 轴及轴承设计概述3.设计轴应考虑的问题为了保证轴的正常工作，轴应具备足够的强度和刚度，同时应具备合理的结构，即应保证轴上零件能正常定位和固定，且便于加工和装配等。对于一般用途的轴，设计时只考虑强
7、度和结构方面的要求；对要求有较高旋转精度的轴，还应满足刚度要求；高速转动的轴，除上述要求外，还需进行振动稳定性的计算。10.1 轴及轴承设计概述轴的设计步骤：（1）合理选择轴的材料及热处理方法；（2）按轴的扭转强度估算轴的最小轴径（或用类比方法确定）；（3）确定轴上零件的相对位置及装配方案；（4）进行轴的结构设计；（5）校核轴的强度及其它必要的校核计算；（6）绘制轴的工作图。轴的设计流程：已知条件选轴材料初算轴径结构设计计算弯矩校核计算完善设计修改轴径10.1 轴及轴承设计概述10.1.210.1.2轴承的功用及类型轴承的功用及类型轴承是用来支承轴或轴上回转零件的部件；根据工作时摩擦性质的不同
8、，可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。10.1 轴及轴承设计概述缺点：抗冲击能力差，工作寿命不及润滑良好的滑动轴承，工作时有噪音。滚动轴承：优点：摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、润滑简便、易于互换依靠元件间的滚动接触来支承转动零件。依靠元件间的滑动接触来承受载荷。承载能力大、工作平稳可靠、噪声小、耐冲击、吸振、可以剖分、回转精度高。优点：摩擦损耗大，维护比较复杂。缺点：滑动轴承:10.1 轴及轴承设计概述应用：1）转速和旋转精度高的轴承；2）重型和承受冲击载荷的轴承；3）结构上要求剖分的轴承；4）要求向心尺寸小的轴承；5）在水或腐蚀性介质中工作的轴承；6）简单支承和不重要的场合。某些不能、不便或使用
9、滚动轴承没有优势的场合。10.2滑动轴承设计10.2 滑动轴承设计10.2.1 滑动轴承的类型及结构10.2.2 轴瓦结构和轴承材料10.2.3 滑动轴承的润滑10.2 滑动轴承设计10.2.4 不完全油模滑动轴承的设计10.2.5 液体动压润滑油轴承的工作原理10.2.6 液体静压滑动轴承和气体轴承简介10.2 滑动轴承设计10.2.110.2.1滑动滑动轴承的类型及结构轴承的类型及结构滑动轴承按承载方向的不同 滑动轴承按工作时滑动表面间摩擦状态的不同 向心滑动轴承（承受径向载荷）推力滑动轴承（承受轴向载荷）不完全油膜滑动轴承（边界摩擦和混合摩擦状态）液体润滑轴承（液体摩擦状态）干摩擦轴承
10、液体润滑轴承根据液体润滑承载机理不同 液体动压润滑轴承 液体静压润滑轴承 10.2 滑动轴承设计1.向心滑动轴承的结构有整体式、对开式、自位式、间隙可调式、多叶式等型式。（1）整体式向心滑动轴承整体式向心滑动轴承结构注油孔轴瓦轴承座轴瓦由减摩材料制成；轴承座材料常为铸铁；轴承座上面有安装润滑油杯的螺纹孔（注油孔）在轴瓦上有油孔，为了使润滑油能均匀分布在整个轴颈上，在轴瓦的内表面上开有油沟。10.2 滑动轴承设计点击图面动画演示优点：结构简单，易于制造，价格低廉，刚度较大，且已标准化。缺点：只能从轴颈端部进行装拆；轴瓦磨损后轴承间隙无法调整。应用：低速、轻载、间歇性工作并具有相应的装拆条件的简单
11、机械设备中。10.2 滑动轴承设计结构特点：1）在轴承盖和轴承座的剖分面上做成阶梯形；2）剖分面间配置调整垫片。（2）对开式向心滑动轴承1-螺柱2-轴承盖3-轴承座4-上轴瓦5-下轴瓦10.2 滑动轴承设计对开式向心滑动轴承特点：装拆方便，轴承孔和轴颈之间的间隙可通过改变剖分面上的垫片厚度来调整，当轴瓦磨损严重时，易于更换轴瓦，应用很广泛。点击图面动画演示当轴承受到的径向力有较大偏斜时，可采用斜对开式向心滑动轴承，剖分角一般为45。10.2 滑动轴承设计（3）自位式向心滑动轴承特点：轴瓦与轴承座为球面接触，可自动适应轴的变形。应用：轴的刚度小、制造精度较低的场合。边缘接触自位式轴承自位式向心滑
12、动轴承能防止轴承与轴颈的“边缘接触”，以避免轴承端部局部迅速磨损。点击图动画演示10.2 滑动轴承设计（4）间隙可调式向心滑动轴承具有锥形轴瓦，可利用轴瓦两端的螺母使轴瓦沿轴向移动，从而调整轴承间隙。外锥面内锥面10.2 滑动轴承设计2.推力滑动轴承的结构推力滑动轴承用来承受轴向载荷，典型结构如图所示。轴颈油孔球面推力轴瓦轴承座轴承衬径向轴瓦油孔10.2 滑动轴承设计轴颈的结构形式轴颈的结构形式多环式：可承受较大的单向或双向载荷，但环数较多时，各环间载荷分布不均。空心式：压力分布较均匀，润滑条件较实心式改善。单环式：环形端面受力，结构简单，润滑方便，常用于低速、轻载的场合。实心式：端面受力，压
13、力分布不均匀，润滑效果差，边缘磨损快。实心式空心式单环式多环式10.2 滑动轴承设计普通推力轴承轴颈的基本尺寸计算公式普通推力轴承轴颈的基本尺寸计算公式 10.2 滑动轴承设计10.2.210.2.2轴瓦结构和轴承材料轴瓦结构和轴承材料1.轴瓦结构轴瓦与轴颈直接接触，它的工作面既是承载表面又是摩擦表面，故轴瓦是滑动轴承中最重要的元件。（1）轴瓦的型式与构造 整体式轴瓦：也称轴套，用于整体式轴承。需从轴端安装和拆卸，可修复性差。10.2 滑动轴承设计对开式轴瓦：用于对开式轴承。可以直接从轴的中部安装和拆卸，可修复。10.2 滑动轴承设计在轴承衬背与轴承减摩层之间再加一中间层，用以提高轴承表层的疲
14、劳强度。轴瓦可用单层材料制成单层轴瓦，亦可用多层材料制成多层轴瓦。双金属轴瓦多层轴瓦三金属轴瓦双金属轴瓦:以某种金属作基体（轴承衬背），使轴瓦具有所需的强度或刚度，再在内壁上覆一层薄的轴承减摩材料（俗称轴承衬），用以改善轴瓦表面的摩擦状况。三金属轴瓦:节省价格较高的轴承合金等减摩材料。10.2 滑动轴承设计（2）轴瓦的制作：金属轴瓦常为浇铸成型后经切削加工制成。双层或三层金属轴瓦制作方法：a、大批量生产采用轧制的方法，使轴承减摩层材料贴附在低碳钢带上，然后经冲裁、弯曲成型及精加工制成。b、批量小或尺寸大的轴承采用离心铸造的方法，将轴承减摩层材料浇铸在轴承衬背的内表面上。为使减摩层与轴承衬背贴附
15、牢固，在轴承衬背上制出沟槽。轴承衬背上沟槽的形式10.2 滑动轴承设计为增强轴瓦的刚度和散热性能，并保证轴瓦与轴承的同轴度，轴瓦与轴承座应紧密配合，贴合牢靠，一般轴瓦与轴承座孔采用较小过盈量的配合，如H7m6、H7/n6等。（3）轴瓦的定位与配合 轴瓦和轴承座之间不允许有相对移动。定位措施：轴瓦两端做出凸缘紧定螺钉定位销钉定位10.2 滑动轴承设计（4）油孔、油槽和油腔的开设：使轴承得到良好的润滑。油槽：用来输送和分布润滑油。油孔：用来供应润滑油。油腔：用以贮存润滑油，并分布润滑油和起稳定供油作用。油槽的形状和分布应使摩擦副表面得到均匀的润滑。为了不影响轴承的承载能力，油槽应开在非承载区最大间
16、隙部位。油腔一般开设于轴瓦的剖分处。常见油槽的形式油腔的结构10.2 滑动轴承设计2.轴承的材料轴承材料主要指轴瓦、轴承衬背和轴承减摩层的材料。滑动轴承的失效形式：磨损、胶合或疲劳剥落。磨损胶合扩展点蚀疲劳剥落10.2 滑动轴承设计此外还应有足够的强度和抗腐蚀能力、良好的导热性、工艺性和经济性。减摩性好：摩擦副具有较低的摩擦系数。耐磨性好：单位时间的磨损量（磨损率）小。摩擦相容性（抗胶合性）好：材料的耐热性与抗粘附性好。嵌入性好：材料容纳硬质颗粒嵌入，从而减轻轴承滑动表面发生刮伤或磨粒磨损的性能。磨合性好：轴瓦与轴颈表面经短期轻载运行后，形成相互吻合的表面形状和粗糙度的能力（或性质）。对轴承材
17、料的基本要求：摩擦顺应性好：轴承材料靠表层的弹塑性变形来补偿滑动表面初始配合不良的性能；具有足够的强度：包括抗压、抗冲击和抗疲劳强度；10.2 滑动轴承设计铜合金具有较好的强度、减摩性和耐磨性。锡青铜的减摩性和耐磨性最好，但嵌入性和磨合性比轴承合金差，适用于中速及重载场合；铅青铜的抗胶合能力强，适用于高速重载；铝青铜强度和硬度高，抗胶合能力差，适用于低速重载；黄铜是铜锌合金，减摩性和耐磨性比青铜差，但工艺性好，适用于低速中载。（1）金属材料轴承合金。又称为巴氏合金或白合金。以较软的锡或铅为基体，其中悬浮锑锡及铜锡硬晶粒。具有良好的嵌入性、摩擦顺应性、磨合性和抗胶合能力。但因强度很低，不能单独作
18、轴瓦，只能作为轴承衬附在青铜或铸铁轴瓦上，其价格较贵。适用于重载、中高速场合。铜合金。有锡青铜、铅青铜、铝青铜和黄铜。10.2 滑动轴承设计铝合金。为铝锡合金，具有强度高、耐腐蚀、导热性好等优点，可用铸造、冲压、轧制等方法制造，适合批量生产。但磨合性差，要求轴颈有较高的硬度和加工精度。可部分代替价格较贵的轴承合金或青铜材料。铸铁。灰铸铁、耐磨铸铁和球磨铸铁。铸铁中的石墨具有润滑作用，价格低廉，但磨合性差。适用于低速、轻载和不重要的场合。10.2 滑动轴承设计由铜、铁、石墨等粉末经压制、烧结而成多孔隙（10%35%)材料。工作前在热油中浸泡几个小时，使孔隙中充满润滑油，工作时轴瓦温度升高，油膨胀
19、后进入摩擦表面进行润滑，停车后由于毛细作用，油又吸回轴瓦内，故又称为含油轴承，可在长时间不加油的情况下工作。但其性脆，适用于中、低速、无冲击、润滑不便或要求清洁的场合。（2）多孔质金属材料 10.2 滑动轴承设计（3）非金属材料塑料：酚醛塑料、尼龙、聚四氟乙烯等，具有摩擦因数小、抗压强度高、耐腐蚀性和耐磨性好等优点。但导热能力差，应注意冷却。橡胶：具有良好的弹性和减摩性，故常用于以水做润滑剂且环境较脏污之处。其内壁上带有轴向沟槽，以利润滑剂流通，而且还可以增强冷却效果和冲走污物。碳石墨：由不同量和石墨构成的人造材料，石墨量越多材料越软，摩擦因数越小。还可以在其中加入金属、聚四氟乙烯和二硫化钼等
20、。是电动机电刷的常用材料。10.2 滑动轴承设计10.2.310.2.3滑动轴承的润滑滑动轴承的润滑1.滑动轴承的润滑剂及其选择减小摩擦和减少磨损，提高轴承的效率，同时还可以起冷却、防尘、防锈和吸振等。作用：（1）润滑油及其选择特点：流动性好，可形成动压、静压或边界润滑油膜。适用场合：非液体滑动轴承和液体滑动轴承。选择原则：主要考虑润滑油的粘度。高温时，粘度应高一些；低温时，粘度可低一些。转速高、压力小时，油的粘度应低一些；反之，粘度应高一些。10.2 滑动轴承设计特点：无流动性，可在滑动表面形成一层薄膜。适用场合：要求不高、难以经常供油，或者低速重载以及作摆动运动的轴承中。选择原则：所用润滑
21、脂的滴点，一般应较轴承的工作温度高约2030，以免工作时润滑脂过多地流失。在有水淋或潮湿的环境下，应选择防水性能强的钙基或铝基润滑脂。在温度较高处应选用钠基或复合钙基润滑脂。当压力高和滑动速度低时，选择针入度小一些的品种；反之，选择针入度大一些的品种。（2）润滑脂及其选择 10.2 滑动轴承设计2.润滑方法及润滑装置(1)润滑油润滑a、间歇式润滑压配式注油杯旋套式注油杯旋盖式油杯特点：只能得到间歇润滑，不能调节供油量。适用场合：低速、轻载及不重要的轴承。10.2 滑动轴承设计b、连续式润滑针阀式滴油油杯。当手柄1竖立时针阀3被提起，底部油孔打开，杯体内的润滑油通过导油管连续流入轴承。手柄平放时
22、，针阀3被压下，底部油孔被堵住，停止供油。调节螺母可控制针阀提升高度，从而调节油孔大小和供油量。针阀式滴油杯润滑可靠、充分，适用于重要轴承。10.2 滑动轴承设计油芯式油杯。利用毛线或棉线的毛细作用，把油吸入油孔。其供油量不易调节，且机器工作时仍在供油。油环润滑。油环套在轴上，下部浸在油池里，当轴颈旋转时，靠轴颈与油环间的摩擦带动油环转动，把油带入轴承。压力润滑。利用油泵循环供油，使用后的油回到油箱，经冷却过滤，再重复使用。润滑可靠，但设备费用高，用于高速、重载及精密的滑动轴承。油芯式油杯油环润滑10.2 滑动轴承设计(2)脂润滑润滑手工加脂润滑：有脂杯润滑和脂枪润滑两种。集中供脂系统脂润滑：
23、由脂罐、给脂泵、油管换向阀等组成集中供脂系统，利用适当的泵压定时、定量地发送润滑脂到设备各润滑点。10.2 滑动轴承设计k2216163232润滑剂润滑脂润滑油润滑方式间歇式滴油润滑飞溅或油环润滑压力润滑按经验公式计算k 值，然后按表选择润滑方式。3.润滑方式选择10.2 滑动轴承设计10.2.410.2.4不完全油膜滑动轴承的设计不完全油膜滑动轴承的设计1.滑动轴承的润滑剂及其选择不完全油膜滑动轴承应用场合：工作要求不高、速度较低、载荷不大、难以维护等条件下工作的轴承。进行轴承压强p、轴承压强速度值pv和轴承滑动速度v的验算，使其不超过轴承材料的许用值。工作状态：轴颈与轴瓦表面间处于边界摩擦
24、或混合摩擦状态。失效形式：磨粒磨损和粘附磨损。设计准则：保证边界油膜不破裂。强度条件：10.2 滑动轴承设计2.不完全油膜向心轴承的设计已知条件：轴颈直径d、轴的转速n、轴承径向载荷FR 。设计计算步骤：（1）根据轴承使用要求和工作条件，确定轴承的结构型式，选择轴承材料。（2）选定轴承宽径比B/d，一般取B/d0.71.3，确定轴承宽度。（3）验算轴承的工作能力。轴承压强p的验算防止过度磨损。10.2 滑动轴承设计轴承压强速度值pv的验算控制温度，防止粘附磨损。滑动速度v的验算若p、pv和v的验算结果超出许用范围时，可加大轴颈直径和轴承宽度，或选用较好的轴承材料，使之满足工作要求。p、v、pv
25、 的选择即使p、pv合格，但v过大仍会使磨损过快。滑动轴承设计示例10.2 滑动轴承设计3.不完全油膜推力轴承的设计设计计算步骤：（1）根据载荷的大小、性质及空间尺寸等条件确定轴承的结构型式，选择轴承材料。（2）初定推力轴颈的基本尺寸。（3）验算轴承的工作能力。式中：d2为轴环外径；d0为推力轴颈直径；z为轴环数。轴承压强p的验算10.2 滑动轴承设计轴承压强速度值pvm的验算推力轴承平均直径处的圆周速度：推力轴环的平均直径：推力轴承材料及许用p、pv值 10.2 滑动轴承设计10.2.510.2.5液体动压润滑轴承的工作原理液体动压润滑轴承的工作原理1.液体动压油膜形成原理相对运动的两表面间
26、必须形成收敛的楔形间隙。雷诺方程：被油膜分开的两表面必须有一定的相对滑动速度、运动方向为使油从大口流进,小口流出。润滑油必须有一定的粘度，供油要充分。10.2 滑动轴承设计2.液体动压向心滑动轴承油膜形成过程点击图面动画演示10.2 滑动轴承设计10.2.610.2.6液体静压润滑轴承和气体轴承简介液体静压润滑轴承和气体轴承简介1.液体静压滑动轴承适用场合：低速、重载或旋转精度要求高的机械，如精密机床、气轮发电机等。原理：用泵将油压入轴承间隙中，强制形成承载油膜。特点：理论上无磨损，寿命长，旋转精度高；因摩擦副不接触，降低了对材料和制造精度的要求高。但需一套供油装置。10.2 滑动轴承设计2.
27、气体轴承气体轴承用气体作润滑剂，由气膜将轴与轴瓦分开，使轴在轴承中无接触的旋转或呈悬浮状态；为了保证承载能力和工作稳定性，往往在转子或定子上刻有螺旋槽。润滑气体常用空气，因为空气的粘度约为油的四五千分之一，空气轴承摩擦阻力很小，可在高转速下工作，转速每分钟可达几十万甚至百万转，受温度影响很小，能在很大温度范围内应用。它用于惯导陀螺电机轴承、核反应堆内的支承和纺织机械等。气体轴承也有气体动压轴承和气体静压轴承两大类，其工作原理和液体润滑轴承基本相同。超高速轴系对轴承要求：基本上应无磨损、无摩擦、无需保养管理(无润滑)，而且工作十分可靠。气体轴承和电磁轴承可基本满足上述要求。气体轴承可基本满足上述
28、要求。10.3滚动轴承设计10.3 滚动轴承设计10.3.1 滚动轴承的结构、类型和特点10.3.2滚动轴承的失效形式和设计准则10.3.3 滚动轴承的基本额定寿命10.3.4 滚动轴承的静强度计算10.3.5 滚动轴承的组合设计10.3 滚动轴承设计10.3.1 滚动轴承的结构、类型和特点1.滚动轴承的结构和材料2.滚动轴承的结构特性3.滚动轴承的类型4.滚动轴承的代号5.滚动轴承的类型选择10.3 滚动轴承设计10.3.3 滚动轴承的基本额定寿命1.滚动轴承的基本额定寿命2.滚动轴承的基本额定动载荷3.滚动轴承的寿命计算公式4.轴承的当量动载荷计算5.角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷FA
29、的计算10.3 滚动轴承设计10.3.110.3.1滚动轴承的结构、类型和特点滚动轴承的结构、类型和特点1.滚动轴承的结构和材料滚动体内圈保持架外圈10.3 滚动轴承设计内、外圈上制有弧形滚道，用以限制滚动体的轴向移动，并可降低滚动体与内、外圈上的接触应力。（1）滚动轴承的结构 点击图动画演示10.3 滚动轴承设计10.3 滚动轴承设计10.3 滚动轴承设计10.3 滚动轴承设计保持架有冲压保持架和实体保持架两种类型。10.3 滚动轴承设计（2）滚动轴承的常用材料 滚动轴承的内、外圈及滚动体采用强度高、耐磨性好的轴承铬锰碳钢制造，例如GCr15（G表示滚动轴承钢）、GCr9SiMn等，热处理后
30、工作表面硬度可达6065HRC。冲压保持架：一般用低碳钢板冲压制成，它与滚动体间有较大间隙，工作时噪声较大。保持架实体保持架：用铜合金、铝合金或酚醛树脂等制成，与滚动体间的间隙较小，允许轴承有较高转速。10.3 滚动轴承设计2.滚动轴承的结构特性角的大小反映了轴承承受轴向载荷的能力。角越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。（1）公称接触角 10.3滚动轴承设计（2）轴承的游隙 轴承的游隙分为径向游隙ur和轴向游隙ua。表示一个套圈固定，另一个套圈沿径向或轴向由一个极限位置到另一极限位置的移动量。轴承所需游隙大小选择依据：轴承与轴承孔之间配合的松紧程度、温差大小、轴的挠曲变形大小以及轴的回转精度要求
31、。轴承标准中将径向游隙值分为基本游隙组和辅助游隙组，应优先选用基本游隙组值。轴向游隙值由径向游隙值按一定关系换算得到。10.3滚动轴承设计轴承具备角偏位的能力，使轴承能够补偿因加工、安装误差和轴的变形造成的内、外圈轴线的倾斜。其中角偏位能力大的轴承，调心功能强，故称为调心轴承。（3）角偏位和偏位角 轴承内、外圈轴心线间的相对倾斜称为角偏位，相对倾斜时两轴心线所夹的锐角称为偏位角。点击图动画演示10.3 滚动轴承设计3.滚动轴承的类型球轴承的滚动体为球，与内、外圈是点接触，运转时摩擦损耗小，但承载能力和抗冲击能力差。按滚动体的不同分类球轴承滚子轴承滚子轴承的滚动体为滚子，与内、外圈是线接触，承载
32、能力和抗冲击能力大，但运转时摩擦损耗大。10.3 滚动轴承设计按承受外载荷方向分类向心轴承（45）推力轴承（45）径向接触轴承（=0）向心角接触轴承（045）推力角接触轴承（4590）轴向接触轴承（=90）主要区别：承受轴向外载荷的能力 10.3 滚动轴承设计 按轴承的结构形式不同分类：在实际应用中，滚动轴承的结构形式有很多。作为标准件的滚动轴承，在国家标准中分为13种，最为常用的有下列种:深沟球轴承角接触球轴承调心球轴承圆柱滚子轴承推力球轴承圆锥滚子轴承10.3 滚动轴承设计a、径向接触轴承（=0）（1）深沟球轴承类型代号：6承载方向：主要承受径向载荷，也可同时承受少量双向轴向载荷极限转速：
33、高角偏位能力：210使用条件：刚性较大的轴（2）外圈无挡边圆柱滚子轴承类型代号：N额定负荷比：1.53极限转速：高角偏位能力：24使用条件：刚性较大的轴承载方向：仅能承受径向载荷10.3 滚动轴承设计b、角接触向心轴承（045）（1）角接触球轴承类型代号:77000C型=15、7000AC型=25、7000B型=40承载方向：可同时承受径向载荷及单向轴向载荷极限转速：高使用条件：刚性较大及跨距不大的轴（2）圆锥滚子轴承类型代号：3额定负荷比：1.12.5极限转速：中角偏位能力：2，游隙可调使用条件：刚性较大的轴承载方向：承受较大径向及轴向载荷10.3 滚动轴承设计类型代号：1承载方向：可同时承
34、受径向载荷及少量双向轴向载荷极限转速：中角偏位能力：1.53（2）调心滚子轴承额定负荷比：1.84极限转速：低角偏位能力：1.53使用条件：其他轴承不能胜任的重负荷承载方向：可同时承受径向载荷及少量双向轴向载荷c、调心轴承（外圈滚道为球面）（1）调心球轴承类型代号：210.3 滚动轴承设计d、角接触推力轴承（45 90）类型代号：2承载方向：可同时承受轴向载荷及少量径向载荷极限转速：中角偏位能力：23使用条件：轴向负荷大及要求调心场合，如大型立式水轮机额定负荷比：1.21.6推力调心滚子轴承10.3 滚动轴承设计e、轴向接触轴承（=90）类型代号：5承载方向：仅能承受轴向载荷极限转速：低角偏位
35、能力：不允许使用条件：轴向负荷大且速度较低场合额定负荷比：1单向推力球轴承：51000型双向推力球轴承：52000型10.3 滚动轴承设计4.滚动轴承的代号前置代号基本代号后置代号轴承的分部件代号内部结构代号密封与防尘结构代号保持架及其材料代号特殊轴承材料代号公差等级代号游隙代号多轴承配置代号其它代号五四三二一类型代号尺寸系列代号内径代号宽度系列代号直径系列代号滚动轴承代号构成：用于表征滚动轴承的结构、尺寸、类型、精度等。前置代号表示轴承的分部件。基本代号表示轴承的类型与尺寸等主要特征。后置代号表示轴承的精度与材料的特征。10.3 滚动轴承设计五四三二一内径d10121517代号0001020
36、3特殊情况：类型代号：常用轴承代号为3、5、6、7、N、1六类尺寸系列代号一般宽度为“0”，通常不标注。但对圆锥滚子轴承(3类)和调心滚子轴承(2类)不能省略“0”。直径系列代号：表示相同内径的同类型轴承在外径和宽度方面的变化系列。特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)。类型代号尺寸系列代号内径代号直径系列代号宽度系列代号：表示相同内径和外径的同类型轴承在宽度方面的变化系列。8（特窄），0（窄），1（正常），2（宽），3、4、5、6（特宽）宽度系列代号10.3 滚动轴承设计例题：例题：说明下列轴承代号的含义。说明下列轴承代号的含义。62205轴承内径为25mm直径系列为2（轻）系列宽度系
37、列为2（宽）系列深沟球轴承10.3 滚动轴承设计例题：例题：说明下列轴承代号的含义。说明下列轴承代号的含义。7（0）315AC/P6/C33组游隙6级公差接触角=25轴承内径为75mm直径系列为3（中）系列宽度系列为0（窄）系列，不标出角接触球轴承10.3 滚动轴承设计轴承代号示例轴承代号示例 6308：6深沟球轴承，3中系列，08内径d =40mm；N105：N圆柱滚子轴承，1特轻系列，05内径d=25mm；7214AC：7角接触球轴承，2轻系列，14内径d=70mm，公称接触角=25；30213：3圆锥滚子轴承，2轻系列，13内径d=65mm，0窄宽度(0不可省略)；6103：6深沟球轴承
38、，1特轻系列，03内径d=17mm；10.3 滚动轴承设计5.滚动轴承的类型选择球轴承和轻系列的轴承能适应较高的转速，滚子轴承和重系列的轴承则反之；推力轴承的极限转速很低。调心球轴承和调心滚子轴承均能满足一定的调心要求。（1）承受载荷情况（2）尺寸的限制（3）转速的限制（4）调心性要求方向：向心轴承用于受径向力；推力轴承用于受轴向力；向心推力轴承用于承受径向力和轴向力联合作用。大小：滚子轴承或尺寸系列较大的轴承能承受较大载荷；球轴承或尺寸系列较小的轴承则反之。当对轴承的径向尺寸有较的严格限制时，可选用滚针轴承。10.3 滚动轴承设计10.3.210.3.2滚动轴承的失效形式和设计准则滚动轴承的
39、失效形式和设计准则1.受力分析结论：轴承在工作过程中，各元件均受变载作用。由于轴承内存在游隙，承载区的范围小于180。轴向载荷：径向载荷：处于FR作用线最下端的滚动体承载最大，而远离作用线的各滚动体，其承载逐渐减小。各滚动体所受载荷是均等的。位于上半圈的滚动体不受载荷（非承载区）位于下半圈的滚动体受力（承载区）。（1）轴承工作时轴承元件上的载荷分布 点击图动画演示10.3 滚动轴承设计（2）轴承工作时轴承元件上的载荷及应力变化 滚动体：进入承载区后，所受载荷及接触应力即由零逐渐增到最大值，然后再逐渐减小到零。就滚动体上某一点而言，由于滚动体的不断滚动，它的载荷和应力是按周期性不稳定脉动循环变化
40、的。转动套圈：受力情况与滚动体相似，就其滚道上某一点而言，处于非承载区时，载荷及应力为零。进入承载区后，每与滚动体接触一次，就受载一次，且在不同接触位置载荷值不同。不转的套圈：滚道上每一个具体点，每当滚过一个滚动体时，便承受一次载荷，其大小是不变的。总之，滚动轴承是在变应力状态下工作的。10.3 滚动轴承设计2.主要失效形式主要失效形式 疲劳点蚀塑性变形磨损 磨损胶合 塑性变形疲劳点蚀胶合10.3 滚动轴承设计3.设计准则滚动轴承的设计准则（n10r/min）疲劳点蚀，进行轴承寿命的计算（n10r/min）塑性变形，进行轴承静强度的计算磨损、胶合，进行疲劳寿命计算，再校验其极限转速10.3 滚
41、动轴承设计10.3.310.3.3滚动轴承的基本额定寿命滚动轴承的基本额定寿命1.滚动轴承的基本额定寿命基本额定寿命是一种统计寿命，选择轴承时应以它为标准（2）基本额定寿命 一批同型号的轴承在相同的条件下运转，其中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的总转数或工作小时数称为轴承的基本额定寿命。以L10（单位为106转）或Lh（单位为h）表示。（两方面意义）（1）轴承的寿命 滚动轴承中任一元件首次出现疲劳点蚀前，轴承运转的总转数或工作的小时数。轴承的寿命很离散，在计算轴承寿命时，应与一定的可靠度相联系。对于一般设备中的滚动轴承，通常规定可靠度为90%。10.3 滚动轴承设计2
42、.滚动轴承的基本额定动载荷基本额定动载荷：使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。C为衡量轴承承载能力的主要指标。对于向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，用Cr表示；对于推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载荷，用Ca表示；对于角接触球轴承和圆锥滚子轴承，指的是使轴承套圈间仅产生纯径向位移的载荷之径向分量。基本额定动载荷C为标准值，可查设计手册 轴承的寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，轴承的寿命愈短。10.3 滚动轴承设计3.滚动轴承的寿命计算公式轴承的额定寿命与轴承所受载荷的大小有关。轴承的载荷寿命曲线关系式：PL10=常
43、数式中：P为当量动载荷，单位为N；L10为基本额定寿命，单位为106转；为寿命指数，球轴承=3，滚子轴承=10/3。当L10=1（即106转）时，轴承的当量动载荷为基本额定动载荷。于是：PL10=C1，由此可得：10.3 滚动轴承设计在实际设计时，往往是预先给定了所求轴承的工作寿命（称为预期寿命Lh）、转速和当量动载荷P，要求确定所求轴承的基本额定动载荷C，以选择轴承的型号。工作温度高于120时，轴承的额定动载荷应为：其中：ft温度系数。轴承工作温度/100125150200250300温度系数ft10.950.900.800.700.6010.3 滚动轴承设计许多机械在工作中有振动和冲击，使
44、轴承实际承受的载荷比计算载荷大，即：其中：fp载荷性质系数。载荷性质f p举例无冲击或轻微冲击1.01.2电机、汽轮机、通风机、水泵等中等冲击1.21.8机床、车辆、动力机械、起重机、造纸机、选矿机、冶金机械、卷扬机械等强烈冲击1.83.0碎石机、轧钢机、钻探机、振动筛等10.3 滚动轴承设计考虑到实际工作条件与实验条件的差异，寿命公式修正为：10.3 滚动轴承设计4.轴承的当量动载荷计算轴承的实际受载情况与轴承寿命实验时的情况是不同的。所以，在计算轴承寿命时，须将轴承受到的实际载荷等效转化为与基本额定动载荷C相当的载荷，即当量动载荷，用P表示。FR轴承受到的径向载荷；FA轴承受到的轴向载荷；
45、X径向载荷系数；Y轴向载荷系数。对于只能承受径向力的向心轴承P=FR对于只能承受轴向力的推力轴承P=FAu对于能同时承受径向力和轴向力的轴承载荷系数表10.3 滚动轴承设计在当量动载荷的作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用下相同的寿命。e 值是计算当量动载荷时判别是否计入轴向载荷的界限值。当FA/FRe 时，表示轴向载荷影响较大，计算当量动载荷时必须考虑FA的作用。当FA/FRe时，表示轴向载荷影响很小，计算当量动载荷时可忽略轴向载荷FA的影响。（1）如果轴承的型号已知，那么就可根据这个型号查得C0r、e、X和Y值，进行计算，使LhLh。（2）轴承的型号未知，如果想通过计算来确定轴承型号，而C0
46、r、e均未知，则须采用试算法。滚动轴承设计类型：10.3 滚动轴承设计5.角接触球轴承和圆锥滚子轴承轴向载荷FA的计算角接触向心轴承在承受径向载荷FR时，将产生派生轴向力FS。因此在计算这类轴承的当量动载荷P时，式中的轴向载荷FA并不等于作用在轴上的轴向外力，而应根据整个轴上外加轴向载荷Fa和各轴承的派生轴向力FS 之间的平衡条件分析确定。（1）载荷作用中心 各个滚动体载荷矢量与轴中心线的汇交点。载荷作用中心距其轴承端面的距离a 可从轴承样本或有关标准中查得。10.3 滚动轴承设计（2）派生轴向力产生的原因、大小和方向 方向：由轴承外圈的宽边一端指向窄边一端，迫使轴承内圈从外圈脱开。（背指向面
47、）角接触轴承受径向载荷FR作用时，由于其存在接触角，承载区内任一滚动体上的法向力Fni可分解为径向分力FRi和轴向分力FSi。各滚动体上所受轴向分力的总和即为轴承的派生轴向力FS。1.14FR0.68FReFRFSFR/2YY=0.4cot圆锥滚子轴承角接触向心球轴承轴承类型角接触轴承的派生轴向力FS10.3 滚动轴承设计（3）滚动轴承的安装方式及特点 角接触球轴承和圆锥滚子轴承承受径向载荷后会产生派生轴向力，为使派生轴向力得到平衡，这两类轴承均须成对使用。反装或背对背安装：使两支反力作用点O1、O2相互远离，支承跨距加大。两轴承外圈的窄边相背的安装方式。10.3 滚动轴承设计正装或面对面安装
48、：两支反力作用点O1、O2相互靠近，支承跨距缩短。支反力作用点O1、O2距其轴承端面的距离a可从标准中查得。两轴承外圈的窄边相对的安装方式。10.3 滚动轴承设计（4）轴向载荷FA的计算 作轴系受力简图，给轴承编号规定派生轴向力中与外加轴向载荷Fa方向一致的轴承标为2，另一轴承标为1由径向外载荷Fr 计算FR1、FR2，再由FR1、FR2计算两轴承的派生轴向力FS1、FS2；以如图正装（面对面安装）为例。10.3 滚动轴承设计计算轴承的轴向载荷FA1、FA2若Fa+FS2FS1，这时滚动体、轴承内圈与轴的组合体被推向右端，轴承2被压紧称为“紧端”，轴承1被放松称为“松端”。根据力的平衡条件，轴
49、承2上必有平衡力FS2（由轴承座或端盖施加)，即FS2+FS2+Fa=FS1因此轴承1所受的轴向力FA1为自身的派生轴向力FS1，轴承2所受的轴向力FA2为FS2和FS2之和，故得：FA1=FS1 FA2=FS2+FS2=FS1Fa 10.3 滚动轴承设计若Fa+FS2FS1，这时轴承1被压紧，称为“紧端”；轴承2被放松，称为“松端”。由于轴承1被压紧，根据力的平衡条件，轴承1上必有平衡力FS1，即FS1+FS1=Fa+FS2。因此轴承1所受的轴向力FA1为FS1和FS1之和，轴承2所受的轴向力FA2为自身的派生轴向力FS2，故得：FA1=FS1+FS1=Fa+FS2FA2=FS210.3 滚
50、动轴承设计计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法计算角接触球轴承和圆锥滚子轴承所受轴向力的方法 （1）找出被“压紧”的轴承和“放松”的轴承（2）被“压紧”轴承的轴向力等于除本身派生轴向力以外的其它所有轴向载荷的代数和。（3）被“放松”轴承的轴向力等于其本身的派生轴向力。10.3 滚动轴承设计10.3.410.3.4滚动轴承的静强度计算滚动轴承的静强度计算对于低速转动（n10r/min）、缓慢摆动或基本不旋转的轴承，其失效形式不是疲劳点蚀，而是因接触应力过大而产生的表面塑性变形。此类轴承应进行静强度计算。针对的失效形式：轴承元件接触表面的塑性变形。基本额定静载荷：使受载最大的滚动体与滚道