滚动轴承.docx
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滚动轴承.docx
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滚动轴承
滚动轴承
本文档用于对英制系列的滚动轴承进行选择、计算并校核,程序可以解决以下问题:
1.选择合适的轴承并进行校核,本文档包含大约5000种不同的滚子轴承,包括以下类型:
深沟球轴承,角接触球轴承,滚针轴承,圆锥滚子轴承,推力球轴承,圆柱滚子推力轴承和滚针推力轴承;
2.计算轴承基本参数(寿命、静态安全系数等等);
3.根据ISO281计算轴承的调整寿命;
4.计算成对圆锥滚子轴承或者成对角接触球轴承的载荷;
5.支持二维绘图及三维建模。
除了给定的基本计算之外,程序还提供了一些辅助计算功能(如:
计算润滑剂工作粘度,计算变动载荷的平均值等)。
本程序所使用的数据、过程、算法和其他信息来自专业文件,包括ISO、ANSI和SAE标准及来自以下公司的滚动轴承产品目录:
RBCBearings,NiceBallBearing,GeneralBearingCompany,NewHampshireBallBearing,NMBUSAInc.,MRCBearingGroup,FafnirBearingsCompany,TorringtonCompany,TimkenCompany,BardenPrecisionBearing,McGillManufacturingCo.Inc.,NTNBearingCorporation,INAUSACorporation.
相关标准:
ANSI/ABMA9-1990,ANSI/ABMA11-1990,ISO76,ISO281,ISO1132,ISO5593,ISO3448,ISO15312
提示:
关于如何选择合适的轴承类型,请查看比较文档“滚动轴承选择”
控制结构及语法
相关控制结构与语法部分的内容请查看 "控制结构与语法"。
项目信息
本项目的相关信息请查看 "项目信息"。
理论基础
滚动轴承具有一系列广泛的外形及尺寸,通常包括内外圈、滚子和保持架组成。
轴承根据其内部设计,滚动体形状和载荷方向可以被分为几种基本类型。
各种类型滚动轴承的比较可以查看文档“滚动轴承选择”。
滚动轴承的基本型号都是国际标准,为了满足不同场合需要,在基本型的基础上还有很多不同设计参数的轴承,其具体的技术参数可以参考各制造商的产品目录。
滚动轴承计算.
根据载荷的大小,方向和类型及转速来选择合适的轴承尺寸,根据工作中载荷的类型,需要分为两部分来对轴承进行计算:
∙动态轴承载荷
动态载荷下,轴承将产生转动,可以根据不同材料的接触疲劳寿命来进行选择。
∙静态轴承载荷
如果轴承受到静态载荷、非常缓慢的旋转或者震动移动,可以根据额定静载荷来进行选择。
基本轴承寿命
滚动轴承的寿命是滚动体或内外圈出现疲劳点蚀前能达到的总转数或一定转速下工作的小时数。
实践证明不同的轴承在相同工作条件下的寿命也各不相同,为了表示轴承的使用寿命,通常使用基本寿命来衡量。
基本额定寿命是在相同的工作条件下,其中90%以上的轴承在疲劳点蚀前能达到的总转速或一定转速下工作的小时数。
基本寿命由下面的公式得到:
其中:
C...基本额定动载荷[N,lb]
P...当量动载荷[N,lb]
n...工作转速[1/min]
p...寿命指数(p=3球轴承,p=10/3滚子轴承)
基本额定动载荷:
基本额定寿命为百万转时,轴承所能承受的最大载荷。
各轴承的基本额定动载荷的值已经在产品目录中列出。
当量动载荷:
当作用在轴承上的实际载荷是径向载荷与轴向载荷联合作用,与上述规定条件不同时,需要将实际载荷转换成与上述条件相同的假象载荷,即当量动载荷。
当量动载荷与实际载荷的关系为:
where:
Fr ...轴承径向载荷[N,lb]
Fa ...轴承轴向载荷[N,lb]
X...径向动载荷系数
Y...轴向动载荷系数
系数X、Y的取值根据轴承类型,设计及尺寸来确定,对于某些型号,还需要考虑实际载荷的方向和大小,这些值已经在各轴承的目录中给出。
提示:
寿命的参考值请查看段[1.3]。
调整轴承寿命
基本额定寿命只考虑了工作载荷,而没有考虑其他比如工作条件,产品质量和轴承材料等影响。
为了提高设计的质量和可靠性,需要对轴承的寿命进行更精确的计算,ISO标准中使用修正方程来进行计算:
其中:
a1 ...寿命修正系数(见下表)
a2 ...材料及加工修正系数
a3 ...工作条件修正系数
a1的取值
可靠度[%]
90
95
96
97
98
99
a1
1.00
0.62
0.53
0.44
0.33
0.21
此系数a2 和a3互相关联,通常使用公共值a23。
该系数首先取决于润滑质量,并与图中ISO281所推荐的不同类型轴承的参数有关。
径向滚子轴承的a23 取值
其中:
κ ...粘度比(工作粘度与额定粘度的比值 κ=ν/ν1 -见轴承的润滑部分)
η ...润滑剂污染水平系数(见段[3.10])
P....当量动载荷
PU ...疲劳载荷极限(在各轴承的目录中给出)
如果制造商没有给出轴承的疲劳载荷界限,您可以使用以下的理论关系进行计算:
...用于球轴承
...用于自调心球轴承
...用于其他轴承
轴承载荷
外部系统作用在轴承上的载荷根据计算,在轴承的轴向和径向进行合理布置。
滚动体与轨道的接触点的连线与轴承轴心线的交点(见例图)为作用力的中心。
机器工作过程中经常产生附加动载荷,并且无法准确计算或测量。
它们的影响用轴向载荷和径向载荷的计算值乘以不同的经验系数。
对于齿轮转动装置,这些系数与齿轮啮合精确度有关;对于带传动,与带类型及预紧有关。
这些值通常可以在制造商提供的产品目录中得到,一般常用值见段[1.15]。
变动载荷
上述轴承寿命计算是基于假设轴承工作在恒定不变工作条件下的,实际上,大部分时候该假设都不成立。
实际应用中,载荷的大小及方向、速度、温度,润滑条件或污染水平都在不断地变化,很难直接计算出轴承寿命。
因此需要将总的工作循环根据不同的工作条件区分成很多时间段。
对于不同时期需要分别计算轴承寿命,总的轴承寿命用以下关系得到:
其中:
Lmhi ...不变工作条件时间段内部分轴承寿命[h]
ti .......总的工作循环中各区段的时间[%]
为了快速地进行轴承设计,有些制造商使用一些简便的方法来计算不同载荷类型下的轴承类型,在这种情况下,所有外部变动载荷都用一个与其作用效果相同的平均固定载荷来等效,通常使用以下表中的方法:
计算轴承平均载荷Fm
匀线性变速变动载荷
匀速正弦变动载荷
匀速旋转载荷
匀速变动载荷
变速变动载荷
其中平均速度:
摆动运动
摆动运动用等同于震荡运动频率的虚拟旋转速度代替:
其中:
Fi ...区段不变载荷[N,lb]
ni ...区段内匀速速度[1/min]
ti ...总的工作循环中各区段的时间[%]
p...寿命指数(p=3球轴承,p=10/3滚子轴承)
备注:
这些简单计算方法能够用于方向不变的变动载荷下轴承基本寿命计算,不能用于大小和方向都不断变化的调整寿命计算。
温度对轴承载荷的影响
通常滚动轴承工作的最高温度不能超过120°C(密封的轴承为100°C)。
如果轴承长期工作在更高的温度下,需要对其进行修正使得其在工作时尺寸不发生变化。
一般需要经过热处理,采用更大的间隙和特殊设计的保持架,或者使用特殊材料。
在使用稳固轴承时,建议您联系制造商获得更多技术参数,以下表中数据仅供参考。
同样尺寸常用轴承与稳固轴承的近似载荷等级比较
极限温度
150
200
250
300
350
附加符号
S0
S1
S2
S3
S4
载荷等级[%]
90-100
75-90
60-75
50-60
45-50
轴承静态安全系数
轴承的静载荷是指静止状态、非常低速或低摆动下所受载荷。
轴承的载荷等级根据滚动体与轨道之间的允许变形确定。
安全系数s0表示滚动轴承静态下的标准安全系数,用以下公式计算:
其中
C0 ...基本静载荷[N,lb]
P0 ...当量静载荷[N,lb]
基本静载荷等级:
大部分滚动体在其接触点处产生0.0001的固定变形时的外部载荷,这些变形对于轴承使用不会产生任何影响,其数据可以查看各轴承相应的技术目录。
当量静载荷等级 :
根据径向载荷(对于径向轴承)和轴向载荷(对于轴向轴承)进行定义,其对轴承的变形作用效果与实际载荷相同,等效载荷用以下关系确定:
其中:
Fr ...实际载荷的径向分力[N,lb]
Fa ...实际载荷的轴向分力[N,lb]
X0 ...径向静态载荷系数
Y0 ...轴向静态载荷系数
系数X0,Y0 的值根据轴承的类型,设计及尺寸决定,在各轴承的技术目录中给出。
提示:
安全系数的建议值见段[1.14]。
轴承的摩擦升温.
滚动轴承的摩擦扭矩取决于很多系数(轴承设计,润滑方式,速度等),以此很难准确计算。
通常使用包含估计摩擦系数的简单模型来计算,在正常工作条件、良好润滑下,近似摩擦扭矩可以根据平均转速用以下公式进行计算:
其中:
P...当量动载荷[N]
d...轴承孔的直径[mm]
f...摩擦系数(根据轴承类型的不同,f=<0.0010...0.0050>)
对于密封轴承,其密封处的摩擦扭矩必须附加到摩擦扭矩的计算值中,最终结果可以用于计算等同于支座发热量的功率损耗:
其中:
n...轴承转速[1/min]
角接触轴承计算
如果轴上安装了两个单行角接触球轴承或者两个圆锥滚子轴承,轴承上的径向载荷将产生一个轴向合力。
该力将队轴承载荷等级产生影响因此必须包含在计算中。
轴向载荷的大小根据接触角和轴承成对布置方式有关,取决于轴向载荷FrA、FrB及外加轴向载荷Ka。
该计算需要将两个支座看成整体且两个轴承必须同时进行设计。
工作条件
轴承设计最小载荷等级
高速将导致滚动体由于离心力在内外圈某个滚到中产生滑动,可能导致轴承磨损并降低使用寿命。
轴承在工作中必须承受某最小载荷以保证正确滚动,其大小和尺寸根据工作条件及轴承的类型、设计及尺寸。
通常可以在产品技术目录中找到相关信息。
工作温度
摩擦产生的热量必须被释放以达到热平衡,工作温度取决于很多系数,计算器来为非线性方程,非常复杂。
下面的关系用于快速确定:
其中:
t0 .....环境温度[°C]
NR ....功率损耗[W]
WS ...冷却系数[W/°C]
冷却系数是温度降低1°C释放到周围空气中的热量大小,机器结构中的轴承的该系数可以使用以下关系进行估计:
其中:
D...轴承外径[mm]
v...风速[m/s] (v~1-2室内,v~2-4露天)
极限转速
滚动轴承的转速不能无限制地增加,离心力将增大载荷,使其不能正常工作而产生震动,并且摩擦将导致温升。
极限转速取决于以下因素:
轴承的类型设计及尺寸,精确度,保持架设计,内部间隙,安装条件,润滑剂最高许可温度。
滚动轴承的许用转速的极限通常无法精确获得,制造商一般会提供各轴承许用转速的参考值,这些值都是基于正常工作条件下的经验数据,给定的极限转速在大部分情况下可以超过,请联系厂商获得技术支持。
对于极限转速,很多厂商在其技术资料中称之为热参考转速。
参考转速是轴承在预定条件下的极限转速,用于确定在给定条件下极限转速的初始值。
其中
nr ...参考速度[1/min]
fp ...给定载荷下特定轴承的调整系数
fv ...选定润滑条件下的调整系数
调整系数的确定方法请查看各制造商的技术目录或ISO15312。
表中的参考速度默认使用以下工作条件:
∙轴承温度70 °C
∙环境温度20 °C
∙载荷P=0.05*C0
∙润滑剂运动粘度
ν =12 [mm2/s]...径向载荷油润滑
ν =24 [mm2/s]...推力轴承油润滑
ν40 =100-200 [mm2/s]...脂润滑
滚动轴承的润滑
轴承的润滑用来在滚动体与轨道之间产生润滑剂薄膜,此外还能够防止腐蚀,加强密封性能,使轴承的滑动部分润滑并冷却。
滚动轴承可以使用塑性或液体润滑剂,在选用时,首先考虑转速、工作温度,轴上位置,支座和经济性等因数,如果工作条件允许,最好使用脂润滑。
脂润滑
脂润滑容易维护保养,有一定的防止水、气、灰尘等杂质侵入轴承内部的能力。
轴承座结构简单,适用于较高载荷。
润滑脂必须具有良好的润滑能力及高的化学、热及机械稳定性。
市场上用于滚动轴承的润滑脂种类很多,实际上,更多的厂家使用其专用润滑脂。
油脂
型号
MIL代号
粘度 [cSt]
温度 [°F]
100 °F
210 °F
Beacon325
-
13.2
3.3
-65...250
MinapureGrease
MIL-G-81937
12.5
3.3
-65...250
AndokC
-
110
8.5
-20...250
NYOGEL7810
-
52
16
-100...450
VersilubeG300
-
50
16
-65...350
Aeroshell7
MIL-G-23827
14.7
3.1
-100...300
Mobil28
MIL-G-81322
30
5.7
-65...300
Braycote601EF
-
150
45
-112...400
Krytox240AC
MIL-G-27617
260
26
-30...550
润滑脂在运动过程中会泄漏及属性降低,因此,每隔一段时间就必须进行润滑脂重填。
重填时间间隔根据轴承的类型、尺寸及工作条件。
推荐的重填时间请查看厂商的技术目录。
油润滑
油润滑通常用于以下情况:
∙轴承转速过高使得润滑脂重填间隔太短;
∙工作温度高于润滑脂的许用温度;
∙相邻部件采用油润滑;
∙必须使用循环油润滑来冷却轴承;
∙球面滚子轴承的润滑。
根据工作条件及轴承座设计,滚动轴承的油润滑有很多方式,包括油浴、循环油润滑、喷射润滑和油气润滑等。
同样使用矿物油。
运动粘度是其决定性因素,并随着温度升高而降低。
实践经验证明在工作条件下运动粘度不能低于12mm2/s。
根据轴承的中径和转速得到的额定粘度用于选择合适的润滑油的运动粘度。
额定粘度 ⎨1
滚动轴承的润滑的定性规格使用粘度比:
其中:
υ ....工作温度下润滑剂粘度[mm2/s]
⎨1 ...额定粘度[mm2/s]
如果粘度比 κ<1,建议您使用有EP添加剂的高压油,当κ=3..4时具有更高的疲劳寿命。
参考温度40 °C(~100 °F)时矿物油粘度⎨40
提示:
段[4.1]中的辅助计算可以用于快速确定润滑剂的粘度。
产品精度和滚动轴承配对
尺寸及运动精度
Accuracyofrollingbearingsisunderstoodasaccuracyoftheirdimensions,shapeandrun(radialandaxialrun-outoftherings).轴承的精度包括其尺寸精度、外形精度及运动精度(内外圈轴向及径向偏移),一般情况下,轴承使用普通精度,并不在代号中表示。
轴承的精度采用国际标准,不同精度等级的代号见下面的表:
标准
精度等级
GB
G
E
D
C
B
ISO
Normal
Class6
Class5
Class4
Class2
ANSI
ABEC-1
ABEC-3
ABEC-5
ABEC-7
ABEC-9
DIN
P0
P6
P5
P4
P2
JIS
0
6
5
4
2
详细信息请查看各轴承的技术目录。
轴承游隙
轴承游隙是某个圈从某个极限位置到另一个之间的自由位移。
轴承的正确运动受到径向游隙影响。
轴承的常用游隙C0在代号中不标注,其余的游隙根据不同的工作条件进行选择。
详细的信息可以查看轴承的技术目录。
滚动轴承配对
轴和壳体上的轴承配对选择对滚动轴承寿命具有重要影响,以下是用于选择合适的公差的关键条件:
∙载荷大小及方向;
∙支座部分的膨胀;
∙轴承的热条件;
∙轴承的安装、拆卸的精度要求;
∙工件的材料及硬度;
公差的推荐值可以在下面的表格中找到,不同类型及尺寸轴承的精确数据请查看各自的技术目录。
用于径向轴承的轴的尺寸公差
工作条件
轴承公差
球
圆柱和圆锥滚子
球面和环状滚子
静止内圈载荷
轻微冲击
g6
强大冲击
h6
旋转内圈载荷或载荷方向不确定
轻微冲击(P<0.07*C)
j6,k6
j6,k6
中等冲击(P>0.07*C)
j5,k5,k6,m5,m6,n6
k5,k6,m5,m6,n6,p6
k5,k6,m5,m6,n6,p6,r6,r7
强大冲击(P>0.15*C)
n6,r6,p6
n6,r6,p6
高装配精度,轻载荷
h5,j5,k5
j5,k5
只受轴向载荷
j6,js6
j6,js6
用于径向轴承的孔的公差等级
工作条件
公差
旋转外圈载荷
强大冲击(P>0.15*C)
P7
中等冲击(P>0.07*C)
N7
轻微冲击(P<0.07*C)
M7
载荷方向不定
强大冲击
M7
中等冲击(P>0.07*C)
K7
轻微冲击(P<0.07*C)
J7
精确安静运转
球轴承
J6
其他轴承
JS5,K5,K6
固定外圈载荷
全部载荷(P<0.15*C)
H7,H8
通过轴进行热传导
G7
用于轴向轴承的轴与孔的尺寸公差
轴承类型
公差
轴
壳
推力球轴承,圆柱滚子推力轴承
j6,h6,h8
H7,H8,H10
球面滚子推力轴承
j6,js6,k6,m6,n6
H7,K7,M7
计算过程
滚动轴承的选择、计算和校核包括以下步骤:
1.设置计算单位(SI/英制)[1.1];
2.从列表[1.2]中选择轴承类型,您可以参考比较文档“ 滚动轴承选择”;
3.从列表[1.4]中选择轴承制造厂商;
4.如果轴承的类型是特殊设计,从列表[1.5,1.6]中选择合适的设计;
5.在段[1.7]中输入轴承的载荷参数,如果轴承受到变动载荷,使用辅助计算[5]确定平均载荷;
6.如果轴承在工作中收到附加动载荷,在段[1.15]中定义各系数;
7.输入轴承的设计寿命[1.13]和静态安全系数[1.14];
8.点击行[2.1]中的“查找第一个”按钮自动搜索合适的轴承,如果结果不合适,可以选择下一个结果[1.2]或者对轴承重新进行设计[1.3]并重复以上步骤;
警告:
对于轴支座上成对使用的圆锥滚子轴承或角接触球轴承,请使用章节[6]中的特殊计算进行轴承选择。
9.校核段[2]中设计轴承的参数,如果必要的话,对段[3]中给定工作条件下轴承的调整寿命进行附加计算,如果结果超过推荐值或者不符合需要,点击“查找下一个”查找另一个轴承,或者手动从列表[2.1]中进行选择;
10.以新的文件名保存当前设计方案。
轴承类型及载荷选择[1]
本段中对设计轴承的类型及外形进行选择,定义载荷并输入轴承的其他物理参数。
1.1计算单位
从列表中选择使用的计算单位,输入的数据将自动进行转换。
警告:
如果选择的单位不同于轴承厂商技术资料中的单位,表格中的参数将在重新计算时进行调整。
1.2轴承类型
从列表中选择设计轴承类型,滚动轴承基本类型的比较可以查看文档“滚动轴承选择”。
警告:
对于轴支座上使用成对单行角接触球轴承或成对圆锥滚子轴承,使用段[6]中的辅助计算进行选择和校核。
1.3轴承设计
从列表[1.4]中选择轴承的制造商,为了便于选择,列表中包括各制造商产品的内径尺寸范围。
在各种类型的范围以内,滚动轴承在基本设计的基础上就某些属性进行调整。
如果制造商在选定的类型[1.2]中有各种不同的设计型号,可以在行[1.5..1.6]中的列表中分别进行选择,从这些列表中选择轴承设计。
提示:
不同厂家相同尺寸轴承的互换性请查看帮助文件下面的比较表。
1.7轴承载荷
本段中输入轴承外加载荷的径向分力和轴向分力,及其在不变工作条件下的转速。
提示:
如果实际载荷是变动的,使用段[5]中的辅助计算得到平均不变载荷,详细的关于轴承在变动载荷下如何计算的问题请查看帮助的理论部分。
1.12轴承所需参数
本段中输入设计轴承所需的物理属性,如果轴承收到动态载荷,其寿命将会缩短,因此在进行静态计算时必须考虑其安全系数。
1.13轴承寿命
输入轴承的设计寿命。
滚动轴承寿命的参考值
轴承类型[小时]
机器类型
300-3000
家用机械,农业机械,医疗仪器设备
3000-8000
间断使用的机器:
电力手动工具,车间吊装滑车,建筑机械设备
8000-12000
要求高可靠性的间断使用的机器:
电梯,货物起重机等
10000-25000
每日工作8小时但经常不满载使用的机器:
一般齿轮装置,工业电动机,压碎机
20000-30000
每日工作8小时且满载使用的机器:
机床,木材加工机械,工程机械,印刷机械等
40000-50000
连续24小时工作的机械:
滚动磨齿机,中型电动机,压缩机,纺织机械等
30000-100000
风力发电机:
包括主轴,齿轮箱,发电机轴承
60000-100000
水下工作机械,转炉,电缆机械,远洋轮推进机,
>100000
大型电力机械,发电厂,矿山泵,矿山送风机,远洋船的驱动轴轴承
对于轮式车辆,其寿命通常用工作的百万公里数来表示:
轴承寿命[106 km]
车辆类型
0.1-0.3
公路车辆
0.8
轨道车辆-货车
1.5
轨道车辆-地铁,有轨电车
3
轨道车辆-客车
3-5
轨道车辆-柴油或电力机车
使用以下关系式进行重新计算:
其中:
n...转速[1/min]
D...轮的直径[m]
1.14静态安全系数
输入轴承静载荷下设计安全系数。
静态安全系数的最小许用值
工作条件
球轴承
其他轴承
对平稳工作要求低的旋转运动
无振动的平稳运转
0.5
1
正常工作条件
0.5
1
明显冲击载荷
1.5
2.5
对平稳工作要求一般的旋转运动
无振动的平
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- 滚动轴承