轴承机械设计的研究.docx

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轴承机械设计的研究

轴承机械设计的研究

13级材控2班洪广孝1306032005

摘要

轴承是在机械传动过程中起固定和减小载荷摩擦系数的部件。

它的主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数。

按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

轴承是装备制造业中重要的、关键的基础零部件，直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性，被誉为装备制造的“心脏”部件。

关键字：

机械传动轴承发展背景轴承寿命基本核定动载荷

第一章绪论

1.1轴承的发展背景

轴承是当代机械设备中一种举足轻重的零部件，它的主要功能是支承旋转轴或其它运动体，引导转动或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。

按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

本文主要阐述与滚轴承有关的内容，并约定简称为“轴承”。

自1880年英国率先生产轴承至今，世界轴承工业已经走过了漫长的122年（1880年--2002年）的历程。

随着人类文明的不断进化和科学技术的高速发展，世界轴承工业从弱小起步，艰难创业，激烈竞争，曲折发展，由昔日少数几家小厂发展到现今遍布全球、年销量额达300亿美元的规模，取得了惊人的成就。

可以毫不愧色地说，世界轴承工业在不断自我完善和壮大中，为世界的工业、农业、国防和科学技术的发展以及为人类生产的改善和提高都做出了巨大的贡献。

传统的轴承设计以其应用的理论和方法而言，多采用静力学和拟静力学设计方法。

近五十年来，轴承设计理论有很大发展，先后提出和应用了有限差分法、有限元法、动力学及拟动力学、弹性流体动力润滑理论，有力地促进了轴承产品设计和应用技术的研究与发展。

与此相适应，电子计算机辅助设计（CAD）已在各国轴承设计计算中广泛应用，从而把轴承设计计算推向了一个新阶段。

1.2轴承工业的形成与发展

总体上讲，世界轴承工业的形成与发展大致经历了三个阶段：

第一阶段，即世界轴承工业的初创阶段，时间是十九世纪末期至二十世纪初期。

当时，轴承发明、应用虽然已有一段时间，而轴承的工业化生产则从无到有，刚刚起步，相当幼稚。

主要特点是：

1、生产规模极小，一个大厂也只有十几人到几百人，日产量不过几套到几百套，属于手工作坊式生产；2、设备简陋，技术落后，多是凭经验生产；3、材料以碳钢为主，精度不高，价格却昂贵；4、品种极少，用途十分有限。

当时轴承生产技术只掌握在英国、德国、瑞典、美国等少数企业手中。

第二阶段，即世界轴承工业的成长阶段，时间大约是在第一次世界大战结束至第二次世界大战以后。

两次世界大战刺激了军事工业的发展，轴承在军事工业中的地位日益提高，加之科学技术飞速发展，一战后的短暂稳定和二战中的军火急需，促使世界轴承工业迅速发展。

主要特点是：

1、生产规模急剧扩大，产量迅速提高，主要轴承生产国家年产量超过3500万套；2、生产设备完善，技术手段先进，普遍采用了机群式批量生产；3、轴承材料发展到以铬钢等合金钢为主，产品质量大为提高；4、轴承品种增加，广泛用于汽车、飞机、坦克、装甲车、机床、仪器、仪表、缝纫机等众多领域。

在这时期，人们对轴承的认识和重视升华到了空前的高度。

第三阶段，即世界轴承工业的发展阶段，时间是二十世纪五十年代至今。

经过二次世界大战以后，人们迎来了和平时代，国际经济复苏繁荣，使人类开创了和平发展的新纪元。

伴随航空航天、核能工业、电子计算机、光电磁仪器、精密机械等高新技术的飞速发展，体现当代科学技术水平的世界轴承工业进入一个全面革新制造技术，迅速发展品种，轴承精度、性能、寿命日益成熟完善的历史新时期。

这个时期的特点是：

1、轴承企业规模超级化、集团化，形成了超千逾万人的大型企业集团和跨国公司2、轴承产量猛增。

3、轴承品种繁多，用途日益广泛。

既有传统的单列、双列、多列球轴承，圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承等，又有万向节轴承、超薄壁轴承、空气轴承，各种在高速、高温、低温、防磁、耐腐蚀等特殊工况下使用的专用轴承等等；4、设备先进，自动化程度高，测试手段完善，工序间电脑管理，少人无人操作，技术水平高，生产效率高。

5、轴承材料高级化、复合化、多样化，因而轴承质量有较大提高。

轴承材料不仅包括高碳铬钢、渗碳钢、不锈钢、耐热钢、工具钢等金属材料，而且还有陶瓷、塑料、石墨和碳纤维等非金属材；6、轴承国际贸易空前发展。

可以说世界轴承工业促使所有使用轴承的工业、行业，领域发展繁荣起来，对于整个世界经济和人类社会进步做出了巨大贡献。

1.3轴承的分类

按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类,1．按滚动轴承结构类型分类

（1）轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角的不同，分为：

1）向心轴承----主要用于承受径向载荷的滚动轴承，其公称接触角从0到45。

（2）轴承按其滚动体的种类，分为：

　1）球轴承----滚动体为球：

2）滚子轴承----滚动体为滚子。

等.....

调心球轴承滚针轴承双列圆锥滚子轴承调心滚子轴承

第二章轴承的简介

2.1轴承的介绍

中国是世界上较早发明滚动轴承的国家之一，在中国古籍中，关于车轴轴承的构造早有记载。

从考古文物与资料中看，中国最古老的具有现代滚动轴承结构雏形的轴承，出现于公元前221～207年（秦朝）的今山西省永济县薛家崖村。

新中国成立后，特别是上世纪七十年代以来，在改革开放的强大推动下，轴承工业进入了一个崭新的高质快速发展时期。

在十七世纪末，英国的C.瓦洛设计制造球轴承，并装在邮车上试用以及英国的P.沃思取得球轴承的专利。

十八世纪末德国的H.R.赫兹发表关于球轴承接触应力的论文。

在赫兹成就的基础上，德国的R.施特里贝克、瑞典的A.帕姆格伦等人进行了大量的试验，对发展滚动轴承的设计理论和疲劳寿命计算作出了贡献。

2.2轴承的行业

轴承是各类机械装备的重要基础零部件，它的精度、性能、寿命和可靠性对主机的精度、性能、寿命和可靠性起着决定性的作用。

在机械产品中，轴承属于高精度产品，不仅需要数学、物理等诸多学科理论的综合支持，而且需要材料科学、热处理技术、精密加工和测量技术、数控技术和有效的数值方法及功能强大的计算机技术等诸多学科为之服务，因此轴承又是一个代表国家科技实力的产品。

第三章轴承的质量检测标准

3.1国家标准振动加速度国家标准

该标准制定比较早，以测量轴承旋转时的振动加速度值，来判定轴承的质量等级，分为Z1、Z2、Z3由低到高三个质量等级。

目前国内轴承制造厂家仍然在使用，以振动加速度值来衡量轴承的优劣，仅仅简单地反映了轴承的疲劳寿命。

3.2振动速度标准

由于原振动加速度标准还没有废除，所以该标准是以机械工业部颁标准出现的，是参考欧洲标准结合我国实际情况和需要制定的，以检测轴承振动速度来划分轴承的质量等级（等同于国家标准）。

分为V、V1、V2、V3、V4五个质量等级。

各种球轴承质量等级从低到高为V、V1、V2、V3、V4；辊子轴承（圆柱、圆锥）质量等级从低到高为V、V1、V2、V3四个质量等级。

第四章轴承的寿命

4.1滚动轴承的基本核定动载荷

滚动轴承的额定寿命与所受载荷大小有关。

载荷大，寿命就短，反之寿命越长。

当轴承的基本额定寿命为100000转时，轴承所能承受的载荷值称轴承的额定动载荷，用C表示。

4.2滚动轴承的寿命计算公式

滚动轴承承载荷与额定寿命之间的关系反应出的是疲劳曲线的性质，如图1所示

图1载荷与寿命的关系曲线

载荷与寿命的关系曲线方程为：

=常数

3----球轴承

ε——寿命指数

10/3----滚子轴承

根据定义：

P=C，轴承所能承受的载荷为基本额定功载荷时

，

∴

∴

（10^6）r

按小时计的轴承寿命：

（h）

考虑当工作t>120℃时，因金属组织硬度和润滑条件等的变化，轴承的基本额定动载荷C有所下降，∴引入温度系数ft——下表——对C修正

表2

（10^6）r

（h）

当P、n已知，预期寿命为Lh′，则要求选取的轴承的额定动载荷C为

N——选轴承型号和尺寸！

4.3滚动轴承的当量动载荷P

定义：

将实际载荷转换为作用效果相当并与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的假想载荷，该假想载荷称为当量动载荷P，在当量动载荷P作用下的轴承寿命与实际联合载荷作用下的轴承寿命相同。

1．对只能承受径向载荷R的轴承（N、滚针轴承）P=Fr

2．对只能承受轴向载荷A的轴承（推力球和推力滚子）P=Fa

3．同时受径向载荷R和轴向载荷A的轴承P=XFr+YFa

考虑冲击、振动等动载荷的影响，使轴承寿命降低，引入载荷系数fp—见下表。

载荷系数fp

表3

4.4角接触球轴承和圆锥滚子轴承的轴向载荷Fa的计算。

该类轴承受Fr→产生派生轴向力S（如下表），∴要成对使用，对称安装

表4

1）派生轴向力大小方向：

a）正装（面对面），支点跨距小，适合于传动零件位于两支承之间；b）反装（背靠背），实际跨距变大，适合于传动零件处于外伸端

图5角接触球轴承轴向载荷的分析

2）实际轴向载荷A的确定

（1）当

时，

轴有向右移动的趋势，使轴承2被“压紧”，轴承1被“放松”，压紧的轴承2外圈通过滚动体将对内圈和轴产生一个阻止其左移的平衡力S2′，使

∴轴承2的实际轴向载荷为

轴承1上的轴向力，由力的平衡条件

——本身的派生轴向力

（2）当

时，如图7所示

轴有左移的趋势，轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”，“1”上产生一个平衡力S1′，使

图6内部轴向力计算

∴轴承1实际所受的轴向力为

轴承2实际所受的轴向力，由力的平衡条件

——本身派生轴向力

最终：

——使轴上的轴向载荷处于平衡，而非

第五章结论

5.1结论

实际轴向力Fa的计算方法

1）分析轴上派生轴向力和外加轴向载荷，判定被“压紧”和“放松”的轴承。

2）“压紧”端轴承的轴向力等于除本身派生轴向力外，轴上其他所有轴向力代数和。

3）“放松”端轴承的轴向力等于本身的派生轴向力或Fa=max{本身派生轴向力，除派生轴向力外轴上其他轴向载荷代数和（方向与自身派生轴向力相反为+）}

总结

通过对轴承方面的论述，我懂得了轴承在机械方面的广泛应用，轴承是一个支撑轴的零件，它可以引导轴的旋转，也可以承受轴上空转的零件，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承，一般来说的轴承指的是滚动轴承。

滚动轴承的应用将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。

轴承的应用与不断更新研发，使得机械发展越来越不断完善，也将会推动社会不但地向前发展。

[参考文献]

[1]周尊秋、邓爱民、李万《现代工程机械》

[2]张金《工程机械发展的思想》

[3]张世昌《先进制造技术》

[4]刘跃南《机械工程学》

[5]万长森《滚动轴承的分析方法》

[6]贾群义《滚动轴承的设计原理与应用技术》

[7]于群《最新轴承设计与技术规范、故障诊断实务全书》