滚动轴承的自动计算程序设计资料.docx

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滚动轴承的自动计算程序设计资料

摘要

本文对CAD在机械设计中的应用、机械CAD程序编制的特点及方法、面向对象的CAD程序编制原理等进行了分析和研究。

运用VisualFoxPro6.0数据库管理系统对各种型号的滚动轴承进行数据收集、整理和分析，建立数据库。

以模块化设计思想为指导,将VB这个可视化的、面向对象的编程语言作为开发工具,开发了用户界面友好的滚动轴承自动设计系统,提高了设计质量,实现了计算机自动查询相关数据并自动利用公式计算,替代传统的手工计算,提高了设计效率。

关键词：

计算机辅助设计；数据库；VB语言

ABSTRACT

Inthispaper,analysedtheapplicationofCADinmechanicaldesign,mechanicalcharacteristicsandmethodsofCADprogramming,object-orientedCADprogrammingprinciple.RollingbearingsofvarioustypesusingVisualFoxPro6databasemanagementsystemfordatacollection,collationandanalysis,toestablishadatabase.Basedonthemodularidea,willVBthisvisualization,object-orientedprogramminglanguageasadevelopmenttool,developedafriendlyuserinterfaceoftherollingbearingautomaticdesignsystem,improvethequalityofdesign,hasrealizedthecomputerautomaticsearchoftherelevantdataandautomaticallyusingaformula,toreplacethetraditionalmanualcalculation,improvetheefficiencyofdesign.

Keywords:

ComputerAidedDesign;Database;VisualBasiclanguage

第1章绪论

计算机辅助设计技术是当今设计技术的热门话题之一,它不仅可以从根本上改变传统的产品设计、开发和生产过程,突破时间、地域和环境的限制,从而实现设计自动化,提高产品质量,缩短产品研发周期,增强企业机械产品在时间上的竞争能力,加速国民经济发展和国防现代化的一项关键性高技术,也是进一步向计算机集成制造（CIM）发展的重要技术基础

。

计算机辅助设计技术是人工智能技术中应用最为广泛的分支之一。

计算机辅助设计所具有的不仅仅是数值知识,而且其中包括大量人类专家的经验知识的处理能力,使计算机在工业中的应用得到迅速发展。

机械自动设计系统是特定领域的一套计算机程序,具有类似机械学领域专家在工作中利用知识进行推理来解决问题的功能。

它一般用以求解那些需要人类专家才能求解的高难度问题。

可以证明,富有经验的优秀设计师往往能比只有设计理论的富有才华的设计师设计出更好的产品来。

计算机辅助设计技术可以利用知识库等手段帮助我们实现各领域专家设计经验的归纳和利用,从而大大推进了设计质量和工程的自动程度,提高设计效率

。

针对机械自动设计系统的设计,不仅需要用到自然科学的基础知识,而且需要吸收专门领域专家在设计中积累起来的大量宝贵经验。

一些试验性机械自动设计系统开始在机械工业的一些产品开发中得到成功应用,并首先在系列组合产品设计中产生明显的经济与社会效益。

如负责全国大型水利水电工程项目审查的水力机械专家卜漱和设计的"水泵装置优化选型设计专家系统"获得江苏省科技进步二等奖。

机械自动设计系统为我们保存、使用、传播和评价某一机械方案提供了一条有效的捷径。

机械自动设计系统的产生和发展必然会促进设计自动化技术在机械工程中的应用。

1.1计算机辅助设计系统的发展状况和趋势

计算机辅助设计系统依靠知识库,数据库,专门的系统程序来解决各种设计问题。

计算机辅助设计系统是人工智能领域内出现的很富有实用价值的计算机程序,它主要是处理专家们积累的实际经验和知识,与传统的计算机使用方法不同,计算机辅助设计系统能模拟专家解决问题的过程,首先研究设计要求及各种有关事实和数据,然后应用专业知识进行反复综合与分析,最后得到用户满意的设计方案。

1.1.1国外计算机辅助设计系统的发展状况和趋势

一、国外CAD技术的发展过程与特点

CAD技术的发展,从五十年代开始,经历了酝酿、试验研制、商品化及推广应用4个阶段。

目前CAD技术仍处于迅速发展时期。

1．酝酿阶段（五十年代）

电子计算机的发展,绘图机、图形显示器及光笔的出现,设计计算、绘图与图形显示软件（包括数控加工语言）的开发,为CAD的诞生做好了硬、软件的技术准备。

2.试验研制阶段（六十年代）

1963年美国麻省理工学院开发了交互式图形系统SKETCHPAD，有关专家提出了CAD的概念。

这个阶段，只有几家大公司投入大量资金，以研制只供本公司产品设计使用的实验性系统。

如美国通用汽车公司为汽车车身和外形设计而开发的CAD系统。

3.商品化阶段（七十年代）

由于六十年代小型计算机、图形输入板、磁盘等硬件和图形软件包、数据库系统等软件的发展，出现了许多专门开发CAD系统的公司，推出了许多成套好用的、商品化的CAD系统，生产了许多始于中小企业应用的系统，形成了为多种工业应用服务的新兴的CAD/CAM产业。

4.推广应用阶段（八十年代）

由于更适于CAD要求的廉价的光栅扫描显示器的采用，微型机、超级小型机的出现，带来系统成本的大幅度降价，应用CAD系统的投资效益更加显著，吸引了更多的企业，特别是中、小型企业争相采用，市场的需求量迅速增加，形成了CAD技术持续高速度发展的局面，专管CAD系统及其配套设备的公司已达数百家，几乎每周都有新的CAD软件问世，系统也进一步多样化。

这个阶段的发展特点是大型CAD系统更加完善，同时，出现许多利用小、微机的CAD系统。

由于生产厂家间的竞争，系统的效率有明显提高。

二、国外CAD技术的发展趋势

1.新的先进的CAD系统和装备将不断出现。

2.CAD系统的应用将继续高速度增长无论产品的设计，还是工程设计的的应用的领域都在扩大，从军用到民用，从大型的、尖端的工业直到服装、钟表、鞋帽等行业都在应用CAD技术。

3.CAD系统的软件开发将走向工程化、集成化，有关技术将实现标准化。

1.1.2国内计算机辅助设计系统的发展状况和趋势

我国对CAD技术的开发和应用起步较晚,大体开始于七十年代中、后期。

几年来,广大工程技术、科研、教学人员,在计算机和外围设备条件较差的情况下,克服了许多困难,积极开展了CAD技术的开发和应用工作,在基础技术方面,对交互图形技术、工程数据库、设计计算及优化设计等进行了研究和探讨；在产品设计和工程设计中都在不同程度、不同范围内开展了CAD技术的应用研究和试验,取得了一些可喜的成果

。

但是总的来看,我国CAD技术的开发和应用仍属起步阶段,特别是在以交互图形技术为手段,以CAD数据库为核心的CAD系统的支撑软件的开发上还刚刚开始,相当于先进国家六十年代末或七十年代初的水平,落后10~15年左右。

我国正面临着新的工业革命的挑战,要加速产品的更新换代,提高产品质量,节能节材,增强产品在市场上的竞争力,要提高大量基建投资的经济效益,保证在建成投产后的长期安全经济运行,以及要搞好现有企业的技术改造等,这些在很大程度上要取决于设计技术的革命。

因此,CAD技术的开发和应用是值得密切注意的动向,并要采取相应的对策。

我们在一些领域里,有可能跳过某些传统工业发展阶段,采用先进的科技成果,直接进入以电子计算机、遗传工程、激光、光导纤维等为标志的时代,对此要采取什么样的技术政策,要很好地加以研究。

我们认为,大力发展和推广应用CAD技术是我们当前应该采取的技术政策之一,否则有可能再一次贻误我国工业现代化的良机。

目前计算机辅助设计技术的发展逐渐趋向

标准化、集成化、智能化、网络化。

计算机辅助设计标准体系

是开发应用计算机辅助设计软件的基础,是指导标准化管理部门进行计算机辅助设计技术工作决策的科学依据,也是促进计算机辅助设计技术普及应用的手段。

CAD、CAPP和CAM系统先前都是独立发展起来的,因而有许多对同一物体的表示方式和信息描述的方式不一致,实现CAD、CAPP和CAM集成统一十分困难,因此标准化至关重要。

集成化就是向用户提供一体化的解决方案,集成化的含义是多层次、多角度的。

它可以解释为工程设计领域CAD、CAPP、CAM系统之间的集成,进一步发展成为支持产品开发的全周期的集成化系统,即把计划、构思、设计、仿真、制造、组装、测试以及文档生成等各个环节集成到一个统一的计算机辅助设计系统中,实现资源的共享和信息的集成。

1.2本课题研究的意义

滚动轴承

是常用的标准件，其设计与制造具有特有的特点：

①轴承产品设计与工艺设计复杂，计算工作量极大，易出错，但其数学模型相对统一，设计流程标准化程度高，特别适合于应用计算机辅助设计；②轴承制造为大批量流水式生产，同一种型号的产品一次投产几万套，几十万套，生产中重复环节较多，易于实现计算机辅助管理；③轴承制造过程中，由于生产工序多、工艺流程复杂，且每一种工序都有严格的规定和检验记录，信息交换量大，因此特别需要计算机辅助管理。

开发滚动轴承的CAD/CAM集成系统，对提升企业的生产技术与管理水平，缩短产品开发周期具有积极的促进作用。

现有的计算机辅助设计技术在机械设计中只能处理数值型的工作,包括计算、分析与绘图。

然而机械产品的设计是一种复杂的创造性劳动,包括方案构思与最佳方案选择、结构设计、评价、决策以及参数选择等

。

把计算机辅助设计技术与专家系统（属人工智能的一个分支,它是一个运用计算机智能程序的系统,通过推理判断,模拟专家解决问题的方法和过程来解决设计的问题）结合起来,形成智能化计算机辅助设计系统是计算机辅助设计技术发展的必然趋势。

随着科技的发展,网络技术发展迅速,网络化应用计算机的各部门实现信息共享,协同作业提供了物质基础条件。

我们将计算机辅助设计的信息、编码、标准零部件等统一存储,管理和调用,用户就可通过网络共享其中的数据。

在网络计算机辅助设计技术的发展中,Internet/Web技术将对计算机辅助设计产生深远的影响,有助于提高和改善设计的工作效率与质量。

这对提高生产力,进而使协同工作为可能,进而使得设计人员不受地理位置的限制,就能进行方案讨论和产品设计

。

目前计算机辅助设计技术已经应用于许多行业,如机械、汽车、飞机、船舶、电子、轻工、建筑、化工、纺织及服装等。

而计算机辅助设计技术应用于机械类产品设计的比例最大,机械自动设计系统在整个工程计算机辅助设计中占有十分重要的地位。

综上所述,计算机辅助设计技术近年来取得了长足的进步,但就以机械自动设计系统解决机械零件设计问题还没有完全解决,无论在理论体系研究方面,还是在处理图表数据方面,仍存在着一些未很好解决的难点,所以我们必须对机械自动设计系统进行坚持不懈的研究,使机械自动设计系统在机械工程设计的各个领域发挥越来越重要的作用。

第2章滚动轴承设计的相关参数

为了更好地说明我们自动计算程序设计系统的方法及过程,我们首先介绍一下在进行滚动轴承设计过程中要利用到的相关参数和计算方法。

2.1滚动轴承的基本知识

2.1.1滚动轴承的基本构造和材料

滚动轴承主要由内圈、外圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、保持架组成（如图2.1）。

滚动轴承的内圈固定在轴颈上,外圈装在轴承孔内。

通常是外圈不动、内圈随轴转动,也有内圈不动、外圈回转,比如汽车车轮上的轴承。

也有内外圈同时做相对转动的情况。

滚动体和内外圈的材料一般是具有高的硬度和接触疲劳强度、良好的耐磨性和抗冲击韧性。

一般用含铬的合金钢（如GC15,GCr15SiMn等）制造,热处理后硬度在60-65HRC。

工作表面需经常磨削和抛光。

保持架多用低碳钢冲压而成,也有用铜合金或塑料等软质材料制造的,以减轻滚动体的磨损。

图2.1滚动轴承结构图

2.1.2滚动轴承的结构特性

1.公称接触角

如图2.2所示，轴承外圈与滚动体接触处的公法线与垂直于轴承轴线的平面之间的夹角α，称为滚动轴承的公称接触角（简称接触角）。

角的大小反映了轴承承受轴向载荷的能力。

α越大，轴承承受轴向载荷的能力越大。

2.游隙

轴承中的滚动体与内、外圈滚道之间的间隙，称为轴承的游隙。

游隙分径向游隙和轴向游隙，其定义是：

当轴承的一个套圈固定不动，另一个套圈沿径向或轴向的最大移动量，称为轴承的径向游隙或轴向游隙。

轴承所需游隙的大小是根据轴承与轴承孔之间配合的松紧程度、温差大小、轴的挠曲变形的大小及轴的回转精度要求而选择的。

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。

轴向游隙值可由径向游隙值按一定关系换算得到。

3.角偏位和偏位角

如图2.3所示，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锐角θ称为偏位角。

轴承具备偏位的能力，使轴承能补偿因加工、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，如调心球轴承等，调心功能强，故称调心轴承。

图2.2滚动轴承的公称接触角图2.3角偏位和偏位角

2.2滚动轴承的类型、代号及特点

2.2.1滚动轴承的代号

表2.1滚动轴承代号的组成

前置代号

基本代号

后置代号

轴承分部件代号

五

四

三

二

一

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

其他代号

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

滚动轴承可以概括地分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类（具体见2.2.2）。

为了统一表征各类轴承的特点,便于组织生产和选用,GB/T272--1993规定了轴承代号的表示方法。

滚动轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号组成,用字母和数字等表示。

轴承代号的构成见表2.1。

（1）基本代号

基本代号用来表明轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型

1轴承的内径用基本代号右起第一、二位数字表示。

2轴承的直径系列用基本代号右起第三位数字表示。

3轴承的宽度系列用基本代号右起第四位数字表示。

④轴承类型代号用基本代号右起第五位数字表示。

（2）后置代号

轴承的后置代号是用字母和数字等表示轴承的结构、公差及材料的特殊要求等等。

1内部结构代号是表示同一类型轴承的不同内部结构,用字母紧跟着基本代号表示。

2轴承的公差等级分为2级、4级、5级、6级、6x级和0级,共6个级别,依次有高级到低级,其代号分别为/P2、/P4、/P5、/P6、/P6x和/P0。

3常用的轴承径向游隙系列分为1组、2组、0组、3组、4组、和5组,共6个组别,径向游隙依次由小到大。

（3）前置代号

轴承的前置代号用于表示轴承的分部件,用字母表示。

如用L表示可分离轴承的可分离套圈；K表示轴承的滚动体与保持架组件等等。

2.2.2滚动轴承的类型及特点

一、用来承受径向载荷的轴承

1.深沟球轴承60000

特点:

①点接触,f小,所以允许转速高,但承受冲击载荷的能力差；

②主要承受径向力,能承受一定轴向力；

③结构简单,成本低,适用于刚性较大和转速高的轴；

2.圆柱滚子轴承N0000

特点:

①滚动体与内、外圈线接触,承载能力比60000轴承高1.5-3倍；

②只能承受径向载荷,不能承受轴向载荷；

③内、外围可以分离,便于组装；

二、用来同时承受径向、轴向载荷的轴承

1、角接触球轴承70000

特点：

①可同时承受径向载荷和轴向载荷，也可承受纯轴向载荷；

②适用于刚性较大、跨距不大的轴；

2、圆锥滚子轴承30000

特点:

①内外圈可分离，游隙可调，常成对使用；

②即可承受径向载荷,又可承受轴向载荷；

③适用于刚性较大的轴；

三、用来承受轴向力的轴承

1、推力球轴承51000、52000

2、推力调心滚子轴承29000

特点:

①内、外圈、滚动体可分离；

②一个套圈与轴紧配合,与轴一起转动；一个套圈与轴松配合,不转动；③只承受轴向力,而且允许转速低,否则磨损加剧；

四、具有调心能力的轴承

1、调心球轴承10000

2、调心滚子轴承20000

特点:

①10000点接触,20000线接触;20000承载能力比10000大一倍；

②既能承受径向载荷,不能承受纯轴向载荷,成本高；

表2.2常见轴承的比较

轴承名称

及代号

简化画法

示意画法

应用

深沟球轴承

6000

主要

承受

径向

载荷

推力球轴承

30000

可同时

承受

径向和

轴向

载荷

圆锥滚子轴承

51000

主要

承受

轴向

载荷

2.3滚动轴承类型的选择

选用轴承时,首先是选择轴承类型。

下面归纳出选择轴承类型时应考虑的主要因素。

一、轴承的载荷

根据载荷的大小选择轴承类型时,由于滚子轴承中主要元件是线接触,宜用于承受较大的载荷,承载后的变形也较小。

而球轴承中则主要为点接触,宜用于承受较轻的或中等的载荷,故在载荷较小时,应优先选用球轴承。

根据载荷的方向选择轴承类型时,对于纯轴向载荷,一般选用推力轴承。

较小的纯轴向载荷可选用推力球轴承;较大的纯轴向载荷可选用推力滚子轴承。

对于纯径向载荷,一般选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承。

当轴承在承受径向载荷的同时,还有不大的轴向载荷时,可选用深沟球轴承或角接触球轴承或圆锥滚子轴承;当轴向载荷较大时,可选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承,或选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构,分别承担径向载荷和轴向载荷。

二、轴承的转速

在一般转速下,转速的高低对类型的选择不发生什么影响,只有在转速较高时,才会有比较显著的影响。

轴承样本中列出了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速

值。

这个转速是指载荷不太大,冷却条件正常,且为0级公差轴承时的最大允许转速。

从工作转速对轴承的要求看,可以确定以下几点：

①球轴承与滚子轴承相比较,有较高的极限转速,故在高速时应优先选用球轴承。

②高速时，为降低离心惯性力，宜选用超轻、较轻及轻系列轴承。

当用一个轻系列轴承达不到承载能力要求时，可采用宽系列轴承，或者把两个轻系列轴承并装在一起使用。

重及特重系列轴承只适用低速、重载场合。

③保持架的材料与结构对轴承转速影响极大。

实体保持架比冲压保持架允许高一些的转速,青铜实体保持架允许更高的转速。

④推力轴承的极限转速均很低。

当工作转速高时,若轴向载荷不十分大,可以采用角接触球轴承或深沟球轴承承受纯轴向力。

⑤若工作转速略超过样本中规定的极限转速,可以用提高轴承的公差等级,或者适当地加大轴承的径向游隙,选用循环润滑或油雾润滑,加强对循环油的冷却等措施来改善轴承的高速性能。

三、轴承的调心能力

当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时,或因轴受力而弯曲或倾斜时,会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。

这时,应采用有一定调心性能的调心轴承或带座外球面球轴承。

这类轴承在轴与轴座孔的轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。

四、轴承的安装与拆卸

便于装卸,也是在选择轴承类型时应考虑的一个因素。

在轴承座没有剖面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时,应优先选用内外圈可分离的轴承（如N0000、NA0000、30000等）。

当轴承在长轴上安装时,为了便于装拆,可以选用其内圈孔为1:

12的圆锥孔的轴承。

此外,轴承类型的选择还应考虑轴承装置整体设计的要求,如轴承的配置使用要求,游动要求等等。

2.4滚动轴承的工作情况

一、向心轴承中的载荷分布

在中心轴向力作用下的滚动轴承,可以认为载荷由各滚动体平均分担;但在径向力作用下,情况就不同了。

如图2.4所示，深沟球轴承受径向载荷Fr作用时，内圈沿Fr方向下移一段距离δ，上半圈滚动体不受载，而下半圈滚动体因各接触点处弹性变形量不同，将承受不同的载荷。

显然，处于Fr作用线最下位置的滚动体承载最大，而远离作用线的各滚动体，其承载逐渐减小。

由理论分析知，若滚动体总数为z,受载最大点的作用力为平均值Fr/z的5倍（球轴承）或4.6倍（滚子轴承）。

图2.4向心轴承载荷分布

二、角接触轴承中附加轴向力

角接触轴承受径向载荷

时,会产生附加轴向力

。

图2.5所示轴承下半圈第i个球轴承径向力

。

由于轴承外圈接触点法线与轴承中心平面有接触角α,通过接触点法线对轴承内圈和轴的法向反力

将产生径向分力

和轴向分力

。

各球的轴向分力之和即为轴承的附加轴向力

。

按一半滚动体受力进行分析,得Fs≈1.25Frtanα。

图2.5轴承受载情况

三、失效形式（见表2.4）

在一般机械设备传动系统中,由于滚动轴承的失效而造成整个传动系统的损坏所占的比例很大。

因此,在滚动轴承的设计中如对各种因素考虑不周,就将降低实际的使用寿命。

表2.4滚动轴承失效形式

失效形式

现象

失效原因

点蚀

内、外圈的滚道及滚动体的表面出现多组点蚀

坑。

过载、装配不当（配合过紧、内外圈不正）和润滑不良

磨粒磨损

滚道表面、滚动体与保持架接触部分发生磨损，

引起内部松动

轴承内部有研磨物、润滑不良

粘着磨损

在滚道及滚动体表面上有粘着痕迹

速度太高，润滑不良；不适当的装配；内外圆配合柱面松动

断裂

内外圈上发生轴向、周向裂纹；保持架开裂；

配合太紧；装配不均匀；轴承座畸变；旋转爬行或微动磨损

塑性变形

滚动体或套圈滚道上出现不均匀的塑性变形

凹坑

静载荷或冲击载荷太大

其他

锈蚀、电腐蚀、不正常温升

轴承内有湿气或酸液；有电流连接或简短通过；润滑剂太多、内部游隙不当等。

影响滚动轴承的主要因素为:

载荷情况、润滑情况、装配情况、环境条件及材质或制造精度等。

2.5滚动轴承设计中的相关公式和参数

一、轴承寿命公式

（2.1）

其中n为轴承转速,C为基本额定动载荷,P为当量动载荷,ε（球轴承ε=3,滚子轴承ε=10/3）

二、轴承基本额定动载荷公式

（2.2）

其中P为当量动载荷,n为轴承转速,L´h为预期计算寿命,ε指数同上。

三、当量动载荷P公式

径向轴向同时受载

（2.3）

受纯径向载荷

（2.4）

受纯轴向载荷

（2.5）

其中fp为载荷系数,X为径向动载荷系数,Y为轴向动载荷系数。

四、载荷系数fp（表2.5）

根据机械系统所处的工作环境和载荷情况制定的系数。

表2.5载荷系数

载荷性质

fp

举例

无冲击或轻微冲击

1.0~1.2

电机、汽轮机、通风机、水泵

中等冲击或中等