滾動軸承基本知識入門

第7章

滾動軸承第7章

滾動軸承

教學基本要求1.了解滾動軸承的結構、材料、特點和應用；2.掌握滾動軸承的類型、代號和選擇；3.掌握滾動軸承的失效形式、設計準則及校核計算方法；4.能正確進行滾動軸承的組合設計。

重點與難點

1.滾動軸承的失效形式、設計準則及滾動軸承的選擇；2.角接觸球軸承和圓錐滾子軸承軸向載荷的計算以及滾動軸承基本額定壽命的計算；3.滾動軸承的組合設計。

軸承是支承軸頸的部件，有時也用來支承軸上的回轉零件。根據其工作時接觸面間的摩擦性質，分為滑動軸承和滾動軸承兩大類。本章只討論滾動軸承。

7.1

概述

滾動軸承設計的內容一般為：①根據工作條件合理選用滾動軸承的類型和尺寸，驗算軸承的承載能力；②綜合考慮滾動軸承的定位、裝拆、調整、潤滑和密封等問題，進行軸承的組合結構設計。7.1.1滾動軸承的構造

1-內圈2-外圈3-滾動體4-保持架滾動軸承通常由內圈1、外圈2、滾動體3和保持架4組成。滾動體是滾動軸承中不可缺少的重要元件。內圈與軸頸配合，外圈與軸承座配合。

外圈內圈滾動體保持架7.1.2軸承的材料

軸承內、外圈和滾動體的材料應具有較高的接觸疲勞強度和硬度、良好的耐磨性和沖擊韌性。一般用特殊軸承鋼如GCr15、GCr15SiMn等制造，熱處理后硬度一般不低于60HRC，工作表面要求磨削和拋光。由于一般軸承的這些元件都經過150℃的回火處理，所以通常當軸承的工作溫度不高于120℃時，零件的硬度不會下降。保持架可以是用低碳鋼薄板沖壓結構，也可以是實體式結構。沖壓結構保持架生產率高，價格便宜，但制造精度差，保持架與滾動體之間的間隙較大。實體保持架可以使用銅合金，鋁合金，塑料，樹脂等材料制成，金屬材料實體保持架須經切削加工，價格較高，由于形狀準確，與滾動體配合良好，因而性能較好。7.1.3滾動軸承的優(yōu)缺點及應用

與滑動軸承相比，滾動軸承的主要優(yōu)點是：摩擦力矩和發(fā)熱較小，在通常的速度范圍內，摩擦力矩很少隨速度而改變；啟動轉矩比滑動軸承?。幌臐櫥瑒┥?，便于密封，易于維護；大大地減少了有色金屬的消耗；軸承單位寬度的承載能力較大；標準化程度高，成批生產，成本較低。

滾動軸承的缺點是：接觸應力高，承受沖擊載荷的能力較差，高速重載荷下軸承的壽命較低；徑向尺寸比滑動軸承大；減振性能比滑動軸承差，工作時振動和噪音較大；小批生產特殊的滾動軸承時成本較高。

滾動軸承在海上鉆井平臺上的應用滾動軸承在火車車輪軸中的應用滾動軸承在減速器中的應用7.2

滾動軸承的類型、代號和選擇7.2.1滾動軸承的主要類型、性能與特點

公稱接觸角a公稱接觸角是滾動軸承的一個主要參數，它是指滾動軸承中滾動體與外圈接觸處的法線和垂直于軸承軸心線的平面間的夾角，用α表示。

注意：公稱接觸角越大，滾動軸承承受軸向載荷的能力越大。按軸承所能承受的載荷方向或公稱接觸角a的不同分按滾動體形狀分球軸承和滾子軸承球軸承滾子軸承常用滾動軸承的類型及結構（表7-1）

7.2.2滾動軸承的代號

國標GB/T272—93規(guī)定滾動軸承代號由三部分組成：前置代號基本代號后置代號滾動軸承代號的構成前置代號基本代號后置代號軸承分部件代號五四三二一內部結構代號密封和防塵結構代號保持架及其材料代號特殊軸承材料代號公差等級代號游隙代號多軸承配置代號其他代號類型代號尺寸系列代號內徑系列代號寬度系列代號直徑系列代號1.基本代號表示軸承的基本類型、結構和尺寸，是軸承代號的基礎。包括：1）類型代號用數字或字母表示不同類型的軸承，見下表。

2）尺寸系列代號由兩位數字組成。前一位數字表示寬度系列（向心軸承）或高度系列（推力軸承），后一位數字表示直徑系列。寬度系列或高度系列是指結構、內徑和直徑系列都相同的軸承，在寬度或高度方面的變化系列。

直徑系列的對比圖

向心軸承尺寸系列圖表0窄1正常2寬3特寬4特寬5特寬6特寬7超特輕--17--37------8超輕081828384858689超輕091929394959690特輕001020304050601特輕011121314151612輕021222324252623中03132333----634重04--24--------寬度系列代號直徑系列代號0系列（窄系列）多數可省略，圓錐滾子軸承不能省略。

3）內徑代號基本代號舉例2.前置代號3.后置代號

后置代號:用字母和數字表示——軸承的結構、公差、游隙及材料的特殊要求等1）內部結構代號

C、AC、B——角接觸球軸承的公稱接觸角2）軸承的公差等級

精度高————————————→低

代號/P2、/P4、/P5、/P6、/P6X、/P0

公差等級24566X0—普通級可省略

3）軸承的徑向游隙1組2組0組3組4組5組(徑向游隙由小到大)/C1/C2/C3/C4/C5表示

4）軸承的配置代號a)面對面b)背對背c)串聯

7.2.3滾動軸承的選擇

滾動軸承的選擇內容滾動軸承的選擇包括：軸承類型、尺寸系列、內徑和公差等級等的選擇。類型的選擇是指從具體使用條件出發(fā)，結合軸承本身的特點，經過分析比較，選出比較合適的類型和型號。類型的選擇1.滾動軸承類型的選擇原則1）轉速較高，載荷不大，旋轉精度又有較高要求時，宜用點接觸的單列向心球軸承或向心角接觸球軸承。滾子軸承多用于轉速不太高、載荷較大的場合。2）有沖擊載荷時，宜用滾子軸承。3）徑向和軸向載荷都較大，轉速又高，宜用向心角接觸球軸承；轉速不太高，則可用圓錐滾子軸承；當軸向載荷比徑向載荷大得多時，且轉速不太高，一個支點上可用兩種不同類型的軸承組合，例如推力軸承和向心球軸承組合，以分別承受軸向載荷和徑向載荷。4）當要求支承有較大剛度時，宜用滾子軸承；5）支點跨距大，軸的彎曲變形較大時，可選用調心軸承；6）從價格上考慮，一般來說，球軸承比滾子軸承便宜。直徑系列：選輕系列或中系列寬度系列：正常系列公差等級：選０級優(yōu)先考慮用普通公差等級的軸承2.尺寸系列、內徑的選擇7.3滾動軸承的受力分析、失效形式和計算準則

7.3.1受力分析

1.向心軸承的載荷分布載荷通過軸頸作用于軸承內圈，假設軸承內外圈在載荷的作用下保持原有形狀，在載荷的作用下內圈相對于外圈在載荷作用方向上位移為δ，上半圈的滾動體仍然不受力，下半圈的滾動體與內外圈的接觸點處發(fā)生接觸變形δi。當滾動體在不同位置與座圈接觸時，由于變形量不同，因而接觸載荷也不同。根據力的平衡條件可求出受載最大的滾動體所受的載荷為

軸承工作時，滾動體上一點當進入接觸區(qū)時開始受載荷，應力從零開始逐漸增大到最大值，這個最大值與載荷正比，當接觸區(qū)離開該點后該點受力為零，直到滾動體旋轉到下一次的接觸位置，滾動體上的該點又一次開始受力，但是這一次的接觸位置改變了，載荷不同了，因而最大接觸應力也不同了。滾動體上一點的受力變化情況如上圖所示，固定座圈上一點(中心線以下)處的受力如下圖所示，座圈上的不同點處的最大應力值不同。2.軸承元件上載荷及應力的變化

軸承工作時軸承元件上載荷與應力的變化

滾動體——不穩(wěn)定脈動循環(huán)變應力

固定套圈——穩(wěn)定的脈動循環(huán)變應力

7.3.2滾動軸承的失效形式

1.

疲勞點蝕2.

塑性變形3.

磨損其它還有銹蝕、電腐蝕和由于操作、維護不當而引起的元件破裂等失效形式。4.

膠合滾動軸承工作過程中，滾動體和內、外圈滾道分別受到脈動循環(huán)交變應力的作用。在載荷的反復作用下，首先在表面下一定深度處產生疲勞裂紋，繼而擴展到接觸表面，形成疲勞點蝕，使軸承不能正常工作。通常，疲勞點蝕是滾動軸承的主要失效形式。1．疲勞點蝕疲勞點蝕的形成疲勞點蝕的實例疲勞點蝕的實例當軸承轉速很低或間歇擺動時，一般不會產生疲勞破壞。但在很大的靜載荷或沖擊載荷作用下，會使軸承滾道和滾動體接觸處產生永久變形（滾道表面形成塑性變形凹坑），而使軸承在運轉中產生劇烈振動和噪聲，運轉精度的下降，以至軸承不能正常工作。2．塑性變形塑性變形實例磨粒磨損滾動軸承在密封不可靠以及多塵的運轉條件下工作時，容易發(fā)生磨粒磨損。3.磨損4.膠合通常在滾動體和套圈之間，特別是滾動體和保持架之間有滑動摩擦，如果潤滑不充分，發(fā)熱嚴重時，可能使?jié)L動體回火，甚至產生膠合現象。轉速越高，發(fā)熱越大，發(fā)生膠合的可能性就越高。內、外圈破裂實例7.3.3滾動軸承的計算準則

1）一般，在正常安裝和維護下，轉速較高的軸承主要失效形式是疲勞點蝕，需進行壽命計算。2）高速軸承除要進行壽命計算外，還需使其轉速不得超過極限轉速。3）對于緩慢擺動或低速回轉的軸承，一般是塑性變形失效，需進行靜強度計算。7.4.1滾動軸承的基本額定壽命計算

一些基本概念：

滾動軸承的壽命

滾動軸承的基本額定壽命

滾動軸承的基本額定動載荷

滾動軸承的當量動載荷7.4滾動軸承的校核計算1.基本額定壽命和基本額定動載荷滾動軸承的壽命：軸承中任一元件出現疲勞點蝕前所經歷的總轉數，或在一定轉速下的總工作小時數。軸承壽命相當離散，應與一定的可靠度相聯系。滾動軸承的基本額定壽命：一批型號相同的軸承在相同條件下運轉，有10％的軸承產生疲勞點蝕前的總轉數或在一定轉速下的總工作小時數。即可靠度為90%（失效概率為10%）時軸承的壽命?；绢~定動載荷滾動軸承的基本額定壽命與所受載荷的大小有關，載荷越大，軸承的基本額定壽命越短。實驗條件：對于向心軸承，是一個方向、大小恒定的徑向載荷，稱徑向基本額定動載荷，用Cr表示。標準中規(guī)定：軸承的基本額定壽命為106轉時，軸承所能承受的載荷值，稱為軸承的基本額定動載荷，用C表示。對于推力軸承，是一個恒定的中心軸向載荷，稱軸向基本額定動載荷，用Ca表示。2.滾動軸承基本額定壽命計算實驗表明：對于相同型號的軸承，在不同的載荷P1、P2、P3、……作用下，若軸承的額定壽命為L1、L2、L3、……，則：壽命計算公式的推導當L10=1（106轉）時，其對應的載荷為基本額定動載荷C（N）于是可得：(106)(h)公式修正引入溫度修正系數ft，則可得壽命的修正公式：如P和n已知，該軸承的預期壽命已定，則可得滾動軸承設計公式：(h)3.滾動軸承的當量動載荷P以向心軸承為例，它的額定動載荷Cr值是在受純徑向載荷條件下確定的。折算后的當量動載荷是一個假想載荷，在這個載荷作用下，軸承的壽命與實際載荷作用下的壽命相同，這種折算后的載荷稱為當量動載荷。假設作用在軸承上的實際載荷并非純徑向載荷，還有軸向載荷。為了與基本額定動載荷在相同載荷條件下進行比較，在計算軸承壽命時，應將實際載荷折算成當量動載荷。

當量動載荷P對于向心軸承，是一個方向、大小恒定的徑向載荷，稱徑向當量動載荷，用P表示。對于推力軸承，是一個恒定的中心軸向載荷，稱軸向當量動載荷，用P表示。當量動載荷計算的統一表示常用軸承的X、Y值查取表7-9

上式求得的當量動載荷只是一個理論值。實際上，在許多支承中還會出現一些附加載荷，如沖擊力、慣性力以及軸撓曲或軸承座變形產生的附加力等等，這些因素很難從理論上精確計算。為了計及這些影響，應對當量動載荷乘上一個根據經驗而定的載荷系數

小節(jié)一（校核軸承過程）根據已知軸承從手冊中查取有關數據，比如C計算軸承所受的載荷（Fa、Fr）計算軸承的當量動載荷（P）確定X、Y比較軸承實際壽命與預期壽命小節(jié)二（選擇軸承過程）根據C值從手冊中查取合適大小的軸承計算軸承所受的載荷（Fa、Fr）計算軸承的當量動載荷（P）確定X、Y選擇軸承類型，估計所需軸承的預期壽命Lhˊ

深溝球軸承的軸向載荷Fa的計算由外界作用在軸上的總的軸向力FA決定

FA所指向的軸承承擔全部軸向力另一軸承承擔的軸向力為零4.角接觸軸承的軸向載荷的計算

角接觸軸承由于結構上的特點，支承面與軸線成一接觸角，因此，在承受徑向載荷Fr時要產生內部軸向力S

。

內部軸向力S

等于軸承承受載荷的各滾動體產生的軸向分力之和。

a)正裝b)反裝

角接觸球軸承兩種不同的安裝方式

適合于傳動零件位于兩支承之間

適合于傳動零件處于外伸端內部軸向力方向的判斷

不同的安裝方式所產生的內部軸向力S的方向不同，但其方向總是由軸承外圈的寬邊一端指向窄邊一端，有迫使軸承內圈與外圈脫開的趨勢。

內部軸向力大小的計算見表7-11內部軸向力的的影響①

在使用時，須成對使用，反向安裝（分正裝和反裝）。②

在計算軸向載荷時，除了考慮作用在軸上的外部軸向力外，還必須把內部軸向力考慮進去。實際軸承所受軸向載荷Fa的確定

1）若則軸有向右運動趨勢，此時軸承Ⅱ被壓緊，為保持軸的平衡，軸承Ⅱ將受到一個向左的平衡反力

。S2+S2′就是作用在軸承Ⅱ上的軸向力Fa2；而軸承Ⅰ無影響。故： 2）若軸承Ⅰ被壓緊，軸承Ⅱ

被放松故：總結通過上述分析，可以歸納出向心角接觸軸承軸向力的計算方法：1）根據軸承的安裝方式及軸承類型,確定軸承的內部軸向力的方向和大小;2)確定作用于軸上的軸向外載荷的合力的大小和方向;3)判明軸上全部軸向載荷的合力指向，再根據軸承的布置方式判定被“壓緊”和“放松”的軸承；4）“壓緊”端軸承的軸向力等于除本身內部軸向力外，軸上其他所有軸向力的代數和；5）“放松”端軸承的軸向力等于本身的內部軸向力。如圖所示，一對7306AC型角接觸球軸承面對面布置（正裝）。已知：Fr1=3000N，Fr2=1000N，FA=500N。問：哪個軸承被“壓緊”？軸承所受軸向載荷Fa1、Fa2的大小。練習練習7

.4

.2滾動軸承的靜強度計算滾動軸承的靜強度計算是為了限制滾動軸承在靜載荷和沖擊載荷作用下產生過大的塑性變形。1

.基本額定靜載荷：標準中規(guī)定：受載最大的滾動體與滾道接觸中心處的接觸應力達到一定值的載荷，稱為基本額定靜載荷，用C0表示。對于向心軸承，稱徑向基本額定靜載荷，用C0r表示；對于推力軸承，稱軸向基本額定靜載荷，用C0a表示；2.按額定靜載荷選擇軸承對于工作于靜止狀態(tài)、緩慢擺動和低速轉動的軸承，主要是防止?jié)L動體與滾道接觸處產生過大的永久變形。由于這些變形的存在，運轉時產生較大的振動和噪聲，以致軸承未能正常工作。因此應按額定靜載荷選擇軸承尺寸，一般計算時應滿足：軸承使用情況使用要求、載荷性質或使用場合球軸承滾子軸承旋轉軸承旋轉精度及平穩(wěn)性要求較高，或受沖擊載荷1.5～22.5～4正常使用0.5～21～3.5旋轉精度及平穩(wěn)性要求較低，沒有沖擊或振動0.5～21～3靜止或擺動的軸承水壩閘門裝置，大型起重吊鉤（附加載荷?。?吊橋，小型起重吊鉤（附加載荷大）≥1.5～1.6靜強度安全系數

3.當量靜載荷P0當軸承上同時作用有徑向載荷和軸向載荷時，應折合成一個當量靜載荷，其作用方向與基本額定靜載荷相同，亦為一假象的載荷，含義與相似，在當量靜載荷作用下，軸承受載最大的滾動體和套圈滾道接觸中心處產生的接觸應力與實際載荷作用下產生的接觸應力相同。當量靜載荷計算公式為

取兩式中計算值大者

7.4.3滾動軸承的極限轉速計算滾動軸承的極限轉速是指在一定的載荷和潤滑條件下所允許的最高轉速。它與軸承的類型、尺寸、載荷、精度和游隙、潤滑與冷卻條件、保持架的結構與材料等因素有關。

為保證軸承能夠正常工作，除合理選擇軸承類型、尺寸外，還應正確進行軸承的組合結構設計。也就是要解決軸系的軸向位置固定、軸承與相關零件的配合、間隙的調整、裝拆、潤滑和密封等幾個方面的問題。

7.5 滾動軸承的組合結構設計7.5.1軸承軸系支點固定雙支點單向固定單支點雙向固定兩端游動1.雙支點單向固定普通工作溫度（t≤70℃）的短軸（跨距L≤400㎜）,常采用雙支點單向固定的型式。這種軸系結構的兩端支點中的每個支點分別承受一個方向的軸向力，限制軸一個方向的運動，兩個支點合起來就限制了軸的雙向移動。軸向力不大時，可采用深溝球軸承軸向力較大時，可選用一對角接觸球軸承如圖所示或一對圓錐滾子軸承?？紤]到軸工作時因受熱而伸長，在軸承蓋與外圈端面之間應留出0.25㎜～0.4㎜熱補償間隙（間隙很小，結構圖上不必畫出），間隙或游隙的大小，常用墊片或調整螺釘調節(jié)如圖所示。2.單支點雙向固定固定端軸承限制軸的雙向移動，而游動端軸承的外圈可以在座孔內沿軸向移動，以補償軸的受熱伸長。適用場合：常用于軸較長或溫差較大時的情況。所示的結構中左支點為固定端，所選軸承為可以承受少量雙向軸向載荷的深溝球軸承，軸承內、外圈均被固定，當軸受到任何方向的軸向力時都通過這一支點傳遞到箱體，另一端（游動端）也選擇深溝球軸承，但是軸承只將內圈相對于軸雙向固定，而與孔在兩個方向上均不固定，使得當軸受熱伸長時軸承外圈可相對于箱體自由移動，不受限制，這樣，溫升不會使軸系產生附加軸向載荷，由于固定端使用的深溝球軸承承受軸向載荷的能力不大，所以這種軸系結構適用于軸向載荷不大的場合。圖所示結構中兩端均采用圓柱滾子軸承，通常這種軸承基本不具有軸向承載能力，但是左端的圓柱滾子軸承在內外圈上均有擋邊，當軸系偶爾有少量軸向力時可以依靠這些擋邊限制左支點軸承的雙向位置，右支點采用的是外圈雙向均無擋邊的圓柱滾子軸承，雖然軸承內外圈相對于軸和孔雙向固定，但由于軸承結構的關系，軸承內圈可以相對于外圈自由移動，形成游動端，由于固定端采用基本無軸向承載能力的圓柱滾子軸承，所以這種軸系結構適用于基本無軸向載荷（理想情況下無軸向載荷）的情況。兩端游動的軸系結構兩端均采用完全不具有軸承定位能力的軸承，整個軸系的軸向位置處于完全浮動狀態(tài)。兩端游動軸系的軸向位置在工作中是依靠傳動零件確定的，一般這種軸系結構應用在雙斜齒輪軸系或人字齒輪軸系中。3.兩端游動在人字齒輪傳動中，為避免人字齒輪兩半齒圈受力不勻或卡住，常將小齒輪做成可以兩端游動的軸系結構，如圖中左、右兩端的軸承均不限制軸的軸向游動。這種軸系的傳動零件具有雙向軸向定位能力，如果軸承也具有軸向定位能力則構成過定位的軸系，這是不允許的。特殊情況下使用。7.5.2滾動軸承的軸向定位和緊固軸承內圈的固定軸承外圈的固定a)軸端擋圈b)圓螺母c)軸用彈性擋圈d)緊定套軸承內圈的固定結構a)凸肩與孔用彈性擋圈b)止動卡環(huán)c)凸肩與軸承端蓋d)螺紋環(huán)軸承外圈的固定結構7.5.3軸承游隙和軸上零件位置的調整軸承游隙的大小對軸承的壽命、效率、旋轉精度、溫升及噪聲等都有很大的影響。游隙過大，則軸承的旋轉精度降低，噪聲增大；游隙過小，則由于軸的熱膨脹使軸承受的載荷加大，壽命縮短，效率降低。因此，軸承組合裝配時應根據實際的工作狀況適當地調整游隙，并從結構上保證能方便地進行調整。

通過改變軸承蓋與箱體之間的墊片厚度來實現的。裝配中首先在不裝墊片的情況下測量端蓋與箱體之間的間隙，將這個間隙與軸系所需的工作游隙相加，就是所需的墊片總厚度。

裝配時的調整軸向間隙是靠軸上的圓螺母來調整的，操作不甚方便，且螺紋為應力集中源，削弱了軸的強度。

所示為嵌入式軸承端蓋結構，在端蓋與軸承之間有一墊圈，在裝配中可以通過調整（或選配）這一墊圈的厚度實現正確的軸向間隙。

工作中的調整實際機器在工作中會由于磨損使軸系的軸向間隙發(fā)生變化，所以需要在使用過程中不斷對其進行調整，以補償磨損造成的間隙變化，保持正確的軸向間隙。通過螺釘進行調整，通過螺母實現防松。軸系的軸承間隙通過改變套杯與端蓋之間的墊片1厚度來調整，節(jié)錐點位置通過改變套杯與箱體之間的墊片2厚度來調整。

7.5.4滾動軸承的配合滾動軸承的配合是指滾動軸承內圈與軸的配合及滾動軸承外圈與孔的配合。滾動軸承的配合直接影響軸承的定位與固定效果，影響軸承的工作間隙。

為保證滾動軸承能正常工作，并具有一定的旋轉精度，應使軸承工作時具有一定的間隙。向心軸承出廠時具有原始間隙，裝配后由于內圈與軸及外圈與孔之間的過盈使間隙變小，工作中的受力使間隙加大，由于內圈的散熱條件比外圈差，工作溫升使間隙變小，這些因素綜合作用所形成的間隙稱為工作間隙。工作間隙的大小對滾動軸承元件的受力，軸系的旋轉精度，軸承的壽命及溫升都有很大的影響，合理地選擇滾動軸承的配合是改善軸承工作間隙，影響其它工作性能的重要手段。（1）由于滾動軸承是標準組件，只能通過改變與滾動軸承配合的軸頸和孔的尺寸滿足配合要求，所以滾動軸承內圈與軸的配合采用基孔制，滾動軸承外圈與孔的配合采用基軸制。（2）通?；字婆浜现谢鶞士椎某叽绻顜Р捎孟缕顬榱?，上偏差為正值的分布，根據國家標準規(guī)定，滾動軸承內圈與外圈的尺寸公差帶均采用上偏差為零，下偏差為負值的分布，所以與滾動軸承內圈配合的軸在采用同樣