《機械設計基礎》課件第14章

14.1軸承的功用和類型14.2滑動軸承概述14.3滾動軸承的組成、類型及特點14.4滾動軸承的代號

14.5滾動軸承的選擇計算14.6滾動軸承的組合設計

14.7滾動軸承和滑動軸承的性能比較

思考題和習題第14章軸承

14.1軸承的功用和類型軸承的功用是支承軸及軸上零件，保持軸的旋轉(zhuǎn)精度，減少轉(zhuǎn)軸與支承之間的摩擦和磨損。根據(jù)支承處相對運動表面的摩擦性質(zhì)，軸承分為滑動摩擦軸承和滾動摩擦軸承，分別簡稱為滑動軸承和滾動軸承，如圖14-1和圖14-2所示。圖14-1滑動軸承圖14-2滾動軸承14.2滑動軸承概述

14.2.1滑動軸承的分類

滑動軸承的類型很多。按承受載荷方向的不同，滑動軸承可以分為向心滑動軸承和推力滑動軸承兩個基本類型，前者承受徑向載荷，后者承受軸向載荷。根據(jù)兩摩擦表面間潤滑狀態(tài)的不同，滑動軸承可以分為液體摩擦和非液體摩擦兩類。液體摩擦滑動軸承又稱動壓滑動軸承，它的兩摩擦表面間能形成一定厚度的壓力油膜，該油膜能將軸頸與軸承分隔開，于是軸頸和軸承之間的摩擦是液體分子之間的內(nèi)摩擦，其摩擦系數(shù)很小，故磨損和發(fā)熱都很小。非液體摩擦軸承是指兩摩擦表面的大部分被液體分隔開而少部分金屬表面存在著某種形式的直接接觸的滑動軸承。14.2.2滑動軸承的結(jié)構(gòu)

滑動軸承一般由軸承座、軸瓦、潤滑及密封裝置組成。普通滑動軸承的結(jié)構(gòu)和尺寸已標準化，可參閱機械零件設計手冊。

1.向心滑動軸承常用向心滑動軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有整體式、剖分式和調(diào)心式。

1)整體式滑動軸承圖14-3是一種常見的整體式向心滑動軸承，用螺栓與機架連接。軸承座孔內(nèi)壓入用減摩材料制成的軸瓦(或叫軸套)，在軸承座頂部裝有油杯，軸套上有進油孔，內(nèi)表面開軸向油溝以分配潤滑油潤滑。整體式滑動軸承的最大優(yōu)點是構(gòu)造簡單。但它有兩個缺點：軸承工作表面磨損過大時無法調(diào)整軸承間隙;軸頸只能從端部裝入，這對粗重的軸或具有中間軸頸的軸安裝不便，甚至無法安裝。為克服這兩個缺點，可采用剖分式滑動軸承。圖14-3整體式滑動軸承

2)剖分式滑動軸承剖分式滑動軸承如圖14-4所示，它由軸承座、軸承蓋、剖分軸瓦(分為上、下瓦)及連接螺栓等組成。軸承的剖分面應與載荷方向近于垂直，多數(shù)軸承剖分面是水平的，也有斜的。軸承蓋與軸承座的剖分面常做成階梯形，以便定位和防止工作時錯動。它的軸瓦磨損后的軸承間隙可用減少剖分面處的金屬墊片或刮配軸瓦金屬的辦法來調(diào)整。剖分式滑動軸承裝拆方便，軸瓦與軸的間隙可以調(diào)整，應用較廣泛。圖14-4剖分式滑動軸承

3)調(diào)心式滑動軸承通常的滑動軸承要限制軸徑的長度，用寬徑比L/d來表示，如圖14-5所示，一般L/d=0.5~1.5。當L/d>1.5時，常用調(diào)心式滑動軸承，如圖14-6所示。軸瓦與軸承之間不是柱面配合，而是球面配合，軸瓦可隨著軸的彎曲而轉(zhuǎn)動，以適應軸徑的偏斜。圖14-5調(diào)心式滑動軸承圖14-6調(diào)心式滑動軸承

2.推力滑動軸承

推力滑動軸承用來承受軸向載荷，而且能防止軸的軸向位移。推力滑動軸承的止推面可以利用軸端，也可以使用軸的中段制出軸肩。軸頸的結(jié)構(gòu)形式分為實心、空心、單環(huán)和多環(huán)四種形式。

1)實心式圖14-7為實心式推力軸頸，其支承面是完整的端平面，當磨損后壓力分布很不均勻，在中心處的壓強最大。這對潤滑很不利，可導致支撐面磨損極不均勻，使用較少。圖14-7實心式

2)空心式圖14-8為空心式推力軸頸，支承面上壓力分布較均勻，潤滑條件有所改善。圖14-8空心式

3)單環(huán)式圖14-9為單環(huán)式推力軸頸，利用軸環(huán)的端面止推，結(jié)構(gòu)簡單，潤滑方便，廣泛用于低速輕載場合。圖14-9單環(huán)式

4)多環(huán)式圖14-10為多環(huán)式推力軸頸，特點同單環(huán)型，其支承面積增大，用于軸向力大的場合，且能承受雙向軸載。圖14-10多環(huán)式14.2.3軸瓦結(jié)構(gòu)和軸承材料

軸瓦是軸承中與軸頸直接接觸的重要零件。因此，軸瓦結(jié)構(gòu)的合理設計，軸瓦材料的正確選用，將直接關系到軸承的使用壽命和承載能力。

1.軸瓦結(jié)構(gòu)常用的軸瓦分為整體式和剖分式兩種結(jié)構(gòu)，如圖14-11所示。整體式軸瓦是套筒形(稱為軸套)。剖分式軸瓦多由兩半組成。為了改善軸瓦表面的摩擦性質(zhì)，常在其內(nèi)表面上澆鑄一層或兩層減摩材料，稱為軸承襯，即軸瓦做出雙金屬結(jié)構(gòu)或三金屬結(jié)構(gòu)。圖14-11軸瓦結(jié)構(gòu)為了使滑動軸承獲得良好的潤滑，軸瓦或軸頸上需開設油孔及油溝。油孔用于供應潤滑油，油溝用于輸送和分布潤滑油。其位置和形狀對軸承的承載能力和壽命影響很大。通常，油孔應設置在油膜壓力最小的地方;油溝應開在軸承不受力或油膜壓力較小的區(qū)域，要求既便于供油又不降低軸承的承載能力。圖14-12為幾種常見的油溝，油孔和油溝均位于軸承的非承載區(qū)，油溝的長度均較軸承寬度短。圖14-12油溝

2.軸瓦和軸承襯的材料軸瓦的主要失效形式是磨損，有時也出現(xiàn)因強度不夠而引起的疲勞破壞。因此，對軸瓦材料有如下要求：(1)有足夠的強度和可塑性；(2)減摩性能好；(3)耐磨、耐腐蝕以及抗膠合能力強；(4)導熱性好、熱膨脹系數(shù)小；(5)跑合性能好。常用的軸瓦和軸承襯的材料有以下幾種:

(1)金屬材料，主要有軸承合金(又稱巴氏合金或白合金)、青銅、鑄鐵。軸承合金摩擦系數(shù)小，抗膠合能力強，塑性、跑合能力好，是比較理想的軸瓦材料。但其價格昂貴，強度低，常選作軸承襯。青銅主要是銅與錫、鉛或鋁的合金，分別稱為錫青銅、鉛青銅、鋁青銅。青銅比軸承合金強度高、耐磨，價格也便宜，但其抗膠合能力、跑合性能較軸承合金要差。鑄鐵的各種性能均低于軸承合金和青銅，但其價格便宜，因此，對于輕載、低速和無沖擊的場合，應優(yōu)先選用。不過用鑄鐵做袖瓦時，應使軸頸硬度高于軸瓦。

(2)粉末冶金，是以粉末狀的鐵或銅為基本材料，再與石墨混合、壓制燒結(jié)成型的軸瓦材料。該種材料具有多孔組織，孔隙可儲存潤滑油，稱含油軸承。由于它不需要經(jīng)常加油，因此常用于潤滑不便的場合，如食品機械、紡織機械中。

(3)非金屬材料，主要為塑料、橡膠、木材等。14.2.4滑動軸承的特點及應用

(1)滑動軸承可制成剖分式結(jié)構(gòu)，裝拆、調(diào)整方便，是某些類型的軸(如曲軸等)及大型設備選擇支承的唯一可行途徑。

(2)混合摩擦滑動軸承結(jié)構(gòu)簡單、加工制造簡便，價格低廉，但摩擦阻力與啟動力矩較大、磨損大，只適用于輕載、速度較低、不太重要的場合。

(3)自潤滑軸承結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、可長期運轉(zhuǎn)而無需加注潤滑劑，適用于低速輕載及不允許油污染的場合。

(4)液體摩擦滑動軸承摩擦阻力、啟動力矩小，承載能力大、運轉(zhuǎn)精度高，同時承載油膜還可緩和沖擊振動。但其結(jié)構(gòu)復雜，尤其是靜壓滑動軸承還需一套要求較高的供油系統(tǒng)，價格較高。它適用于高速、重載、運轉(zhuǎn)精度要求較高的場合。14.3滾動軸承的組成、類型及特點14.3.1滾動軸承的組成

滾動軸承一般由外圈1、內(nèi)圈2、滾動體3和保持架4組成(見圖14-13)。內(nèi)圈裝在軸頸上，外圈裝在機座或零件的軸承孔內(nèi)。內(nèi)外圈上有滾道，當內(nèi)外圈相對旋轉(zhuǎn)時，滾動體將沿著滾道滾動。保持架的作用是把滾動體均勻地隔開。圖14-13滾動軸承的組成滾動體與內(nèi)外圈的材料應具有高的硬度和接觸疲勞強度、良好的耐磨性和沖擊韌性。一般用含鉻合金鋼制造，經(jīng)熱處理后硬度可達HRC61～65，工作表面須經(jīng)磨削和拋光。保持架一般用低碳鋼板沖壓制成，高速軸承的保持架多采用有色金屬或塑料。14.3.2滾動軸承的類型及特點

1.分類

按照軸承內(nèi)部滾動體形狀的不同，滾動軸承可分為球軸承和滾子軸承兩大類。球軸承的滾動體為圓球，滾子軸承的滾動體為各種形狀的滾子，如圖14-14所示。圖14-14滾動體形狀按照軸承能承受的外載荷的不同，滾動軸承又可分為向心軸承和推力軸承兩大類：主要承受徑向載荷的軸承，叫做向心軸承;只能承受軸向載荷的軸承，叫做推力軸承。有些軸承能同時承受徑向載荷和軸向載荷，叫做向心推力軸承，如角接觸球軸承。軸承中與軸頸緊套在一起的叫緊圈，與機座相連的叫活圈。以下分別介紹它們的特性及適用場合。

1)深溝球軸承(類型代號6)這是最常用的一種軸承，它可承受徑向載荷，也可同時承受不太大的軸向載荷，但承受沖擊載荷的能力較差。它適用于剛性較好和轉(zhuǎn)速較高的軸，在高速裝置中可代替推力軸承，價格低廉。

2)調(diào)心球軸承(類型代號1)這類軸承主要用來承受徑向載荷，也可同時承受較小的軸向載荷。由于其外圈的內(nèi)表面(滾道表面)是以軸承中點為中心的球面，能自動調(diào)心，故適用于多支點和撓度較大的軸以及兩支承中心難以對中的場合。

3)圓柱滾子軸承(類型代號N)這類軸承主要用來承受較大的徑向載荷，一般不能承受軸向載荷。允許軸線的偏斜量很小，對軸的彎曲變形很敏感，要求軸的剛性好。通常它的內(nèi)圈、滾子和保持架裝成一體，可與外圈分離，便于內(nèi)、外圈分開裝配，并允許內(nèi)、外圈相互間有少量的軸向移動，可作游動支座。它適用于軸剛性很大、支承中心對中良好的場合。

4)調(diào)心滾子軸承(類型代號2)這類軸承能承受較大的徑向載荷，也可同時承受較小的軸向載荷。它與雙列調(diào)心球軸承一樣，外圈的內(nèi)表面為球面，故能自動調(diào)心，適用于徑向載荷較大，有沖擊振動、多支點和受載后有較大彎曲的軸上，以及中心不能保證精確對中的支承處。

5)滾針軸承(類型代號NA)這類軸承和其他軸承相比較，在內(nèi)徑相同的條件下，其外徑最小。它只能承受徑向載荷，不能承受軸向載荷，且對軸的彎曲最敏感。它適用于徑向載荷大而徑向空間受限制的支承處。

6)角接觸球軸承(類型代號7)這類軸承可同時承受徑向載荷和軸向載荷，也可用來承受純軸向載荷，接觸角愈大，承受軸向載荷的能力也愈大。這種軸承一般成對使用，可以分別裝在兩個支點上或同裝在一個支點上。它常用于蝸桿減速器中。

7)圓錐滾子軸承(類型代號3)這類軸承與單列向心推力球軸承一樣，能同時承受較大的徑向載荷和軸向載荷。因滾動體與內(nèi)、外圈之間為線接觸，故承載能力較大。這類軸承的內(nèi)圈、滾子和保持架裝成一體，可和外圈分離，故安裝軸承時，內(nèi)、外圈與滾動體之間的游隙可以調(diào)整，安裝方便，一般也是成對使用的。它適用于剛性較大的軸，應用比較廣泛。

8)推力球軸承(類型代號5)這類軸承的套圈與滾動體是分離的。它的緊圈裝在軸上，活圈則與軸有一定間隙并安放在機座上。普通推力球軸承只能承受單向的軸向載荷，不能承受徑向載荷。雙向推力球軸承52000型有兩個活圈和一個緊圈，可以承受雙向軸向載荷。這類軸承不宜在高速下工作，因運轉(zhuǎn)時離心力大，鋼球與滾道、保持架之間有滑動，故摩擦和發(fā)熱都較嚴重。

2.特點滾動軸承與滑動軸承相比，具有下列優(yōu)點:

(1)滾動軸承的摩擦系數(shù)比滑動軸承小，傳動效率高。一般滑動軸承的摩擦系數(shù)為0.08~0.12，而滾動軸承的摩擦系數(shù)僅為0.001~0.005。

(2)滾動軸承已實現(xiàn)標準化、系列化、通用化，適于大批量生產(chǎn)和供應，使用和維修十分方便。

(3)滾動軸承用軸承鋼制造，并經(jīng)過熱處理，因此，滾動軸承不僅具有較高的機械性能和較長的使用壽命，而且可以節(jié)省制造滑動軸承所用的價格較為昂貴的有色金屬。

(4)滾動軸承內(nèi)部間隙很小，各零件的加工精度較高，因此，運轉(zhuǎn)精度較高。同時，可以通過預加負荷的方法使軸承的剛性增加。這對于精密機械是非常重要的。

(5)某些滾動軸承可同時承受徑向負荷和軸向負荷，因此，可以簡化軸承支座的結(jié)構(gòu)。

(6)由于滾動軸承傳動效率高，發(fā)熱量少，因此，可以減少潤滑油的消耗，潤滑維護較為省事。

(7)滾動軸承可以方便地應用于空間任何方位的軸上。但是，一切事物都是一分為二的，滾動軸承也有一定的缺點，主要是：

(1)滾動軸承承受負荷的能力比同樣體積的滑動軸承小得多，因此，滾動軸承的徑向尺寸大。所以，在承受大負荷的場合和要求徑向尺寸小、結(jié)構(gòu)要求緊湊的場合(如內(nèi)燃機曲軸軸承)，多采用滑動軸承。

(2)滾動軸承振動和噪聲較大，特別是在使用后期尤為顯著，因此，對精密度要求很高、又不許有振動的場合，滾動軸承難以勝任，一般選用滑動軸承的效果更佳。

(3)滾動軸承對金屬屑等異物特別敏感，軸承內(nèi)一旦進入異物，就會產(chǎn)生斷續(xù)地較大振動和噪聲，亦會引起早期損壞。即使不發(fā)生早期損壞，滾動軸承的壽命也有一定的限度?？傊瑵L動軸承的壽命較滑動軸承短。滾動軸承與滑動軸承相比較，各有優(yōu)缺點，各有一定的適用場合。因此，兩者不能完全互相取代，并且各自向一定的方向發(fā)展，擴大自己的領域。但是，由于滾動軸承的突出優(yōu)點，頗有后來者居上的趨勢。目前，滾動軸承已發(fā)展成為機械的主要支承形式，應用愈來愈廣泛。14.4滾動軸承的代號14.4.1基本代號基本代號表示軸承的基本類型、結(jié)構(gòu)和尺寸，是軸承代號的基礎。除滾針軸承外，基本代號由軸承類型代號、尺寸系列代號及內(nèi)徑代號構(gòu)成。

1.類型代號

滾動軸承的類型代號用數(shù)字或大寫拉丁字母表示，見表14-1。表14-1軸承類型代號的構(gòu)成

2.尺寸系列代號軸承尺寸系列代號由軸承的寬(高)度系列代號和直徑系列代號組合而成。組合排列時，寬度系列在前，直徑系列在后，見表14-2。表14-2尺寸系列代號

3.內(nèi)徑代號內(nèi)徑代號表示軸承公稱內(nèi)徑的大小，其表示方法見表14-3。表14-3內(nèi)徑代號

滾動軸承基本代號一般由五個數(shù)字(或字母加四個數(shù)字)組成，當寬度系列為0時可省略。如：深溝球軸承6200，6為類型代號，02為尺寸系列代號，00為內(nèi)徑代號，d=10mm。14.4.2前置和后置代號前置和后置代號是軸承的結(jié)構(gòu)形狀、尺寸、公差、技術(shù)要求發(fā)生改變時，在其基本代號左右添加的代號(前置代號位左，后置代號位右)。其排列見表14-4。表14-4前置和后置代號排列

14.5滾動軸承的選擇計算

14.5.1滾動軸承的類型選擇

軸承類型的選擇受多種因素的影響，如軸承所受負荷的大小、方向和性質(zhì)，調(diào)心性能要求，轉(zhuǎn)速與工作環(huán)境，剛度要求，經(jīng)濟性等。根據(jù)軸承的特性及適用范圍可參照以下原則選用：

(1)載荷的大小、方向和性質(zhì)。①載荷大小。載荷較大使用滾子軸承，載荷中等以下使用球軸承。例如:深溝球軸承既可承受徑向載荷又可承受一定的軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較高。圓柱滾子軸承可承受較大的沖擊載荷，極限轉(zhuǎn)速不高，不能承受軸向載荷。

②載荷方向。主要承受徑向載荷使用深溝球軸承、圓柱滾子軸承和滾針軸承，承受純軸向載荷使用推力軸承，同時承受徑向和軸向載荷使用角接觸軸承或圓錐滾子軸承。當軸向載荷比徑向載荷大很多時，使用推力軸承和深溝球軸承的組合結(jié)構(gòu)。③載荷性質(zhì)。承受沖擊載荷時使用滾子軸承，因為滾子軸承是線接觸，承載能力大，抗沖擊和振動。

(2)轉(zhuǎn)速條件。轉(zhuǎn)速較高，旋轉(zhuǎn)精度較高，使用球軸承;否則使用滾子軸承。

(3)調(diào)心性能?？缇噍^大或難以保證兩軸承孔的同軸度的軸及多支點軸，使用調(diào)心軸承。但調(diào)心軸承需成對使用，否則將失去調(diào)心作用。

(4)裝調(diào)性能。圓錐滾子軸承和圓柱滾子軸承的內(nèi)外圈可分離，便于裝拆。

(5)經(jīng)濟性。在滿足使用要求的情況下優(yōu)先使用球軸承、精度低和結(jié)構(gòu)簡易的軸承，其價格低廉。14.5.2滾動軸承的失效形式

滾動軸承的失效形式主要有三種:疲勞點蝕、塑性變形和磨損。

1)疲勞點蝕對于在正常負荷作用下的滾動軸承，滾動體和座圈在負荷作用下，表面間將產(chǎn)生循環(huán)變化的接觸應力，從而使軸承的工作表面出現(xiàn)疲勞點蝕現(xiàn)象。嚴重時軸承將產(chǎn)生振動和噪聲，工作溫度升高，最終導致失效。

2)塑性變形轉(zhuǎn)速極低或間歇擺動的軸承，通常不會產(chǎn)生疲勞點蝕破壞。但在過大的靜負荷或沖擊負荷作用時，會使軸承元件的工作表面發(fā)生永久的塑性變形(出現(xiàn)壓痕)。這是軸承因靜強度不夠而造成的損壞。

3)磨損滾動軸承若潤滑不充分或密封不良，從而使軸承中進入磨粒性微粒，使軸承發(fā)生嚴重的磨粒性磨損，導致內(nèi)、外圈和滾動體間的間隙增大，從而使旋轉(zhuǎn)精度降低而報廢。14.5.3滾動軸承的壽命計算

1.基本額定壽命與基本額定動負荷在正常負荷作用下工作的軸承，經(jīng)歷一定時間的運轉(zhuǎn)后會因疲勞點蝕而損壞。當軸承中任一元件材料首次出現(xiàn)疲勞點蝕擴展之前，我們把軸承的實際總轉(zhuǎn)數(shù)(r)或在一定轉(zhuǎn)速下的實際運轉(zhuǎn)時間(h)，稱為單個軸承的疲勞壽命。圖14-15所示為結(jié)構(gòu)尺寸、材料、熱處理、加工方法完全相同的一批軸承，在相同條件下進行實驗所得的軸承疲勞壽命離散的一般規(guī)律?？梢姡瑵L動軸承的疲勞壽命是相當離散的，用單個軸承的疲勞壽命作為軸承壽命計算公式中的壽命值是不當?shù)?。因此，在?guī)定軸承壽命時，必須考慮可靠性。圖14-15軸承壽命與可靠度基本額定壽命是指一批相同的軸承，在相同條件下運轉(zhuǎn)，其中90%的軸承不出現(xiàn)疲勞點蝕時的總轉(zhuǎn)數(shù)或在給定轉(zhuǎn)速下工作的小時數(shù)，用L10表示。例如，當軸承的基本額定壽命L10=1×106轉(zhuǎn)時，其中90%的軸承不發(fā)生疲勞點蝕仍能繼續(xù)工作，而10%的軸承已經(jīng)出現(xiàn)疲勞點蝕而損壞，即可靠度為90%。本章在建立軸承壽命計算公式時，使用的就是基本額定壽命。基本額定動負荷是指一批同一型號的軸承(外圈固定內(nèi)圈旋轉(zhuǎn))基本額定壽命為106轉(zhuǎn)時軸承所承受的負荷。基本額定動負荷用符號C表示。對深溝球軸承是指純徑向負荷，以Cr表示；對推力軸承是指中心推力負荷，以Ca表示?；绢~定動負荷代表了滾動軸承的承載能力。各種類型、各種型號的軸承的C值(Cr或Ca)可由《機械設計手冊》查閱。

2.滾動軸承的壽命計算公式

試驗表明，軸承的基本額定壽命L10與軸承所受負荷Ｐ的大小有關。負荷越大，軸承的基本額定壽命越小。圖14-16表示6208型深溝球軸承通過試驗得到的Ｐ-L10關系曲線，即滾動軸承壽命曲線。在P-L10曲線上，對應于L10＝1×106(r)次的負荷P=25500N，此即6208軸承的基本額定動負荷Ｃr。用數(shù)學方程去逼近這條壽命曲線，其關系式為×L10＝常數(shù)圖14-16

6208軸承的Ｐ-L10關系曲線將L10＝1×106對應的負荷值Cr代入上式，得Pε×L10＝*1

則得到滾動軸承的基本額定壽命公式為(14-1)式中：L10——可靠度為90%的基本額定壽命(106轉(zhuǎn))；P——當量動負荷(N)；

ε——壽命系數(shù)，球軸承ε=3，滾子軸承ε=10/3；

Cr——基本額定動負荷(N)。對推力軸承，其基本額定動負荷為Ca。各類軸承在正常工作溫度(t<120°)時的Cr值(或Ca值)可查表;當工作溫度t>120°時，需將表中Cr值乘以溫度系數(shù)ft予以降低。ft的值見表14-5。表14-5溫度系數(shù)ft

在實際設計計算中，軸承的基本額定壽命常以工作小時數(shù)h表示，其符號為L10(h)

，其換算式為L10＝60nL10(h)以小時表示的滾動軸承的基本額定壽命L10(h)

為(14-2)式中：L10(h)——以小時為單位的基本額定壽命(h)；n——滾動軸承的工作轉(zhuǎn)速(r/min)。壽命計算公式(14-1)和式(14-2)有如下幾種用法：

(1)如選定了軸承的型號，即Cr已知時，如果知道作用于該軸承的當量動負荷P及n，則可求出此時該軸承的基本額定壽命L10或L10(h)。

(2)若已知軸承的預期壽命L10或L10(h)和該軸承所承擔的當量動負荷，則可求得用以選取滾動軸承的基本額定動負荷的計算值Crj應滿足：(14-3)此時，Cr應為軸承手冊中某一滿足題設條件軸承的基本額定動負荷。

【例14-1】設已知型號為6310的深溝球軸承，其所承受的當量動負荷P=24200N，軸承工作轉(zhuǎn)速n=167r/min，試計算L10及L10(h)。若預期壽命與L10(h)=1000h，計算該軸承所需的基本額定動負荷，并判斷此6310軸承能否使用。

解

(1)計算L10及L10(h)。由表14-6查得6310軸承的基本額定動負荷Cr=47.5kN，球軸承的ε=3，得

(2)計算Crj。Crj=59722>Cr=47500此6310軸承不滿足壽命要求。其補足辦法如下:

(1)降低預期壽命。實際壽命為L10(h)=754(h)。

(2)更換軸承直徑系列以期提高Cr值。改用6410軸承，由設計手冊查得Cr=71kN，則Crj=59722<Cr=71000。

3.滾動軸承的當量動負荷軸承樣本中給定的基本額定動負荷Cr是在一定的試驗條件下確定的。這些條件是：軸承的基本額定壽命為106r，可靠度為90%；向心軸承和向心推力軸承承受純徑向負荷；推力軸承和推力向心軸承承受純軸向負荷，負荷平穩(wěn)。為了和各類軸承的基本額定動負荷在相同條件下比較，當作用在軸承上的實際負荷與上述試驗條件不相同時，必須將實際負荷換算成與上述條件相當?shù)呢摵珊螅拍苁褂檬?14-1)、式(14-2)進行軸承壽命計算。換算后的外負荷是一種假想的負荷，稱為當量動負荷，以P表示，即軸承在當量動負荷作用下的壽命與實際負荷作用下的壽命是相同的。當量動負荷的計算公式如下：

(1)向心軸承(6類、1類、2類)。當Fa/Fr≤e時，P=Fr×fp(14-4)

當Fa/Fr>e時，P=(XFr+YFa)fp(14-5)

式中：Fr——軸承所受的實際徑向負荷(N)；

Fa——軸承所受的實際軸向負荷(N)；

fp——動負荷系數(shù)，見表14-6；

X——徑向負荷系數(shù)，見表14-7；

Y——軸向負荷系數(shù)，見表14-7；

e——軸向負荷影響系數(shù)，見表14-7。表14-6動負荷系數(shù)fp

表14-7向心軸承的X、Y系數(shù)

(2)圓柱滾子軸承(N類)。圓柱滾子軸承一般只能承受徑向負荷，其當量動負荷為P=Fr(14-6)(3)推力軸承。推力軸承的當量動負荷為P=Fa(14-7)

(4)角接觸球軸承(7類)、圓錐滾子軸承(3類)。對于這類軸承，一般都成對選用。安裝方式有正裝與反裝兩種形式，如圖14-17所示。其當量動負荷P的確定與向心軸承的計算公式相同。圖14-17圓錐滾子軸承成對安裝的兩種形式但是，由于角接觸球軸承和圓錐滾子軸承在承受純徑向負荷時，將產(chǎn)生內(nèi)部附加軸向力S，因此在計算軸承的當量動負荷時，必須將內(nèi)部附加軸向力對當量動負荷P的影響考慮進去。①負荷作用中心。支點為角接觸的球軸承在計算支承反力時，首先要確定負荷作用中心O點的位置。由于接觸角α的存在，使負荷作用中心由軸承寬度中點處偏移到中心O。如圖14-18所示，它的位置應為各滾動體的負荷向量與軸承軸線的交點。負荷中心與軸承外側(cè)端面距離a可由《機械設計手冊》查得。對支承跨距比a大得多的軸，為簡化計算，常假設負荷作用中心在軸承寬度的中點處;對跨度小的軸，不能簡化，應查《機械設計手冊》按實際負荷作用中心的位置計算。圓錐滾子軸承亦按上述方法簡化。圖14-18角接觸球軸承負荷作用中心②內(nèi)部附加軸向力S。角接觸球軸承在承受純徑向負荷時，將產(chǎn)生內(nèi)部附加軸向力S。如圖14-19所示，其軸向分力的方向與該軸承所能承受軸向力的方向相反。各類向心角接觸軸承內(nèi)部軸向分力的近似值見表14-8。表14-8角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的內(nèi)部軸向分力S圖14-19角接觸球軸承實際軸向力的計算③實際軸向負荷Fa的計算。圖14-19為一成對安裝使用的“正裝”角接觸軸承?，F(xiàn)以此為例，分析并計算兩軸承分別承受的實際軸向載荷FaⅠ與FaⅡ。圖中Fr與Fa分別為作用于軸上的徑向和軸向外負荷。在Fr的作用下，在軸的兩支點處產(chǎn)生Fr1和Fr2兩個徑向支反力以及相應產(chǎn)生的內(nèi)部軸向分力S1和S2。根據(jù)力平衡原理，當軸處于平衡狀態(tài)時應滿足S1+Fa=S2如不平衡，將出現(xiàn)兩種情況:

A.當S1+Fa>S2時，如圖14-19(b)所示，則軸有右移的趨勢。此時軸承Ⅱ由于被端蓋頂住而壓緊(簡稱緊端)，根據(jù)力平衡關系，軸承Ⅱ的外圈上必受到平衡力的作用，而軸承Ⅰ則被放松(稱松端)，因此有S1+Fa=S2+故=S1+Fa-S2由此得兩軸承所受的實際軸向力分別為軸承Ⅰ(松端)

FaⅠ=S1

軸承Ⅱ(緊端)

B.當S1+Fa<S2時，如圖14-19(c)所示，則軸有左移的趨勢。同理，軸承Ⅰ被壓緊(緊端)，為了保持軸的平衡，在軸承Ⅰ的外圈上必有一個平衡力作用，而軸承Ⅱ則被放松(松端)，因此有由此得作用在軸承Ⅰ及軸承Ⅱ的實際軸向力為軸承Ⅱ(松端)

FaⅡ=S2

軸承Ⅰ(緊端)

FaⅠ=S2-Fa由以上分析可得出向心角接觸軸承實際軸向負荷Fa的計算方法要點：

(a)按照成對安裝軸承的裝配結(jié)構(gòu)方案(指正裝或反裝)，確定內(nèi)部軸向分力的大小及方向。

(b)判斷出全部軸向負荷(所有軸向外負荷及內(nèi)部軸向分力)合力的指向，確定被壓緊的軸承(緊端)及被放松的軸承(松端)。

(c)“緊端”軸承所受的實際軸向負荷，應為除了自身內(nèi)部軸向分力之外，其他所有軸向力的代數(shù)和(規(guī)定被壓緊軸承方向的力為正，反之為負)；“松端”軸承的實際軸向負荷等于自身的內(nèi)部軸向分力。

【例14-2】一減速器輸入軸(見圖14-20)，用一對深溝球軸承支承，軸頸d=40mm，轉(zhuǎn)速n=1470r/min。根據(jù)受力計算得軸承Ⅰ所受徑向負荷Fr1=2000N，軸承Ⅱ的徑向負荷Fr2=1000N，有輕微沖擊，軸向負荷Fa=950N，預期壽命Lh=8000h，試選擇軸承型號。圖14-20例14-2圖解

(1)初選軸承型號。根據(jù)軸承類型及軸頸直徑，選擇6308軸承。由《機械設計手冊》查得基本額定動負荷Cr=31.2kN，基本額定靜負荷C0r=22.2kN。

(2)計算當量動負荷P1、P2。①查取e值。由Fa/C0r=950/22200=0.043，查表14-7，用插值法得e=0.241。②查取X、y值。由Fa/Fr1=950/2000=0.475>e，查表14-7，得X1=0.56，Y1=1.84(插值法)。由Fa/Fr2=950/1000=0.95>e，查表14-7，得X2=0.56，Y2=1.84。

(3)驗算壽命。由于P1>P2，故應驗算軸承Ⅰ。選6308軸承能滿足壽命要求。

4.滾動軸承的靜負荷計算對于不旋轉(zhuǎn)或低速旋轉(zhuǎn)(n<1~10r/min)、緩慢擺動或間歇工作的軸承，其失效形式為塑性變形。這類軸承不能按基本額定動負荷計算公式(即滾動軸承的壽命計算公式)來選擇軸承尺寸，而應按靜負荷的計算方法選取軸承。對于轉(zhuǎn)速n>10r/min的軸承，如果負荷變化很大或有較大沖擊，除按基本額定動負荷計算外，還須按靜負荷公式驗算。

(1)軸承所需基本額定靜負荷的確定。軸承的靜負荷能力計算公式為

C0rj=S0P0(14-8)

按靜負荷能力選擇軸承尺寸時應滿足下列條件:C0rj≤C0r(14-9)式中：C0rj——用以選擇軸承的基本額定靜負荷的計算值(N)；

S0——靜負荷安全系數(shù)，見表14-9；

P0——當量靜負荷(N)；

C0r——基本額定靜負荷，對于推力軸承則為C0a。使軸承中受載最大的滾動體與套圈滾道(內(nèi)、外圈中較弱者)的塑性變形量之和為滾動體直徑的萬分之一時的負荷，稱為基本額定靜負荷。各類軸承的C0r(或C0a)值列入軸承尺寸表中。表14-9靜負荷安全系數(shù)

(2)當量靜負荷P0的計算。當量靜負荷是一個假想的負荷，軸承在此負荷作用下與實際負荷作用下所產(chǎn)生的永久變形量相同。向心軸承的當量靜負荷按下式計算:圓柱滾子軸承

P0=F0(14-10)向心球軸承和向心角接觸軸承(取兩式計算的較大者)式中：X0——靜徑向負荷系數(shù)，見表14-10；

Y0——靜軸向負荷系數(shù)，見表14-10。表14-10向心軸承的X0、Y0系數(shù)

14.6滾動軸承的組合設計

14.6.1軸承的安裝和固緊

1.軸承的安裝

一根軸常需要兩個支承，每個支承可由一個或一個以上的軸承組成。合理的軸承安裝，應考慮到軸及其上傳動件在機器中有正確的位置、防止軸向竄動以及軸受熱膨脹后不致使軸承卡死等因素。常見的雙支點的軸系軸承安裝方案有三種：

1)兩端固定式如圖14-21所示，軸的兩個支承中每一個都能限制軸的單向移動，兩支承共同限制了軸的兩個方向的移動。考慮到軸會因受熱而伸長，在軸承蓋與外圈端面之間應留出補償間隙C，C=0.2~0.3mm。這種固定方式只適用于短跨距的軸系和工作溫度不高時。圖14-21兩端固定式

2)一端固定一端游動式當軸較長或工作溫度較高時，為了補償較大的熱膨脹，應采用一支承固定，另一支承游動的形式。如圖14-22所示，左端為固定支承，軸承外圈雙向固定，右端為游動支承，軸承外圈與機座孔間采用動配合，且外圈兩端留有較大間隙，以便軸受熱伸長時能在孔中自由游動。圖14-22一端固定一端游動式

3)兩端游動式如圖14-23所示，左、右兩端都采用圓柱滾子軸承，軸承的內(nèi)、外圈都要求固定，以保證在軸承外圈的內(nèi)表面與滾動體之間能夠產(chǎn)生左右軸向游動。此種支承方式一般只用在人字齒輪傳動這種特定的情況下，而且另一個軸必須采用兩端固定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可避免人字齒輪傳動中，由加工誤差導致的干涉甚至卡死現(xiàn)象。圖14-23兩端游動式

2.軸承的固緊滾動軸承的軸向緊固是指軸承內(nèi)圈與軸、外圈和軸承座孔之間的軸向固定。內(nèi)、外圈的軸向固定形式很多，應根據(jù)軸向負荷的大小和方向、轉(zhuǎn)速的高低、軸承的類型以及支承的形式等不同情況選用不同的固定方法。

1)滾動軸承內(nèi)圈的緊固方式如圖14-24(a)所示，內(nèi)圈靠軸肩單向軸向固定，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，占用空間小，用于兩端固定支承中。如圖14-24(b)所示，彈性擋圈與軸肩對軸承雙向軸向定位，結(jié)構(gòu)簡單，承受軸向負荷的能力較小，不宜高速。如圖14-24(c)所示，用壓板和螺釘緊固，用于軸端且軸徑較大的場合(d>70mm)，允許較高轉(zhuǎn)速，能承受中等軸向負荷。如圖14-24(d)所示，用圓螺母與止動墊圈緊固，用于軸向負荷大且轉(zhuǎn)速高的場合。圖14-24滾動軸承內(nèi)圈的緊固方式

2)滾動軸承外圈的緊固方式如圖14-25(a)所示，用端蓋緊固，結(jié)構(gòu)簡單，緊固可靠，調(diào)整方便。如圖14-25(b)所示，用彈性擋圈緊固，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，占用空間小，多用于向心軸承。如圖14-25(c)所示，用端蓋和座孔擋肩緊固，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，能承受較大的軸向負荷，但機座孔加工不方便。如圖14-25(d)所示，用套筒擋肩和端蓋緊固，結(jié)構(gòu)簡單，機座孔可為通孔，加工方便，利用墊片可調(diào)整軸系的軸向位置，裝配工藝好。圖14-25滾動軸承外圈的緊固方式14.6.2軸承間隙的調(diào)整及預緊

1.軸承間隙的調(diào)整可通過加減軸承蓋與機座間墊片的厚度來調(diào)整軸承間隙，如圖14-26(a)所示，也可通過外圈壓蓋來移動軸承外圈位置以調(diào)整軸承間隙，如圖14-26(b)所示，完成調(diào)整后用螺母鎖住調(diào)節(jié)螺釘?shù)奈恢?。圖14-26軸承間隙的調(diào)整

2.滾動軸承的預緊滾動軸承內(nèi)部的游隙對軸承的旋轉(zhuǎn)精度、壽命、噪聲等影響很大。因此當要求軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度較高時，通常采用預緊的方法來消除游隙。如圖14-27所示，利用金屬墊片(圖(a))或磨窄套圈(圖(b))等方法，在安裝軸承時給予一定的軸向作用力(預緊力)，使內(nèi)、外圈產(chǎn)生相對位移，消除游隙并在套圈與滾動體接觸處產(chǎn)生彈性預變形，借以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度。圖14-27軸承的預緊

3.軸系零件位置的調(diào)整

有些軸上零件在安裝時需要得到準確的工作位置，這就要求軸承的軸向位置應當可以調(diào)整。如圖14-28所示，在圓錐齒輪傳動中，要求兩錐齒輪的分度圓錐錐頂必須重合，以保證嚙合處于正常狀態(tài)。為此就要求小圓錐齒輪在安裝時能沿軸線方向作一些移動調(diào)整。具體的結(jié)構(gòu)是把兩個軸承放在一個套杯之中，套杯則裝在機殼上的座孔中，通過增減套杯端面與機體之間的墊片厚度，即可調(diào)整圓錐齒輪的軸向位置。圖14-28軸系位置的調(diào)整14.6.3滾動軸承的配合

通過選擇適當種類的配合可使?jié)L動軸承達到周向固定的目的。滾動軸承的公差與配合和一般圓柱體公差與配合相比較，有以下特點:

(1)滾動軸承是標準件，規(guī)定以軸承的配合表面為基準來選擇配合的松緊。所以軸承外圈與座孔的配合應為基軸制。

(2)軸承內(nèi)孔的公差為負偏差，而一般圓柱體基孔制的孔公差為正偏差，因此，軸承內(nèi)徑與軸頸的配合比圓柱體公差標準中的同類配合要緊得多。

(3)標注時不需要標注軸承內(nèi)徑與外徑的公差帶代號，只要求標注軸頸和座孔的公差帶代號。滾動軸承配合選擇的基本原則是:旋轉(zhuǎn)的套圈應選擇過渡配合或過盈配合;固定的套圈應選擇間隙配合；當受沖擊負荷或重負荷時，應選擇比正常、輕負荷時更緊密的配合；當軸承尺寸增大時，所選擇的過盈配合的過盈量也越大，間隙配合的間隙量也越大。與普通精度軸承配合時，軸的公差等級一般為IT6，外殼孔一般為IT7。14.6.4軸承的支承結(jié)構(gòu)

滾動軸承的軸承座及軸承組合中的其他受力零件必須有足夠的剛性，因為這些零件的變形都會阻滯滾動體的滾動，增大軸承元件所受的載荷而使軸承提前損壞。機殼及軸承座孔壁應有足夠的厚度，可用加強筋來增強懸臂軸承座的剛性，如圖14-29(a)所示。如果機殼是由輕合金或非金屬制成的，則安裝軸承處應采用鋼或鑄鐵制的襯筒，如圖14-29(b)所示。圖14-29軸承的支承結(jié)構(gòu)安裝軸承用的一根軸上兩個支承的座孔必須保持同心，以免軸承內(nèi)、外圈之間產(chǎn)生過大的偏斜。為此應采用整體結(jié)構(gòu)的機殼，應一次鏜出安裝軸承的兩個孔。如果一根軸上裝有不同尺寸的軸承，則機殼上的軸承孔仍應一次鏜出，然后加襯筒來安裝尺寸較小的軸承，如圖14-30所示。圖14-30保證同心度的結(jié)構(gòu)14.6.5滾動軸承的潤滑滾動軸承潤滑的主要作用在于減小工作表面的摩擦和磨損、防止工作表面銹蝕、減少工作時的振動噪聲、散熱、降低工作溫度等。常用的滾動軸承潤滑劑分為潤滑脂和潤滑油，具體可按速度因數(shù)dn值由表14-11查得。表14-11適用于脂潤滑和油潤滑的dn值界限(104mm·r/min)

根據(jù)工作速度及dn值，可由圖14-31選出潤滑油應具有的粘度值，然后根據(jù)粘度從潤滑油產(chǎn)品目錄中選出相應的潤滑油牌號。圖14-31潤滑油的粘度選擇常用的潤滑油潤滑方法有下列幾種：

(1)油浴潤滑：把軸承局部浸入潤滑油中，油面高度不高于最低滾動體的中心，此法不適用于高速，因為攪動油液將造成很大的能量損失。

(2)滴油潤滑：適宜于需要定期潤滑的軸承。

(3)飛濺潤滑：是一般齒輪傳動裝置中軸承常用的潤滑方法，即利用齒輪的轉(zhuǎn)動把潤滑齒輪的油甩到箱體的內(nèi)壁上，然后通過適當?shù)臏喜郯延鸵胼S承。

(4)噴油潤滑：適用于轉(zhuǎn)速高、載荷大、要求潤滑可靠的軸承。具體方法是：先用油泵將潤滑油增壓，然后通過油管經(jīng)噴嘴將油噴射到軸承中去，流過軸承的潤滑油經(jīng)過濾冷卻后再循環(huán)使用。

(5)油霧潤滑：當軸承中滾動體的線速度非常高時，可采用油霧潤滑，將潤滑油在油霧發(fā)生器中變成油霧。霧化后的潤滑油溫度較低，這對軸承是有利的。14.6.6滾動軸承的密封密封的目的是為了防止外界的灰塵、水分等侵入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┑穆┦АＣ芊庋b置分為接觸式和非接觸式兩大類。

1.接觸式密封接觸式密封是指在軸承蓋內(nèi)放置軟材料(如毛氈、皮革或橡膠等)與轉(zhuǎn)動軸直接接觸而起密封作用。常見的結(jié)構(gòu)形式有：

(1)氈圈密封，如圖14-32所示。矩形剖面的毛氈安裝在軸承蓋的梯形槽內(nèi)。它對軸表面產(chǎn)生一定的壓力而起到密封作用。這種裝置主要用于潤滑脂潤滑的軸承。要求環(huán)境清潔、軸頸圓周速度v≤4~5m/s，工作溫度不超過90℃。圖14-32接觸式密封(a)氈圈密封;(b)皮碗密封