第十三章 滚动轴承

第十三章

滚动轴承13-1概述滚动轴承是各类机械中普遍使用的重要支承件，它是由专业厂大批量生产的一种标准件。因此应尽量选用之，本章是重点章节之一。由于滚动轴承的类型、尺寸及精度等级已有国家标准，因此，在机械设计中需要解决的主要问题是：根据工作条件合理选择滚动轴承的类型；滚动轴承的承载能力计算；滚动轴承部件的组合设计。一、结构：滚动轴承由四部分组成。内圈、外圈（组成环形滚边）滚动体：球、圆柱滚子（短、长）、螺旋滚子、圆锥滚子、鼓形滚子、滚针。保持架：将滚动体均匀隔开，避免直接接触，引起摩擦、磨损。二、分类：按承受载荷的方向分：向心轴承、推力轴承、向心推力轴承。按滚动体的形状分：球轴承、滚子轴承。我国滚动轴承的标准：将滚动轴承分为十大类，将在下面介绍。三、游隙、接触角及调心性质1.游隙：两套圈间相对最大移动量：分为径向游隙、轴向游隙。标准中规定：基本游隙组及辅助游隙组。应优先选用基本游隙组的轴承。向心推力轴承的游隙依靠安装时调整套圈间的相对位置确定。2.接触角：滚动体与外圈接触点处的法线与半径方向的夹角越大，承受轴向载荷的能力越大。向心球轴承：未承受载荷时=0；受轴向载荷时增至向心滚子轴承：=0º向心推力轴承：较大向心推力球轴承：12º、26º、36º圆锥滚子轴承：=11º∼16º、=25º∼29º3.调心性能：轴承适应角偏斜，保持正常工作的性能。调心性能好的轴承为：调心轴承、自位轴承。13-2滚动轴承的代号、类型及特点为使用时选择方便，采用“轴承代号”来表示轴承的类型、特点及结构尺寸、精度等级等。前置代号基本代号后置代号例：6204N231013227015C30334512247211c/P51、前置代号：用于表示轴承的分部件，用字母表示。如：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、基本代号：五四三二一类型代号尺寸系列宽度系列直径系列内径系列右1、2位：内径系列右3位：直径系列

1234

特轻轻中重右4位：宽度系列：特窄、窄、正常、宽、特宽。正常宽度——0不标，但对于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承，宽度系列代号0应标出。1——调心球轴承主要受径向力和不大的轴向力，能调心，速度较高，不耐冲击。FrFa右5位：类型代号2——调心滚子轴承主要受径向力和不大的轴向力，能调心，速度较低，耐冲击。FrFa3——圆锥滚子轴承（成对使用）。能承受较大径向力和单方向轴向力，速度较低，耐冲击。FaFr5——推力球轴承不能承受径向力仅能承受单方向轴向载荷，低速，不耐冲击。Fa6——深沟球轴承可承受较大的径向力和两个方向不大的轴向力，速度较高，不耐冲击。FaFr7——角接触球轴承（成对使用）。主要承受径向力和单方向轴向力，速度较高，不耐冲击。FrFaN——圆柱滚子轴承承受较大的径向力，速度低，耐冲击。Fr3、后置代号：用字母和数字等表示轴的结构、公差及材料的特殊要求等等（无特殊要求不标）。材料改变：不锈钢、耐热钢、青铜、陶瓷合金、塑料等。特殊技术要求：热处理、噪声、振动、填充特殊润滑剂。结构改变：要求形状、尺寸改变。常用代号：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。如：接触角为15º、25º和40º的角接触球轴承分别用C、AC和B表示内部结构的不同。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个组别，依次由高级到低级，其代号分别为/P2、

/P4、

/P5、

/P6、

/P6x和

/P0。公差等级中，6x级仅适用于圆锥滚子轴承；0级为普通级，在轴承代号中不标出。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。0组游隙是常用的游隙组别，在轴承代号中不标出，其余的游隙组别在轴承代号中分别用/C1、

/C2、

/C3、

/C4、

/C5表示。例：7211C/P5——表示内径为55mm，轻系列角接触球轴承，正常宽度，接触角=15º，5级公差，0组游隙。13-3滚动轴承类型的选择选择滚动轴承的类型应根据轴承的工作载荷（包括性质、大小、方向）、转速、调心性能及其他特殊要求。1、高速轻载：选择球轴承（除推力球轴承5）低速重载：滚子轴承2、受纯轴向力：推力球轴承5

受纯径向力：N系列或深沟球轴承6

同时受轴向、径向力：

3——轴向径向力均较大；

6——轴向力较小；

7——轴向力中等。3、调心性能：

1、2有调心性能，承载大有冲击时用2。4、易装卸：用3系列、N系列。13-4滚动轴承的工作情况分析：向心轴承与圆锥滚子轴承工作时载荷分布及其变化情况。（一）、向心轴承1、轴承工作时，元件上的载荷分布。载荷工作时，各接触点所受的接触载荷Pi不同，产生的变形量亦不同，处于R作用线上的接触载荷最大，其他接触点依次减小。接触载荷Pi的向量和=径向载荷即：2、元件上载荷及应力的变化轴承工作时，各个元件上所受载荷的应力是时时变化的。滚动体上所受的载荷及应力为不稳定变化的。固定套圈上R作用线上的接触点所受载荷最大，其载荷及应力是稳定变化的。活动套圈上所受的载荷及应力变化情况与滚动体类似。通过承载区的时间通过非承载区的时间tP、H滚动体、活动套圈tP、H固定套圈（二）、向心推力轴承向心推力轴承由于存在接触角，在承受径向载荷R时，会产生轴向力Si，各滚动体的轴向力之和称为轴承的派生轴向力S。使滚动体与套圈分离，因此，必须承受轴向载荷与其平衡即A=S。当轴承为半周滚动体承受载荷时，应满足：式中：——载荷角当时，开始使全部滚动体受载。13-5滚动轴承尺寸的选择（一）、滚动轴承的失效形式及设计准则1.失效形式点蚀：对于安装、维护良好的滚动轴承，在变接触应力作用下，滚动体及套圈滚边上将产生疲劳点蚀失效。塑性变形：在静载荷和冲击载荷作用下（不转动、摆动、转速低的轴承），在滚动体及套圈滚边上将产生塑性变形失效。此外，当润滑油不足使轴承烧伤；润滑油不清洁产生过度磨损；装配不当使轴承卡死、破裂；以及腐蚀、锈蚀等。这些可通过轴承组合设计及正确使用来加以防止。2.设计准则——针对主要失效形式对于正常使用的回转滚动轴承：应进行控制点蚀的寿命计算。对于不转动、摆动、转速低的轴承：应进行塑性变形的静强度计算。（二）、滚动轴承的寿命计算——针对疲劳点蚀1.额定寿命及额定动载荷轴承寿命：轴承在点蚀破坏前所经历的转数或小时数。同一批相同的轴承在同样的工作条件下，其轴承寿命可相差20∼40倍。因此，只能用数理统计的方法得出寿命规律。设计时通常取机器的中、大修年限作为轴承的计算寿命，在此期间正常工作的概率为90%，表13-3列出了各类机器的计算寿命推荐值。轴承的额定寿命与所受载荷的大小有关，工作载荷越大，则接触应力越大，寿命越短。额定动载荷：轴承的额定寿命为106转时，轴承所能承受的载荷值。——比较轴承抵抗点蚀破坏的承载能力。各种轴承的额定动载荷C值查手册（或轴承样本）确定。额定寿命：按90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数，作为轴承的寿命。2.轴承寿命的计算公式载荷——寿命曲线：0CPP1L(106)LPL=常数曲线方程：PL=常数式中：P——当量动载荷；

L——额定寿命（106转）；

——寿命指数：球轴承：=3

滚子轴承：=10/3按小时计的轴承寿命为：当P、n一定，预期计算寿命L’h选定，则轴承所需额定动载荷为对于高温轴承（温度高于120ºC），因材料、金属组织、硬度等的变化额定动载荷值将降低为：Ct=ftCft——温度系数则上述公式为：3.当量动载荷——进行寿命计算在当量动载荷作用下，轴承寿命与实际复合载荷作用下的轴承寿命相同。对于仅承受径向载荷R的轴承：P=fpR式中：fp——载荷系数。对于仅承受轴向载荷A的轴承：P=fpA对于同时承受径向载荷R及轴向载荷A的轴承：P=fp（XR+YA）式中：X、Y分别为径向载荷系数及轴向载荷系数。查表13-5表13-5径向载荷系数X和轴向载荷系数Y（摘自1989年轴承样本）（续表）4.向心推力轴承的径向载荷R与轴向载荷A的计算1）压力中心的确定在计算向心推力轴承的支反力时，首先要确定载荷作用点——及压力中心的位置。压力中心o与轴承外侧端面的距离a可直接从手册查出。2）安装方式：向心推力轴承一般都是成对使用的，安装方式有两种：o正装（面对面）：压力中心靠近，增加轴系的刚度S1S2Fa反装（背对背）：压力中心远离，增大轴系的跨距（稳定）S1S2Fa径向载荷R：可根据作用在轴上的径向力Fr按平衡条件求出。轴向载荷A：设派生轴向力的方向与外加轴向力Fa方向一致的轴承标号为2，另一轴承标号为1。3）轴承载荷计算当轴向平衡时：Fa+S2=S1当轴向不平衡时：有两种情况符号：S1

、S2——派生轴向力Fa——轴向外载荷，可根据已知条件确定。a)Fa+S2>S1A1=S1+Fb1=Fa+S2A2=S1+Fb1-Fa=Fa+S2-Fa=S212S1S2FaFb1b)Fa+S2<S1A1=Fa+S2+Fb2=

S1A2=S2+Fb2=S1-FaS1S2Fa21Fb2（三）滚动轴承的静强度计算——针对塑性变形

1.额定静载荷C0：受载最大的滚动体与较弱的套圈滚边上产生的永久变形量之和，等于滚动体直径的万分之一时的载荷。（C0值查手册确定）

2.当量静载荷P0

：轴承上作用的径向载荷R和轴向载荷A，应合成一个当量静载荷。P0=X0R+Y0A式中：X0

、Y0—径向载荷系数及轴向载荷系数。求出的值如小于R，则取P0=R

3.静载荷计算公式：C0S0P0

式中：S0——静强度安全系数。13-6轴承组合的设计为了保证轴承正常工作，除了正确选择轴承类型和尺寸外，还应合理地设计轴承组合。在轴承组合设计时，应注意以下几个方面的问题：（一）保证支承部分的刚性和同心度与轴承接触的轴及机壳或轴承座，必须有足够的刚度和同心度，以免因其变形引起轴承提前损坏。

1.机壳及轴承座孔：具有足够的壁厚；缩短其悬臂部分并设置加强筋；对于轻合金或非金属机壳应采用钢或铸铁衬筒。

2.一根轴上的两个轴承座孔，必须保证同心度，应一次镗出；轴承尺寸不同时可加衬筒。（二）便于调整轴承间隙及轴上零件的位置1.轴上零件位置调整靠加减衬筒端面与机件之间的垫片厚度调整。2.轴承间隙调整：面对面安装：通过端盖下的调整垫片；背对背安装：通过圆螺母。（三）滚动轴承的轴向紧固包括轴承内、外圈的紧固和轴的轴向位置的确定。1.轴承内圈的紧固方法（图13-23）

a)弹性挡圈：用于深沟球轴承，所受轴向力不大，转速不高；

b)螺钉及轴端压板：用于高转速及承受大的轴向力；

c)圆螺母及止退垫圈

d)开口圆锥紧定套、止退垫圈和圆螺母：用于光轴，轴向力和转速都不大的球面轴承。内圈的另一端，以轴肩作为轴向定位面。注意：为使端面贴紧，轴肩处圆角<轴承内圈圆角；轴肩高度<轴承内圈厚度。2.轴承外圈的紧固方法（图13-24）

a)弹性挡圈：用于深沟球轴承，所受轴向力不大；

b)止动环嵌入轴承外圈的止动槽内；c)轴承盖：用于高转速及很大轴向力的各类轴承；d)螺纹环：转速高、轴向力大且不宜使用轴承盖紧固的场合。3.轴承的轴向位置确定

a)两端固定（全固式）：用于工作温度不高的短轴；

b)一端固定，一端游动（固游式）：用于工作温度较高的长轴；

c)两端均不固定（全游式）：人字齿轮，本身起相互轴向限位作用；（四）滚动轴承的配合及其选择轴承配合是指内圈与轴颈及外圈与座孔的配合。

1.基准制：因为滚动体为标准件，因此：轴承内孔—轴：基孔制轴承外径—座孔：基轴制

2.转动圈应比不动圈的配合紧些，且转速越高、载荷越大、振动越强烈时，配合应越紧。转动圈与旋转部分的配合：n6,m6,k6,js6不动圈与不动部分的配合：J7,J6,H7,G7

3.剖分式机壳、游动圈或经常拆卸的轴承应选取较松的配合。具体的配合公差、配合表面光洁度和几何形状偏差可按手册确定（五）滚动轴承的预紧

1.预紧的目的：通过消除轴承的侧向游隙，使滚动体与内、外圈接触处产生变形，以提高轴承的旋转精度、刚度、减少振动。2.常用的预紧装置

a)夹紧一对圆锥滚子轴承的外圈而预紧（图13-27a）；

b)用弹簧预紧：可得到稳定的预紧力（图13-27b）；

c)在一对轴承中间装入长度不等的套筒预紧，刚性较大（图13-27c）；

d)夹紧一对磨窄的外圈而预紧（正装）；反装时磨窄内圈。亦可在两个内圈（或外圈）间加装金属垫片而预紧。（六）轴承的润滑1.润滑的目的2.润滑的方法：油润滑、脂润滑与滑动轴承同3.润滑剂及润滑方法的选择一般根据dn值（d——轴承内径，mm；n——轴的转速，rpm）查表13-10确定。表13-3适用于脂润滑和油润滑的

dn值界限

(表值

104)(mm·r/min)润滑油的粘度可根据工作温度及dn值，查图13-28确定，然后，根据粘度查润滑油产品目录选出相应的润滑油牌号。（七）轴承的密封装置

1.密封的目的：阻止灰尘、水、酸及其他杂物进入轴承；阻止润滑剂流失。

2.密封装置：分为两大类：接触式非接触式。1）接触式：在轴承盖内放置软材料与转动轴直接接触密封。脂润滑：用于较低的dn值，不便经常添加润滑剂或不允许使用油润滑的场合，它能承受较大载荷，不易流失，容易密封。油润滑：用于高速、高温、脂润滑不能满足要求时。毡圈密封（图13-30）：结构简单但摩擦严重。用于v<4∼5m/s处，主要用于脂润滑。皮圈密封（图13-31）：安装方便，易于更换。v<10m/s（精车）；v<15m/s（磨光），要求轴颈淬硬，增强耐磨性。密封环（图13-32）：各接触表面均需硬化处理并磨光。注意：安装时密封唇应朝向密封部位。密封唇向内——防漏；向外——防尘；两个相反方向——既防尘又防漏。端面密封：密封环材料：塑料、碳化钨、强化石墨。2）非接触式密封，避免接触处产生滑动摩擦。缝隙密封（图13-33）：间隙为0.1∼0.3mm。用于脂润滑；密封环材料：含铬耐磨铸铁v<100m/s；锡青铜v<60∼80m/s甩油环密封（图13-34）曲路密封（图13-35）例题：13-1

设某支承根据工作条件决定选用深沟球轴承。轴承径向载荷R=5500N，轴向载荷A=2700N，轴承转速n=1250r/min，装轴承处的轴颈直径可在60~70mm范围内选择，运用时有轻微冲击，