第九章　滚动轴承

机械设计教程第3版机械工业出版社第九章滚动轴承第一节滚动轴承的结构、类型和代号第二节滚动轴承的受力、应力分析及其失效形式第三节滚动轴承的类型选择第四节滚动轴承的动态承载能力计算第五节滚动轴承的静态承载能力计算

第一节滚动轴承的结构、类型和代号一、滚动轴承的结构滚动轴承的典型结构如图9-1所示。它是由内圈1、外圈2、滚动体3和保持架4组成的。保持架的作用是把滚动体均匀地隔开。滚动体的形状很多,常见的有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、球面滚子和非对称球面滚子等,如图9-2所示。图9-1滚动轴承的典型结构1—内圈2—外圈3—滚动体4—保持架第一节滚动轴承的结构、类型和代号一、滚动轴承的结构图9-2滚动体的类型a)球b)圆柱滚子c)滚针d)圆锥滚子e)球面滚子f)非对称球面滚子第一节滚动轴承的结构、类型和代号二、滚动轴承的主要类型和性能按滚动体来分,滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承;按滚动轴承能否自动调心,可分为调心轴承和非调心轴承;按滚动轴承的滚动体列数来分,可分为单列、双列和多列轴承;按滚动轴承能承受主要载荷的方向来分,有向心轴承(α=0°)、推力轴承(α=90°)和角接触轴承(0°<α<90°)。α为公称接触角,是指滚动轴承的外圈与滚动体接触点的法线和垂直于轴承轴线平面的夹角。向心轴承主要承受径向载荷;推力轴承主要承受轴向载荷;角接触轴承可以承受径向、轴向联合载荷(接触角α越大,其承受轴向载荷的能力也越大)。为了满足不同的需要,向心角接触球轴承有α=15°(70000C型)、α=25°(70000AC型)和α=40°(70000B型)等多种公称接触角;圆锥滚子轴承的接触角α≈10°~29°。滚动轴承是标准件,在滚动轴承的国家标准中,将滚动轴承分为13种基本类型,表9-1中列出了其中常见的几种。此外,还有附加其他元件如密封盖、紧定套或支承座等的滚动轴承,以及滚针轴承与推力球轴承的组合等。生产滚动轴承的厂商很多,知名品牌及网址参见教材网络资源。第一节滚动轴承的结构、类型和代号二、滚动轴承的主要类型和性能第一节滚动轴承的结构、类型和代号二、滚动轴承的主要类型和性能第一节滚动轴承的结构、类型和代号二、滚动轴承的主要类型和性能第一节滚动轴承的结构、类型和代号三、滚动轴承的代号滚动轴承的类型很多,同一种类型又有不同的结构、尺寸和公差等级区别,为了便于制造、标记和选用,GB/T272—2017和JB/T2974—2004中规定了滚动轴承代号表示方法。轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号组成,其含义见表9-2。第一节滚动轴承的结构、类型和代号三、滚动轴承的代号1.基本代号基本代号表示滚动轴承的类型、内径、直径系列和宽度(或高度)系列。(1)内径代号

用基本代号右起第一、第二位数字表示。内径d=10~480mm(其中22、28、32mm除外)的常用轴承,其内径表示方法见表9-3。内径小于10mm和大于500mm的轴承的内径代号另有规定,见滚动轴承标准GB/T272—2017。(2)尺寸系列代号对于同一内径的轴承,为了能适应不同承载能力、转速或结构尺寸的需要,采用不同大小的滚动体可以制成不同外径和宽度(对于推力轴承则为高度),以基本代号右起第三(直径系列)、第四位数字(宽度系列,0表示正常系列,可省略)代表外廓尺寸系列。结构相同、内径相同,直径系列不同,轴承的宽度、直径和额定动载荷不同,如图9-3所示。(3)类型代号从基本代号右起第五位起,用1位或2位数字,或拉丁字母表示轴承的类型。常用轴承类型代号见表9-1。第一节滚动轴承的结构、类型和代号三、滚动轴承的代号第一节滚动轴承的结构、类型和代号三、滚动轴承的代号2.前置代号前置代号表示成套轴承的分部件,用拉丁字母表示,代号及其含义见滚动轴承标准。3.后置代号后置代号是轴承在内部结构、密封防尘与外部形状、轴承零件材料、保持架及其材料、公差等级、游隙、成对轴承在一个支点处配置方式等有变化时,在基本代号后面所加的补充代号。后置代号用拉丁字母(或加数字)表示,代号及其含义见滚动轴承标准。公差等级代号表示轴承制造的精度等级,分别用/P0(为普通级精度,可省略)、/P6x、/P6、/P5、/P4、/P2表示,精度按以上次序由低到高。游隙代号:轴承游隙是轴承滚动体与轴承内外圈之间的间隙。代号有C2、CN、C3、C4、C5、CA、CM及C9等,具体含义可查看GB/T272—2017。例题9-1某轴承代号为16008,试判断它的类型、内径尺寸、公差等级和游隙组别。解:查表9-1和表9-3,或查滚动轴承标准,可知各数字(自右至左)代号的含义如下:

08——内径代号,内径d=8×5mm=40mm;0——外廓尺寸系列代号(外径和宽度都是较小的一种),其中特宽系列代号“0”省去不写;16——类型代号,16代表深沟球轴承的一种。无后置代号,说明该轴承公差等级为0级,径向游隙为0组。第二节滚动轴承的受力、应力分析及其失效形式

以只承受径向载荷FR的深沟球轴承为例,设有半圈滚动体承载,如图9-4所示。承载区内各位置的滚动体所承受的载荷大小是不同的,因而处于各位置的滚动体与内、外圈之间的接触应力也是不同的。若轴承外圈固定,内圈旋转,外圈承载区上某点接触应力都受脉动循环接触应力。在安装、润滑、维护良好的条件下,由于受变化的接触应力,滚动轴承的正常失效形式是滚动体、内外圈滚道点蚀,故大多数的滚动轴承按动态承载能力来选择其型号,即计算滚动轴承不发生点蚀前的疲劳寿命。如果滚动轴承不转动、低速转动(n≤10r/min)或摆动,则一般不会发生疲劳破坏,这时,轴承元件的主要失效形式是塑性变形。因此,应按静态承载能力来选择轴承的尺寸(型号)。此外,工作环境恶劣(如多灰尘、酸碱腐蚀性介质等)、密封不好、润滑不良、安装使用不当或高速重载等原因,也可能引起轴承发生过度磨损、化学腐蚀、元件碎裂或胶合而失效。不过,对这些失效形式,只要在设计和使用时注意防止,还是可以避免的。第二节滚动轴承的受力、应力分析及其失效形式图9-4轴承的受力和应力图a)轴承受力图b)滚动体上某点的应力图c)内圈上某点的应力图d)外圈上某点的应力图第三节滚动轴承的类型选择

在设计机械时,滚动轴承的合理选择是重要的一环。首先选择轴承的类型,然后选择轴承尺寸,即型号。滚动轴承的类型选择可参考表9-4。第四节滚动轴承的动态承载能力计算一、滚动轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命滚动轴承的寿命是指轴承中任意元件出现疲劳点蚀前的总转数,或在一定转速下的工作小时数。由于制造精度、材料均质等差异,即使同样材料、型号及同一批生产的轴承在同一条件下工作,其寿命也是非常离散的。轴承的可靠度与寿命的关系大致可描绘成图9-5所示的曲线。滚动轴承的基本额定寿命是指同一批轴承,在同一条件下,其中10%的轴承产生疲劳点蚀,而90%的轴承不产生疲劳点蚀时,轴承所转的总圈数(用L10表示),或在一定转速下的工作小时数(用Lh表示)。滚动轴承在基本额定寿命L10恰好等于106r(转)时所能承受的载荷,称为基本额定动载荷,用C表示。对于向心轴承,标记为Cr;对于推力轴承,标记为Ca。对于向心轴承Cr值是平稳的纯径向载荷;对于推力轴承Ca是平稳的纯轴向载荷;对于角接触轴承,基本额定动载荷是特定条件下载荷的径向或轴向分量。图9-6所示的6208型轴承的基本额定动载荷Cr=29.5kN。C值与滚动轴承的类型、材料、尺寸等有关。各种型号轴承的Cr和Ca值在滚动轴承样本和机械设计手册中均可查得。第四节滚动轴承的动态承载能力计算一、滚动轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命图9-5轴承寿命分布曲线第四节滚动轴承的动态承载能力计算一、滚动轴承的基本额定动载荷和基本额定寿命图9-6轴承(6208型)载荷-寿命曲线第四节滚动轴承的动态承载能力计算二、寿命计算

第四节滚动轴承的动态承载能力计算二、寿命计算

第四节滚动轴承的动态承载能力计算三、滚动轴承当量动载荷P的计算滚动轴承实际运转时所受的载荷性质和工作条件与试验时的载荷性质和工作条件一般不完全一致。当实际载荷是既有径向载荷又有轴向载荷的联合载荷时,必须把它们换算成纯径向载荷值或纯轴向载荷值,才能和基本额定动载荷C相比较。换算后的载荷是一个等效的假想载荷,称当量动载荷P。通过大量的试验研究和理论分析,人们研究了径向载荷FR和轴向载荷FA联合作用时对轴承寿命的影响,并建立了滚动轴承当量动载荷的计算公式如下:P=XFR+YFA(9-5)式中,FR为径向载荷;FA为轴向载荷;X为径向系数,其值查表9-7;Y为轴向系数,其值查表9-7。在应用表9-7查X、Y时,对于一些轴承需要先确定系数e,它是表征轴向载荷对向心轴承受力影响的判别系数,其数值与轴承的类别和实际接触角有关。深沟球轴承(公称接触角α=0)和公称接触角较小(α=15°)的角接触球轴承的实际接触角随实际轴向载荷FA的增大而增大。所以,可以按iFA/C0r或f0FA/C0r来确定判别系数e。C0r是滚动轴承的额定静载荷,i是滚动体的列数,f0是基本额定静载荷的计算系数,与滚动体的列数、滚动体直径和滚动体个数有关,详见GB/T4662—2012。滚动体直径和滚动体个数可以查阅滚动轴承产品样本。表9-7中的X、Y值还与FA/FR≤e和FA/FR>e有关。例如,当FA/FR≤e时,表明轴向载荷FA对向心单列轴承寿命的影响很小或可不计。第四节滚动轴承的动态承载能力计算三、滚动轴承当量动载荷P的计算第四节滚动轴承的动态承载能力计算三、滚动轴承当量动载荷P的计算注:表中圆锥滚子轴承和调心球轴承,有的机械设计手册或产品样本没有列出接触角α,而是直接给出e值和Y值。第四节滚动轴承的动态承载能力计算四、角接触轴承和轴向载荷FA的计算为了计算滚动轴承的当量动载荷,须按力学方法计算轴承所受的径向载荷FR和轴向载荷FA。但是在计算圆锥滚子轴承(30000型)和角接触球轴承(70000型)所承受的载荷时,要注意两点:第一,由于这两种轴承结构上的原因,在支撑轴时,它的支反力作用点不在轴承宽度B的中点,而在各滚动体的法向载荷作用线与轴线的交点O,如图9-7所示。点O称为载荷作用中心,点O到轴承外侧面的距离a,可从滚动轴承样本或《机械设计手册》中查到。第二,它们承受径向载荷FR时,各承载的滚动体均产生派生轴向力Fsi。总派生轴向力等于各滚动体派生轴向力之和,即Fs=∑Fsi。派生轴向力Fs经验计算公式见表9-8,Fs的方向如图9-7所示。第四节滚动轴承的动态承载能力计算四、角接触轴承和轴向载荷FA的计算图9-7角接触轴承载荷第四节滚动轴承的动态承载能力计算四、角接触轴承和轴向载荷FA的计算第四节滚动轴承的动态承载能力计算四、角接触轴承和轴向载荷FA的计算图9-8a、b所示为成对使用的角接触球轴承的两种安装方式,其中图9-8b所示为正装(或称“面对面”安装),图9-8a所示为反装(或称“背靠背”安装)。图9-8c、d所示分别为图9-8a、b所示的受力简图。Fa和Fr是作用在轴上的外载荷,FR1、FR2分别是轴承1和轴承2的径向支反力,Fs1、Fs2分别是轴承1和轴承2的派生轴向力。以图9-8a、c为例,若Fa+Fs2≥Fs1时,轴(连同轴承内圈和滚动体)有向左移动的趋势。轴承1被“压紧”,而轴承2被“放松”。被“压紧”的轴承轴向力等于其余轴向力之和;被“放松”的轴承轴向