第16章滚动轴承(机械设计基础)

滚动轴承是机器中广泛应用的部件之一,依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易，安装、维修方便，价格便宜。滚动轴承大多已标准化，由专门工厂大量制造和供应。第16章滚动轴承

设计中只需根据工作条件选用合适的滚动轴承，做必要的计算，并进行组合结构设计。设计实例

图示为一混砂机传动机构，减速器输入轴轴颈直径d=40mm，传递的转矩T＝1000N.m，转速n=483n/min，其V型带传动水平布置，压轴力Q＝3000N，其上小齿轮d1=132.992mm，b1=120mmβ1=12010’38”。轴为45号钢，其支承跨距如图所示。试为输入轴选择合适的轴承，要求预期寿命10年。n工况分析：设计应解决的主要问题：2.转速不高；3.同时承受径向和轴向载荷。1.轴承受冲击载荷；1.选择轴承；2.载荷计算；3.寿命计算等。滚动轴承的构造材料优缺点要求：了解滚动轴承的构造、材料和优缺点。概述.1构造概述标准件第16章滚动轴承(RollingBearing)

Innerring

Outerring

Rollingelementcage

滚动体

核心元件

滚动体有：球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子内圈、外圈、滚动体－铬锰高碳钢，如GCr15、GCr15SiMn，淬火后硬度不低于61HRc～65HRc，保持架：低碳钢、铜合金、铝合金或工程塑料。2材料

1、摩擦系数小，起动灵活，效率高，润滑方便；2、轴向结构紧凑；3、可同时承受径向和轴向载荷；4、不需要贵重金属；5、易于互换。优点：1、抗冲击能力差；2、高速时噪声大；3、不能制成剖分式；4、径向尺寸较大；5、工作寿命较低。缺点：滚动轴承的分类常用类型、性能、特点类型的选择要求：掌握滚动轴承的类型、特性，合理选择滚动轴承的类型。16.1滚动轴承的类型和特点接触角：16.2滚动轴承的类型和选择角偏斜：极限转速：(TypesofRollingBearingsandBearingSelection)术语套圈与滚动体接触处的法线和垂直于轴承轴心线的平面间的夹角。由于轴承安装误差、轴的变形，导致内外圈中心线之间偏斜。套圈16.1.1类型1、分类向心轴承（00≤α≤450）推力轴承（450

<α≤900）径向接触轴承（α=00）向心角接触轴承（00<α≤450）推力角接触轴承（450<α<900）轴向接触轴承（α=900）R实际工况对滚动轴承提出的性能要求：1.转速高低；2.承载能力的大小；3.承受冲击载荷；4.承受何种载荷（方向：纯轴向、径向或复合载荷）；5.轴承能自动适应角偏斜；6.装拆方便；7.环保性等。2、常用类型、性能、特点表16.2类型代号、承载大小和载荷方向、性能特点、极限转速

球轴承

滚子轴承深沟球轴承(6)圆柱滚子轴承(N)

角接触球轴承(7)圆锥滚子轴承(3)

推力球轴承(5)推力滚子轴承(8)

调心球轴承(1)调心滚子轴承(2)

滚针轴承特殊轴承2、常用类型、性能、特点α＝0：6（深沟球轴承）2、常用类型、性能、特点圆柱轧机轴承N（圆柱滚子轴承）6（深沟球轴承）(Deepgrooveballbearing)N（圆柱滚子轴承）16.2.1类型径向、双向轴向载荷(不大);高速:可代替推力轴承承受纯轴向载荷。只能承受径向载荷；可分离轴承，只允许有很小角偏斜。4（双列深沟球轴承）刚性较6类好16.2.1类型7（角接触球轴承）3（圆锥滚子轴承）同时承受较大的径向和轴向载荷，成对使用，面对面或背靠背装。角接触轴承的安装5（推力球轴承）18.2.1类型8（推力圆柱滚子轴承）只能承受单向轴向力，用于低速。5

双向推力球轴承轴圈轴圈座圈1（调心球轴承）外圈滚道为球面，具有自动调心性能。

18.2.1类型2(调心滚子轴承)2（9）推力调心滚子轴承

可以承受很大的轴向载荷和一定的径向载荷。滚子为鼓形，外圈滚道为球面，能自动调心，允许轴线偏斜1.5°～2.5°，常用于水轮机轴和起重机转盘等.U（外球面球轴承）QJ（四点接触球轴承）特殊轴承：带座外球面球轴承剖分式特大型轴承特殊轴承：不锈钢轴承重载、低温、无润滑工况而开发。主要用途●医疗器械●低温工程●光学仪器●高速机床●高速电机●印刷机械●食品加工机械陶瓷轴承其他轴承：防静电滚动轴承图中为6317绝缘轴承，用于防静电的技术领域。16.1.2类型的选择1.载荷(大小、性质、方向)，转速；2.调心性；3.

装拆方便、调整方便；4.经济性；5.轴和座孔的刚度。类型选择时应考虑的要求：表16.1球轴承和滚子轴承的一般特性比较

1.载荷大小性质，转速高低高速轻载，要求旋转精度高选球轴承低速重载，有冲击载荷选滚子轴承项目球轴承滚子轴承负荷较小负荷大负荷转速高速较低速摩擦小较大耐冲击性较小较大2．载荷的大小、方向(1)受纯径向载荷：

一般选用深沟球轴承（6）或圆柱滚子轴承（N）(2)受纯轴向载荷：一般选用推力轴承（5、8）(3)同时受径向和轴向载荷：一般可选用（7、3）轴向载荷较大、径向载荷较小推力角接触球轴承或深沟球轴承和推力轴承的组合结构。径向载荷较大、轴向载荷较小深沟球轴承（6）；5.经济性3.调心性4.装拆方便、调整方便6.轴和座孔的刚度。选调心球轴承（1）或调心滚子轴承（2）可分离轴承一般结构的球轴承刚度大的轴承16.2滚动轴承的代号

国家标准GB/T272-93:

代号表示:轴承结构、尺寸、公差等级、技术性能等特征.前置代号

基本代号

后置代号轴承代号的基础轴承代号的补充16.2.1基本代号

1、内径代号表示轴承公称内径的大小，用数字表示，见表18.3基本代号类型代号尺寸系列代号内径代号表18.1轴承内径代号公称内径d/mm内径代号代号示例1000620112016——深沟球轴承15022—尺寸系列代号（0）2170301——d=12mm

20~48004~96N2208

代号乘以5即N—圆柱滚子轴承为内径d,mm22—尺寸系列代号

08—d=40mm

>=500直接用内径尺寸230/500，62/22，618/2.522,28,32毫米数表示，2、6—轴承类型

1~9（整数）与尺寸系列代号用30、(0)2、18—尺寸系列代号

0.6~10（非整数）“/”分开500、22、2.5——内径

2、尺寸系列代号直径系列宽度或高度系列

尺寸系列----内径相同可具有不同的外径

同样的外径又有不同的宽度（或高度）表18.2滚动轴承的尺寸系列代号直径系列代号外径9－091929394959690－001020304050601－0111213141516128202122232425262向心轴承宽度系列代号（宽度）80123456例18-1轴承23224内径代号，d=120mm尺寸系列代号类型代号，调心滚子轴承。62/28；230/5053、类型代号用数字或字母表示不同类型的轴承，见表18.1。1、内部结构代号16.2.2前置代号用字母表示。具体见手册16.2.3后置代号8组，常用的后置代号有：具体见手册，主要掌握：1）圆锥滚子轴承：30000(α=10°~18°)→30000B(α=27°~30°大锥角)2）角接触球轴承：70000C（α=15°）

70000AC（α=25°）

70000B（α=40°）3）E：加强型,N207E/P0、/P6、/P6X、/P5、/P4、/P2，/P0可省略不写。如6316/P62、公差等级代号3、游隙代号

/C1、/C2、－/C3、/C4、/C5，1、2、0、3、4、5组，0组不注16.2.3后置代号高游隙—轴承未安装于轴或轴承箱时，将其内圈或外圈的一方固定，然后使未被固定的一方做径向或轴向移动时的移动量。根据移动方向，可分为径向游隙和轴向游隙。大4、配置代号有时轴承需成对安装。举例：面对面（/DF）背对背(/DB) 串联(/DT)如：32208/DF其他查阅标准表示轴承内径

8

5=40mm

深沟球轴承尺寸系列0233315E轴承内径

15

5=75mm

圆锥滚子轴承尺寸系列33加强型6208-2Z/P6防尘罩6级一、失效形式及计算准则

一般回转轴承低速或摆动轴承多尘条件下的轴承

工作条件：失效形式：疲劳点蚀塑性变形磨粒磨损其他失效形式

粘着磨损高速轴承16.3滚动轴承的选择计算计算准则

1、一般工作条件的回转轴承：接触疲劳寿命计算和静强度计算。2、摆动或转速较低的轴承：只需作静强度计算。3、高速轴承：

接触疲劳寿命计算、静强度计算核验极限转速。基本额定寿命二.轴承寿命：瑞典科学家G.Lundberg和A.Palmgren滚动接触疲劳理论

一批相同轴承(常用材料、加工质量）常规条件下运转，其中10%的轴承发生疲劳点蚀前运转的总转数（L10）或一定工作转速下工作的小时数（L10h）

基本额定动载荷:一百万转（106）时轴承所能承受的最大恒定载荷。基本额定动载荷（C、Cr、Ca）：

寿命与载荷的关系曲线如图rh

工程中常用小时数表示寿命：

若已知P、预期寿命,求C：N三、当量动载荷基本额定动载荷（C、Cr、Ca）：

C=CrC=Ca例题16-3组合结构设计包括：1）轴承的固定；2）轴承与相关零件的配合；3）轴承的润滑与密封；4）提高轴承系统的刚度。16.5滚动轴承的组合结构设计有两种：一、轴承固定的方式1．两端单向固定2.一端双向固定、一端游动16.5.1轴承固定的方式1．两端单向固定12FA间隙量常用垫片或调整螺钉调节。(1)每个支点限定一个方向运动;(2)温度补偿间隙0.2~0.4mm(3)适用小跨度、温升小轴2、一端双向固定、一端游动

长轴（L>350mm)或工作温度较高时，轴的热膨胀收缩量较大。121、间隙调整2、预紧3、组合位置调整二、轴承组合的调整

预紧－对某些可调游隙式轴承，安装时给予一定的轴向压紧力，使内外圈产生相对位移而消除游隙，并在套圈与滚动体接触处产生弹性预变形。向心角接触轴承预变形预紧轴承带负游隙运行↑轴承刚度、↑旋转精度、↑轴承寿命。2、轴承预紧三、滚动轴承的配合

配合要求:基准制，以标准件为基准。（1）转动圈（内圈）配合紧，n6,k6（2）固定圈（外圈）配合松，H7,J7（3）游动端外圈与孔配合松-有利于轴向移动轴承不标注，标注与其配合件的公差。Φdk6ΦdH71）尺寸大、载荷大、振动大、转速高或工作温度高等———紧一些的配合；2）常拆卸或游动套圈——较松的配合。四、轴承的装拆3）与轴承相配合的轴与孔：较高的加工精度，形位公差要求。P391、表18.15

原则：

一般用轴肩或套筒

内圈的轴向固定：

轴承轴上的定位、固定：轴端挡圈、圆螺母、轴用弹性挡圈等结构。

定位端面与轴线保持良好的垂直度

轴肩圆角半径r1<轴承的圆角半径r

轴肩的高度≤内圈高度的3/4，过高不便于轴承拆卸。轴承内圈、外圈定位方法

1、作用点各滚动体的载荷矢量（公法线）与轴中心线的交点。3，7类四、角接触轴承中的内部轴向力α

α受径向载荷Fr时，

Fs方向：

由轴承外圈的宽边指向窄边2、内部轴向力

1）方向

各种角接触轴承：70000C70000AC70000B300003类：7类：=Fs=FsFsFsFsFsFsFs简化画法3）轴承的简化画法与内部轴向力的标注正安装3角接触轴承载荷计算21Fs1Fs2FAFs1FAFs212Fs21轴向载荷计算1、正装（面对面）FS2/合力向右，右轴承被“压紧”，左轴承被“放松”。被“压紧”轴承：轴平衡条件：被“放松”轴承：1、正装（面对面）FS1/合力向左，左轴承被“压紧”，右轴承被“放松”。轴平衡条件：被“压紧”轴承：被“放松”轴承：轴受力平衡，各个轴承所受的轴向力=本身的附加轴向力。2、反装（背靠背）合力向左，右端轴承被“压紧”，左端轴承被“放松”。FS1FS2FA计算轴向力的方法归纳如下：1)判明轴上全部轴向力合力的指向“压紧”端轴承；2)压紧端轴承轴向力＝除本身内部轴向力外其他所有轴向力的代数和；3)放松端轴承轴向力＝本身的内部轴向力。7210AC:FR=2000N,FA=320N求两轴承的轴向力。例题：解：1.求轴承的径向负荷Fr3.判明合力的指向，确定压紧和放松轴承，求各个轴承的轴向载荷Fa2.求附加轴向力FSFRFs2LL12FS1FA18.5滚动轴承的动载荷和寿命计算概念：1.基本额定寿命2.基本额定动载荷3.当量动载荷计算：1.当量动载荷计算2.基本额定寿命计算7210AC:FR=2000N,FA=320N求1)两轴承的轴向力;2)计算P1,P218.4.3角接触轴承载荷计算练习：FRFs2LL12FS1FA

例题.一斜齿轮轴，用一对滚动轴承支承，轴承所受的当量动载荷P=6000N，工作转速n=1450r/min，轴颈直径d=40mm,若轴承的预期寿命为6000h，试选择合适的轴承.解：1.预选轴承的代号，进行寿命验算2.将预期寿命代入，求Cr，选轴承代号例18.1：P376例2:齿轮减速器的高速轴用一对深沟球轴承支承，径向力可靠度90％，脂润滑。试选择轴承型号。，轴向载荷Fa=2500N，有轻微冲击。转速，d≥70mm，预期寿命5000h，分析：思路一

思路二：滚动轴承寿命计算方法18.5.4不稳定载荷下的轴承寿命计算（P379）18.5.5修正额定寿命18.6滚动轴承的静载荷计算18.6.1基本额定静载荷（C0r，C0a）

轴承受载最大的滚动体与滚道接触中心处引起以下接触应力时所相当的假想径向载荷或中心轴向静载荷：调心球轴承－4600MPa，所有球轴承－4200MPa，所有滚子轴承－4000MPa18.6.2当量静载荷实际受载：径向+轴向向心轴承α＝0的向心轴承（如N类，滚针轴承）18.6.2当量静载荷α=900的推力轴承的推力调心滚子轴承，当时18.6.3静载荷计算安全系数见表18.13、18.14。1.)固定端用一个7类、或3类轴承，可行？2.）固定端轴承配置方式？12固定端：承受双向轴向力（6；一对3、7类；向心推力组合）3、两端游动与其相啮合的齿轮轴系：两端单向固定（保证两轴都得到轴向定位）用于需左、右双向游动的轴，如人字齿轮的小齿轮轴。

人字齿轮传动的高速主动轴，为自动补偿轮齿两侧螺旋角的误差，使轮齿受力均匀.

与其相啮合的低速齿轮轴系则必须两端固定，以便两轴都得到轴向定位。3、两端游动18.9.1轴系支点固定的结构型式2、选择合理的轴承安装方式悬伸端：反安装时，刚度↑两轴承间：正安装时，刚度↑4、机架上安装轴承处加筋或增加厚度。5、一根轴上，两个轴承尽量取同一型号；若型号不同，则在小外径轴承外加一套圈，保证相同孔径，以便一次镗出，保证同心度。18.10滚动轴承的润滑与密封18.10.1滚动轴承的润滑1.润滑目的：1)降低摩擦阻力和减轻磨损;2)吸振、冷却、防锈和密封等。提高轴承性能，延长使用寿命。2.润滑材料:d为轴颈直径，mm；n为工作转速，r/min。

润滑方式可根据速度因素dn值，参考表18.17选择。目的：防止润滑剂中脂或油的泄漏，而且还要防止有害异物从外部侵入轴承内。18.10.2滚动轴承的密封

接触式密封和非接触式密封两大类。非接触式密封不受速度限制。接触式密封只能用在线速度较低的场合，为保证密封的寿命及减少轴的磨损，轴接触部分的硬度应在HRC40以上，表面粗糙度宜小于Ra1.60μm～Ra0.80um。密封按照其原理不同可分为常见密封装置的结构和特点见表18.18。正安装：外圈窄边相对反安装：外圈宽边相对圆柱滚子轴承关节轴承可承受径向负荷、轴向负荷或径向、轴向联合负荷。有较大的载荷能力与抗腐蚀、耐磨损、自调心、润滑好和自润滑、防污物的特点。关节轴承可广泛应用于农业机械、工程机械、矿山机械、冶金机械、动力机械等行业。

深沟球轴承角接触球轴承单列推力球轴承推力调心滚子轴承圆锥滚子轴承圆柱滚子轴承深沟轴承角接触球轴承单列推力球轴承返回径向游隙组:

(游隙小)1、2、0、3、4、5（游隙大）标注方法：

/C1、/C2、（0组常用，不标注）、/C3、/C4、/C5

内部载荷分布纯轴向载荷：滚动体均匀受载受径向载荷：滚动体受载不均（承载与非承载区）轴承元件上的应力-变应力滚动轴承的失效形式内圈滚道磨损滚动体点蚀内圈滚道点蚀图示，轴支承在一对7209AC上，FR＝3000N，FS＝0.7Fr。求：1）两轴承各受多大径向力和轴向力。

2）哪个轴承寿命低？为什么？（轴系两端单向固定）1）Fs1Fs2合力向左，轴与内圈有向左移动的趋势，轴承2被压紧，轴承1放松，由力的平衡两轴承C、

相同，L2>L1，轴承1寿命低。Fa2/Fr2=2.8>e,X2=0.41,Y2=0.87;P2=fd(x2Fr2+Y2Fa2)=2846N2)Fa1/Fr1=e,X1=1,Y1=0;P1=fd(x1Fr1+Y1Fa1)=4000N轴向载荷计算轴承1被压紧，轴承2被放松则Fa1=FA+FS2

（Fs2+Fa>Fs1）Fa2=FS2

结论：1.“放松”轴承的轴向力等于其内部轴向力；

2.“压紧”轴承的轴向力等于除本身附加轴向力外，其它外力的代数和。

轴承2被压紧，轴承1

被放松则Fa1=FS1

(Fs2+Fa<Fs1)

Fa2=FS1-FA

FRFAFr1FS1FS22

1

Fr2一滚子轴承，问：1).P变为2P，L10有何变化？2).C变为2C,L10有何变化？

3)n变为2n时,L10有何变化?4)如果同时将P变为2P，n变为2n时

解:1)P变为2P6208-2Z/P6内径代号，d=40mm尺寸系列代号公差等级6级轴承两端面带防尘罩类型代号，深沟球轴承滚动轴承寿命计算方法：3新的计算方法1、传统方法

2修正计算方法滚动轴承寿命计算方法：1、传统方法建立在瑞典科学家G.Lundberg和A.Palmgren的滚动接触疲劳理论基础上的,

方法规定：轴承或轴承组的基本额定寿命为可靠度90%时的寿命,它是轴承工作表面出现疲劳剥落之前所完成的工作转数,或一定转速下的工作小时数来计算。2修正计算方法

20世纪60－70年代，应用实践证实：试验所确定的轴承实际寿命与计算寿命出入很大。因此,对兰德贝格－帕尔姆格林理论进行了补充,而C值大大提高,（理由:轴承生产中已采用组织均匀、非金属夹杂物含量极少的优质钢）;通过轴承可靠性统计数据的积累,能将轴承寿命与其破坏概率(以%计)联系起来;接触－流体动力学润滑理论有了发展,而该理论能够分析评价润滑材料性能对轴承寿命的影响。修正寿命理论引入了三个修正系数:

可靠度系数、材料系数、工作条件系数。

采用修正寿命计算方法可缩小计算数据与试验数据的差距。但在下述情况下,它们之间的差别仍然很大。

第一,载荷较小时,从已达到的实际试验时数来看,轴承的实际寿命已超过计算寿命,而试验终止时轴承并未破坏；

第二,污染严重时,轴承疲劳破坏寿命要比计算结果大为缩短,或磨粒磨损严重。因此,有必要对修正计算方法进行补充。新的修正理论引入了系数aSKF,综合考虑了原修正理论中的后两修正系数,此外还考虑到润滑剂中的杂质因素和轴承的疲劳载荷极限Pu。其计算式为:3新的计算方法第16章轴小结:（1）根据机械传动方案和整体布局，拟订轴上零件的布置方案和装配方案；（2）选择轴的材料；（3）轴的结构设计；（4）轴的强度（必要时进行刚度）计算，并结合有关影响因素修改设计；（5）完成轴的零件工作图.轴的设计轴的材料、失效形式、结构设计、强度计算等设计步骤为：1（调心球轴承）外圈滚道为球面，具有自动调心性能。

18.2.1类型2(调心圆柱滚子轴承)角接触滚动轴承寿命计算小结：1、求支反力（力平衡、力矩平衡）Fr1、Fr2；2、求附加轴向力Fs1、Fs2(对3类：Y取时值)3、根据轴承安装方式及合力的指向判定“压紧”、“放松”端，求出Fa1、Fa2；4、根据？：是—X、Y查表，否—X=1、Y=0？：是—X、Y查表，否—X=1、Y=0，取装拆：温差法与压入法装拆（1）温差法：加热轴承或冷却轴（2）压入法装拆：专用工具，正确施压基本要求1.掌握角接触轴承中的附加轴向力的计算;2.掌握角接触轴承载荷计算;3.掌握滚动轴承的失效形式、计算准则;4.理解基本额定寿命、基本额定动载荷、当量动载荷等基本概念;