机械基础 课件 模块八任务二 轴承

课程导入：滚动轴承应用非常广泛。模块八轴系零部件

任务二

轴承动车用滚动轴承风电主轴轴承我国轴承发展历史：距今8000年的跨湖桥文化遗址出土的木质陶轮底座（上放陶轮转盘）清朝时期滚子轴承秦(公元前221-206)、汉朝具有雏形结构的轴承浑仪（主要用于天象观测的仪器）北魏慢轮装置（带轴的轮子）近代中国第一套国产轴承的诞生（上海“1308”双列调心球轴承。产品品牌为SRF）教学目标知识目标1.掌握滚动轴承的类型、代号的含义。2.掌握滚动轴承的选择。3.掌握滚动轴承的组合设计。4.掌握滚动轴承的失效形式及计算准则。5.掌握滚动轴承的寿命计算。6.掌握角接触轴承轴向力的计算。7.掌握滚动轴承静强度的计算。8.掌握滚动轴承的润滑与密封。9.了解滑动轴承的特点、类型及应用。10.掌握轴瓦的结构与材料的选择。11.掌握滑动轴承的失效形式与润滑。能力目标1.能正确选择滚动轴承。2.能对滚动轴承的组合进行设计。3.能分析并计算滚动轴承的寿命。4.能分析并计算角接触轴承的轴向力。5.能对滚动轴承进行静强度计算。6.能正确选择滚动轴承的润滑与密封方式。7.能设计轴瓦的结构并进行材料的选择。素养目标1.培养学生科技报国的家国情怀和工匠精神，激发学生诚朴创新的使命担当和进取精神。2.培养学生标准意识和规范意识；3.培养学生严谨细心、爱岗敬业、精益求精的工匠精神。1.滚动轴承的类型与代号2.滚动轴承的选择3.滚动轴承的组合设计4.滚动轴承寿命的计算5.角接触轴承轴向力的计算6.滚动轴承静强度的计算7.滚动轴承的润滑与密封8.滑动轴承轴瓦的结构与材料9.滑动轴承的失效形式与润滑【学习重点与难点】【相关知识】一、轴承的功用和分类

轴承主要起支承轴和轴上零部件的作用，同时能保持轴的旋转精度和减少轴与支承间的摩擦及磨损。

根据摩擦性质不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。二、滚动轴承

滚动轴承都已标准化。（一）滚动轴承的结构和材料

滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。

滚动体有多种形式，常用的滚动体有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等，如图所示。滚动体的形式

滚动轴承的内圈、外圈和滚动体均采用强度高、耐磨性好的铬锰高碳钢制造，常用材料有GCr15、GCr15SiMn等。淬火后硬度可达60HRC以上。保持架多用低碳钢或铜合金制造，也可采用塑料或其他材料。（二）滚动轴承的类型1.按滚动体种类分

按滚动体的种类可分为球轴承和滚子轴承。2.按承载方向（公称接触角）分

滚动体与轴承圈滚道接触处的法线方向与轴承径向平面（垂直于轴线的平面）之间的夹角称为公称接触角，简称接触角。接触角越大，轴承承受轴向载荷的能力越强。轴承按承受载荷方向（公称接触角）的分类见表8-6。3.按调心能力分

按滚动轴承工作时能否调心可分为调心轴承和刚性轴承。4.按滚动体列数分

按滚动体的列数可分为单列轴承、双列轴承和多列轴承。常见滚动轴承的主要类型、特性及应用见表8-7。表8-7滚动轴承的主要类型、特性及应用续表8-7滚动轴承的主要类型、特性及应用续表8-7滚动轴承的主要类型、特性及应用（三）滚动轴承的代号

GB/T272—1993规定了滚动轴承代号的结构及表示方法。滚动轴承代号的构成见表8-8。表8-8滚动轴承代号的构成1.基本代号

基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，由轴承的内径、直径系列、宽度（高度）系列和类型构成。（1）内径代号

用基本代号右起的第一、二位数字表示。常用内径代号的含义见表8-9。对于内径小于10mm和大于500mm的轴承表示方法，可参阅GB/T272-1993。（2）尺寸系列代号

用基本代号右起第三、四位数字表示，包括直径系列代号和宽度（高度）系列代号。①直径系列代号

用基本代号右起第三位数字表示。直径系列是表示内径相同而外径与宽度不同的轴承系列。其表示见表8-10。②宽度（高度）系列代号

用基本代号右起第四位数字表示。宽度（高度）系列是表示内径、外径相同的轴承，而宽度（高度）不同。对向心轴承，配有不同宽度的尺寸系列；对推力轴承，配有不同高度的尺寸系列。其表示见表8-10。注意：当宽度系列为0系列时，对多数轴承在代号中不标出宽度系列代号0，但对于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承，宽度系列代号应标出。（3）类型代号（见表8-7）

用基本代号右起第五位数字或字母表示。表8-7中列出了常见的类型代号。类型代号为“0”时省略不标。2.前置代号：在基本代号段的左侧用字母表示。3.后置代号：在基本代号段的右侧用字母或字母加数字表示，与基本代号相距半个汉字距离（代号中有“—”“/”符号的除外）。

滚动轴承内圈相对外圈（或相反）沿径向或轴向可移动的最大距离，称为轴承的径向或轴向游隙，常用轴承径向游隙分1组、2组、0组、3组、4组、5组共6个组别，依次由小到大。其中，0组为常用游隙组别，在代号中不标注，其余的游隙组别分别用/C1、/C2、/C3、/C4、/C5表示。当公差等级和游隙组别代号需同时标注时，可进行简化，取公差等级代号加上游隙组号（0组不表示）组合表示，如：/P52表示轴承的公差等级为5级，径向游隙为2组。游隙代号：（四）滚动轴承的选择1.类型选择

选择滚动轴承类型时，应根据轴承的工作载荷（大小、方向和性质）、转速、轴的刚度及其他要求，结合各类轴承的特点进行。可按以下原则进行选择：（1）球轴承的抗冲击能力弱，极限转速较高，价格便宜，故当轴承的工作载荷较小，转速较高，载荷较平稳时，选用球轴承较为合适。滚子轴承的承载能力和抗冲击能力较强，但极限转速和旋转精度不如球轴承，适用于两轴孔能严格对中，载荷较大或受冲击载荷的中、低速轴。（2）根据载荷方向选择轴承时，除只承受径向或轴向载荷而分别选择径向接触轴承和轴向接触轴承之外，对于既有径向载荷又有轴向载荷的轴承来说，如以径向载荷为主则可选用深沟球轴承；若径向载荷和轴向载荷均较大时，可选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承；而当轴向载荷比径向载荷大很多或要求轴向变形小时，可选用圆柱滚子轴承（或深沟球轴承）和推力轴承联合使用，分别承受径向和轴向载荷较为合理。（3）当两轴孔的轴心偏差较大，或轴工作时变形过大，宜选用调心轴承。但调心轴承需成对使用，否则将失去调心作用。（4）考虑经济性。球轴承比滚子轴承便宜，低精度轴承能满足要求时，则不选高精度轴承。（五）滚动轴承的组合设计1.轴向定位的结构形式（1）两端单向固定C=0.25～0.4mm（2）一端双向固定、一端游动固定端

移动端

固定端轴承可承受双向轴向载荷，游动端可选用深沟球轴承或圆柱滚子轴承。选用深沟球轴承时，应在轴承外圈与端盖之间留有间隙，允许轴与机座作相对移动；选用圆柱滚子轴承时，则轴承外圈应作双向固定，以免外圈同时移动，造成过大错位。（3）两端游动

人字齿轮主动轴，由于轮齿两侧螺旋角不易做到完全对称，为了防止轮齿卡死或两侧受力不均匀，应采用轴系能有左右微量轴向游动的结构，图中两端都选用圆柱滚子轴承，滚动体与外圈间可轴向移动。与其相啮合的另一轴系则必须两端固定，以使该轴系在箱体中有固定位置。2.轴向位置的调整

有时轴上零件在安装时要有准确的工作位置，如锥齿轮传动要求两齿轮的锥顶重合于一点，蜗杆传动要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线，这些都要求轴的轴向位置应能调整。锥齿轮组合轴向位置的调整3.提高轴承系统的刚度和同轴度

轴承不仅要求轴具有一定的刚性，而且也要求轴承座孔具有足够的刚性，这是因为轴或轴承座孔的变形都会使滚动体滚动受阻，降低轴承使用寿命。（1）轴承座孔壁应有足够的厚度，或采用加强肋（如图所示）。（2）轴承采用正安装或反安装（如图所示）反安装刚度好正安装刚度好正安装刚度不好（3）轴承的预紧

对于角接触轴承，可通过对轴承预紧来提高工作刚度。预紧就是在安装时使轴承受到一定的轴向力，以消除轴承内部游隙，并使滚动体和内外圈之间产生预变形。预紧的方法有：加工金属垫片、磨窄套圈及内外圈分别安装长度不同的套筒等，如图所示。（4）同一轴上的轴承座孔保证同心

同一根轴上的轴承座孔，应尽可能保持同轴，以免轴承内外圈间产生过大偏斜而影响轴承寿命。为此，应力求两轴承座孔尺寸相同，以便一次镗孔保证同轴度。如在一根轴上装有不同尺寸的轴承时，外径较小的轴承可安装衬套，如图所示，衬套外径与较大尺寸轴承的外径相等，以保证两轴承座孔仍能一次镗出。4.配合和装拆

（1）滚动轴承与轴和座孔的配合

滚动轴承是标准件，因此，轴承内圈与轴的配合采用基孔制，轴承外圈与座孔的配合采用基轴制。一般轴承内圈旋转，内圈与轴选过盈配合，常用k5、m5、m6、n6、p6、r6等；外圈不旋转，外圈与座孔选用有间隙或过盈不大的配合，常用H7、G7、J7等。具体选用时可参考标准GB/T275-2015。（2）滚动轴承的安装与拆卸用手锤安装轴承安装：压力机、热油拆卸：轴肩高度

轴承的定位轴肩过高，轴承将无法拆出，定位轴肩的尺寸要查手册—轴承的安装尺寸。（七）滚动轴承的失效形式及计算准则

滚动轴承的主要失效形式为疲劳点蚀和塑性变形。

一般转速时，轴承套圈滚道和滚动体受变应力作用，滚动轴承的主要失效形式是疲劳点蚀。

转速较低的滚动轴承，可能因过大的静载荷或冲击载荷，使套圈滚道与滚动体接触处产生过大的塑性变形。

滚动轴承的设计准则为：针对疲劳点蚀进行寿命计算，针对塑性变形进行静强度计算。对于转速较高的轴承，除进行寿命计算外，还需要验算轴承的极限转速。（八）滚动轴承的寿命计算1.轴承寿命

轴承的任一滚动体或内、外圈滚道上出现疲劳点蚀以前所经历的总转数，或在一定转速下所经历的工作小时数，称为轴承的寿命。

同一型号尺寸的轴承，由于材料组织及工艺过程中存在差异等原因，即使工作条件完全相同，各个轴承的寿命也不相同，有的甚至相差几十倍。通过对一批同型号轴承进行疲劳试验，测出了不同总转数时疲劳破坏的百分数，即测出了轴承寿命和破坏率的关系曲线，如图所示。一般用10%破坏率的轴承寿命作为轴承的基本额定寿命，用L表示，单位为106r（106转）。轴承寿命分布曲线

随着运转次数的增加，轴承疲劳破坏率也增加。2.轴承寿命计算

滚动轴承的基本额定寿命与承受的载荷有关，其载荷P与基本额定寿命L10的关系可以用疲劳曲线表示，如图所示。疲劳曲线也可用下列方程表示：滚动轴承的载荷-寿命曲线

标准规定，基本额定寿命L10=106r时，轴承所能承受的载荷称为基本额定动载荷，用C表示，单位为N。C值可由轴承样本中查出。将L10=106r代入公式PεL10=常数中得，PεL10=Cε106=常数，即：

实际计算时常用工作小时数来表示寿命，同时考虑工作温度及载荷对轴承寿命的影响，则由上式可得基本额定寿命Lh的计算式为：

如果已知轴承的当量动载荷P、转速n，设计机器时所要求的轴承预期寿命Lh′也已确定，则可计算出轴承应具有的基本额定动载荷C′值，从而可根据计算的C′值选取所需的轴承。

在选择轴承型号时，应满足

。其预期寿命

的推荐值按表8-17选取。3.当量动载荷P的计算

滚动轴承的基本额定动载荷是在一定条件下确定的。对向心轴承是指纯径向载荷；对推力轴承是指纯轴向载荷。寿命计算时，如果作用在轴承上的实际载荷与上述条件不一样，必须将实际载荷折算成与上述条件相同的载荷，在此载荷作用下，轴承的寿命与实际载荷作用下的寿命相同，这种折算后的假想载荷称为当量动载荷，用P表示。当量动载荷的计算式为:（九）角接触轴承的轴向力1.角接触轴承内部轴向力的确定

角接触轴承在滚动体与外圈滚道接触处存在着接触角α。当它受到径向载荷时，作用在滚动体上的法向力可分解为径向分力和轴向分力（如图）。各个滚动体上所受轴向分力的合力即为轴承的内部轴向力S。内部轴向力S的大小的近似计算式见表8-19。内部轴向力S的方向为从外圈的宽边指向窄边。角接触轴承的内部轴向力2.轴承的装配形式

角接触轴承成对安装有正装（面对面）和反装（背靠背）两种形式，如图所示。

（1）正装

（2）反装角接触轴承成对安装的两种形式（a）（b）轴向力示意图3.角接触轴承轴向载荷

与

的计算

如图所示，根据力的平衡关系，当轴处于平衡状态时，应满足：

如果不满足上述关系时，则可能会出现以下两种情况：（1）

。如图（a）中，轴有向左移动的趋势，此时轴承Ⅰ被压紧，但由于轴承Ⅰ外圈受到轴向约束，实际上轴并没有移动，根据力的平衡关系，这个轴向约束反力为：

因此，作用在轴承Ⅰ上的总的轴向力

为

与

的和，而轴承Ⅱ则只受到自身的内部轴向力

，即：（a）（b）轴向力示意图

（2）

。如图（b）中，轴有向右移动的趋势，此时轴承Ⅱ被压紧。同理，为保持轴的平衡，在轴承Ⅱ的外圈上必有一个轴向约束反力

的作用，约束反力

为：

因此，作用在轴承Ⅱ上的总的轴向力

为

与

的和，而轴承Ⅰ则只受到自身的内部轴向力

，即：（十）滚动轴承的静强度计算

对于在低转速(n＜10r/min)或在缓慢摆动条件下工作的滚动轴承，由于主要失效形式为塑性变形，这时滚动轴承应按静强度进行计算。对在重载荷或冲击载荷下转速较高的轴承，除按疲劳寿命计算外，为安全起见，也要按静强度对轴承进行验算。

轴承套圈间相对转速为零，使最大载荷滚动体与滚道接触中心处引起的接触应力达到一定值(向心和推力球轴承为4200MPa，滚子轴承为4000MPa)时的静载荷，称为滚动轴承的基本额定静载荷C。(向心轴承称为径向基本额定静载荷C0r，推力轴承称为轴向基本额定静载荷C0a）。

对于同时承受径向和轴向载荷的轴承，应按当量静载荷P0进行计算，向心轴承的当量静载荷P0为下列两式中的较大值式中：X0，Y0分别为当量静载荷的径向和轴向系数（查表8-20）对于α≠90°的推力轴承当量静载荷为对于α=90°的推力轴承当量静载荷为按静强度选择轴承的计算式为式中S0称为静强度安全系数，其值可查表8-21。（十一）滚动轴承的极限转速

滚动轴承的工作转速应低于极限转速。滚动轴承的极限转速nlim是指一定载荷和润滑条件下所允许的最高转速，其值可从轴承标准及有关手册中查得。标准中的极限转速值是在当量动载荷P≤0.1Cr、润滑及冷却正常、向心轴承及角接触轴承只受纯径向载荷、推力轴承受纯轴向载荷的条件下得出的。

在高速运转时，滚动体上的离心力将增大外圈滚道上的压力，因而影响极限转速。（十二）滚动轴承的使用和维护

要延长轴承的使用寿命和保证旋转精度，应加强对轴承的维护，采用合理的润滑和密封，并应经常检查润滑和密封状况。1.滚动轴承的润滑（1）目的：减少摩擦、磨损，冷却、吸振、防锈和减小噪声。（2）润滑方式：

润滑脂、润滑油、固体润滑剂，可参看表11-15按dn值选择。2.滚动轴承的密封（1）目的：阻止灰尘、水分等杂物进入，防止润滑剂的流失。（2）密封方法：

接触式、非接触式、组合式。接触式非接触式三、滑动轴承1.按承受的载荷方向分（1）径向滑动轴承—主要承受径向载荷FR（2）止推滑动轴承—主要承受轴向载荷Fa（一）滑动轴承的分类2.按轴颈和轴瓦间的摩擦状态分（1）液体摩擦滑动轴承工作时，轴颈和轴承工作表面被一层润滑油膜隔开。由于两零件工作表面没有直接接触，轴承的阻力只是润滑油分子间的内摩擦力，所以摩擦系数小（0.001～0.008），寿命长，效率高，但是制造精度要求也高，并需在一定条件下才能实现液体摩擦。（2）非液体摩擦滑动轴承工作时，轴颈和轴承工作表面间虽有润滑油存在，但从微观上看，工作表面局部凸起部分仍发生金属的直接接触，因此，工作条件要求不高，故在机械中应用仍然较广泛。（二）滑动轴承的结构和材料1.径向滑动轴承（1）整体式

由轴承座和轴瓦组成。轴承座用螺栓与机座联接，顶部设有装油杯的螺纹孔。轴套上开有油孔，并在内表面开油沟以输送润滑油。这种轴承结构简单，但当工作表面磨损后，间隙无法调整，轴颈只能从端部装入。多用于低速、轻载和间歇工作场合，如绞车、手动起重机等。2.对开（剖分）式

由轴承盖、轴承座、对开轴瓦和双头螺柱组成。轴承盖和轴承座对开面常做成阶梯形，以便定位和防止工作时错动。安装时上下瓦分面间放有垫片，当轴瓦工作面磨损后，可抽去一些垫片，以此来调整轴承的间隙。这种结构可调整间隙，且轴承盖可打开安装轴，便于装拆维修，但结构复杂，价格较贵。3.自动调心式

当轴的刚度小，轴颈较长（宽径比B/d>1.5），或由于两轴承不是安装在同一刚性机架上，同心度较难保证时，都会造成轴瓦端部的局部接触，使轴瓦局部磨损严重，此时可采用自动调心式滑动轴承。这种轴承将轴瓦外表面做成凸形，与轴承盖及轴承座上的凹形球面相配合。因此，轴瓦可随轴的弯曲或倾斜而自动调心，从而保证轴颈与轴瓦的均匀接触。二、止推滑动轴承

由轴承座、套筒、径向轴瓦、止推轴瓦组成。这种轴承主要承受轴向载荷，借助于径向轴瓦也可承受部分径向载荷。实心端面止推轴颈由于工作时轴心与边缘磨损不均匀，以致轴心部分压强极高，所以极少采用。空心端面止推轴颈和环状轴颈工作情况较好。载荷很大时，可采用多环轴颈。它还能承受双向轴向载荷。三、轴承材料1.对材料的要求轴瓦和轴承衬的材料统称为轴承材料。由于轴瓦是轴承中与轴颈直接接触的零件，对其材料的主要要求是：(1)具有足够的抗压强度、抗疲劳能力和抗冲击能力。(2)具有良好的减摩性。材料要有较低的摩擦阻力。(3)具有良好的耐磨性。抗粘着磨损和磨粒磨损性能较好。(4)具有良好的跑合性。轴颈与轴瓦表面经短期轻载运转后，易于形成相互吻合的表面粗糙度。(5)良好的可塑性。具有适应因轴的弯曲和其他几何误差而使轴与轴承滑动表面初始配合不良的能力。(6)具有嵌藏性。轴承材料具有容纳金属碎屑和灰尘的能力。(7)良好的工艺性和导热性，并应具有抗腐蚀性能。2.材料（1）青铜（2）轴承合金（3）其它材料灰铸铁、粉末冶金四、轴瓦结构轴瓦可以由一种材料制成，也可以在高强度材料的轴瓦基体上浇注一层金属衬，称为轴承衬。常用轴瓦有整体式和对开式两种结构。整体式轴承采用整体式轴瓦。对开式轴承采用对开轴瓦。如在其内表面浇注一层或两层轴承合金为轴承衬，则称为双金属轴瓦或三金属轴瓦。为了使轴承衬与轴瓦结合牢固，可在轴瓦基体内表面做一些沟槽。为了使润滑油能流到轴瓦的整个工作表面上，轴瓦上要开出油沟，一般油孔和油槽应开在非承载区，由非承载区引入以保证承载区油膜的连续性，不降低其承载能力。下图所示为几种常见的油沟形式。（三）滑动轴承的润滑

润滑对减少滑动轴承的摩擦和磨损以及保证轴承正常工作具有重要意义。因此，在设计和使用轴承时，必须合理地采取措施，对轴承进行润滑。1.润滑剂

（1）润滑油（2）润滑脂2.润滑方式

在选定润滑剂之后，还要选用恰当的润滑方式。滑动轴承的润滑方式可按下式求得的k值选取：

式中：p为轴颈的平均压强，MPa；v为轴颈的平均圆周速度，m／s。

当k≤2时，若采用润滑脂润滑，则用旋盖式油杯手工加油，若采用润滑油润滑，则用压注油杯或旋套式注油油杯进行定期加油；

当k＞2～16时，用针阀式注油油杯或油芯式油杯进行滴油润滑。

当k＞16～32时，用油环带油方式，或采用飞溅、压力循环等连续供油方式进行润滑；当k＞32时，采用压力循环的供油方式进行润滑。（四）非液体润滑轴承的设计计算1.主要失效形式（1）磨损 （2）胶合

非液体摩擦滑动轴承的工作表面，在工作时有局部的金属接触，会产生不同程度的摩擦和磨损，使配合间隙增大，当间隙超过某一允许值时，机器正常运行受到破坏，噪声增大，旋转精度变低。

当轴承在高速、重载且润滑不良时工作，摩擦加剧，发热过多，可能会发生胶合失效。严重时，甚至轴承与轴颈焊死。2.设计计算

条件性计算。一般已知：轴颈直径d(mm)、转速n(r/min)和轴承