滚动轴承设计

14.5
滚动轴承的寿命计算
14.5.1 滚动轴承的基本额定寿命 • 轴承的寿命：指轴承中任何一个套圈或滚动体材料首次出现疲劳点蚀 扩展之前，一个套圈相对于另一个套圈的转数或者在一定转速下的工 作小时数。 • 大量试验结果表明，一批型号相同的轴承（即结构、尺寸、材料、热 处理及加工方法等都相同的轴承），即使在完全相同的条件下工作， 它们的寿命也是极不相同的，其寿命差异最大可达几十倍。因此，不 能以一个轴承的寿命代表同型号一批轴承的寿命。
在考虑机械工作时常具有振动和冲击，为此，轴承的当量动载荷还应乘 以一系数fd，即：P=fd(XFr+YFa)。fd的取值方法为：对于平稳运转或轻 微冲击fd＝1.0~1.2；对于中等冲击fd＝1.2~1.8；对于强大冲击fd＝ 1.8~3.0。
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14.4 滚动轴承的工作情况分析
4.37 Fr 5 Fr F0 Z Z 4.08 Fr 4.6 F0 Fr Z Z
Fs 1.25 Fr tan
图14.8 深沟球轴承中径向载荷的分布
图14.9 轴向力的产生
2．轴承工作时轴承元件的应力分析 • • • 轴承工作时，由于内、外圈相对转动，滚动体与套圈的接触位置是时刻 变化的。当滚动体进入承载区后，所受载荷及接触应力即由零逐渐增至 最大值，然后再逐渐减至零。 就滚动体上某一点而言，由于滚动体相对内、外套圈滚动，每自转一 周，分别与内、外套圈接触一次，故它的载荷和应力按周期性不稳定脉 动循环变化。 对于固定的套圈，处于承载区的各接触点，按其所在位置的不同，承受 的载荷和接触应力是不同的。对于套圈滚道上的每一个具体接触点，每 当滚动体滚过该点的一瞬间，便承受一次载荷，再滚过另一个滚动体 时，接触载荷和应力是不变的。这说明固定套圈在承载区内的某一点上 承受稳定脉动循环载荷。 转动套圈上各点的受载情况，类似于滚动体的受载情况。就其滚道上某 一点而言，处于非承载区时，载荷及应力为零。进入载荷区后，每与滚 动体接触一次就受载一次，且在承载区的不同位置，其接触载荷和应力 也不一样。
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2．轴承的转速 • 轴承标准中对各种类型、各种规格尺寸的轴承都规定了油润滑及脂润滑 时的极限转速值
nlim;
①球轴承比滚子轴承具有较高的极限转速和旋转精度，高速时应优先选 用球轴承； • ②为减小离心惯性力，高速时宜选用同一直径系列中外径较小的轴承。 当用一个外径较小的轴承承载能力不能满足要求时，可再装一个相同的 轴承，或者考虑采用宽系列的轴承。外径较大的轴承宜用于低速重载场 合； • ③推力轴承的极限转速都很低，当工作转速高、轴向载荷不十分大时， 可采用角接触球轴承或深沟球轴承替代推力轴承； • ④保持架的材料和结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架 允许更高的转速。 3．调心性能要求 • 轴承的调心性能是指轴承适应内、外圈中心线存在角度偏差的性能。 • 当轴因受力而弯曲或倾斜时，或由于制造安装误差等原因，都会引起轴 承内、外圈中心线的角度偏差，这时应采用有调心性能的调心轴承或带 座外球面球轴承。 • 圆柱滚子轴承和滚针轴承对轴承的偏斜最为敏感，这类轴承在偏斜状态 下的承载能力可能低于球轴承。因此在轴的刚度和轴承座孔的支承刚度 较低时，应尽量避免使用这类轴承。
图14.10 滚动轴承的寿命-可靠度曲线
图14.11 滚动轴承的载荷-寿命曲线
基本额定寿命：是指一组在相同条件下运转的滚动轴承，10％的轴承发 生点蚀破坏而90％的轴承未发生点蚀破坏前的转数或在一定转速下的工 作小时数，以 L10 （单位为106r）或Lh（单位为h）表示。 14.5.2 基本额定动负荷 • 滚动轴承在基本额定寿命等于106 r 时所能承受的载荷，称为基本额定 动载荷C。 • 对向心轴承，指的是纯径向载荷，称为径向基本额定动载荷，记为Cr； 对于推力轴承，指的是纯轴向载荷，称为轴向基本额定动载荷，记为 Ca；对于角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是使套圈间产生纯径向位 移的载荷的径向分量，记为Cr。 • 在基本额定动载荷作用下，轴承工作寿命为106r 时的可靠度为90％。 • 不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷值C，它表征了具体型号轴承 的承载能力。 • 轴承的基本额定动载荷是在常规运转条件下——轴承正确安装、无外来 物侵入、充分润滑、按常规加载、工作温度不过高或过低、运转速度不 特别高或特别低，以及失效率为10％、基本额定寿命为106 r 时给出 的。
2) 后置代号。后置代号共有8组，用数字表示， ①内部结构代号。表示同一类型轴承的不同内部结构，用字母表示。如 用C、AC、B分别表示α＝15º、25º、40º的角接触球轴承；B表示圆锥滚子轴承 增大接触角；C表示C型调心滚子轴承；D表示剖分式轴承；E表示加强型等。 ②公差等级代号。轴承公差等级分0、6、6x、5、4、2共6级，分别用／ P0、／P6、／P6x、／P5、／P4、／P2表示。 ③游隙代号。表示轴承径向游隙组别，分l、2、0、3、4、5共6个组别， 径向游隙依次由小到大。0游隙组最为常用，故省略不标，其他组别的代号对 应为／C1、／C2、／C3、／C4、／C5。 ④配置代号。分别用三种代号表示：/DB—背对背安装；/DF—面对面安 装；/DT—串联安装。比如：32208/DF、7210C/DT。
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4. 轴承的安装和拆卸 • 在轴承座为非剖分式而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用 内外圈可分离的轴承（如 N0000、NA0000、30000等）。
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5．经济性 • 球轴承比滚子轴承价格低；派生型轴承（如带止动槽、密封圈或防尘盖 的轴承等）比其基本型轴承贵；同型号轴承，精度高一级价格将急剧增 加。故在满足使用功能的前提下，应尽量选用低精度、低价格的轴承。 选择轴承类型时，要全面衡量上述各方面的要求，拟定多种方案，通过 比较选出最佳方案。
a)背对背（/DB） b）面对面（/DF） c）串联（/DT） 图14.6 轴承成对安装形式
14.3
滚动轴承的类型选择
1. 载荷的大小、方向和性质 • 1）按载荷的大小、性质考虑：在外廓尺寸相同的条件下，滚子轴承比 球轴承承载能力大，适用于载荷较大或有冲击的场合。球轴承适用于载 荷较小、振动和冲击较小的场合 • 2）按载荷方向考虑：当承受纯径向载荷时，通常选用深沟球轴承、圆 柱滚子轴承或滚针轴承；当承受纯轴向载荷时，选用推力轴承；当承受 较大径向载荷和一定轴向载荷时，可选用深沟球轴承、接触角不大的角 接触球轴承或圆锥滚子轴承；当承受较大轴向载荷和一定径向载荷时， 可选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者将向心轴承和 推力轴承进行组合，分别承受径向和轴向载荷
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14.5.3 寿命计算公式
14.5.4
额定寿命的修正
a1 ——考虑可靠度不等于90％时轴承额定寿命的修正因数， axyz ——考虑其他因素，如材料、润滑、环境、套圈中的内应力、安 装、载荷及轴承类型等影响轴承额定寿命的修正因数， 14.5.5 滚动轴承的当量动载荷 • 当轴承既承受径向载荷又承受轴向载荷时，为能应用额定动载荷值进行 轴承的寿命计算，就必须把实际载荷转换为与基本额定动负荷的载荷条 件相一致的当量动负荷。 • 当量动负荷是一个假想的载荷，在它的作用下，滚动轴承具有与实际载 荷作用时相同的寿命。
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14.4.2 滚动轴承的失效形式和计算准则 1．失效形式 （1）疲劳点蚀 轴承在安装、润滑、维护良好的条件下工作时，由于各 承载元件承受周期性变应力的作用，产生疲劳点蚀，它是滚动轴承主要 的失效形式。轴承发生疲劳点蚀破坏后，会出现比较强烈的振动、噪声 和发热现象，轴承的旋转精度将逐渐下降，直至丧失正常的工作能力。 （2）塑性变形 在过大的静载荷或冲击载荷作用下，轴承承载元件间的 接触应力超过了元件材料的屈服极限，接触部位发生塑性变形，形成凹 坑，使轴承性能下降、摩擦阻力矩增大。这种失效多发生在低速重载或 作往复摆动的轴承中。 （3）磨损 由于润滑不充分、密封不好或润滑油不清洁，以及工作环境 多尘，一些金属屑或磨粒性灰尘进入了轴承的工作部位，轴承将会发生 严重的磨损，导致轴承内、外圈与滚动体间隙增大、振动加剧及旋转精 度降低而报废。 （4）胶合 在高速重载条件下工作的轴承，因摩擦面发热而使温度急骤 升高，导致轴承元件的回火，严重时将产生胶合失效。 2．计算准则 ①一般转速（n＞10 r/min）轴承的主要失效形式为疲劳点蚀，应进 行疲劳寿命计算。 ②极慢转速（n ≤10 r／min）或低速摆动的轴承，其主要失效形式 是表面塑性变形，应按静强度计算。 ③高速轴承的主要失效形式为由发热引起的磨损、烧伤，故不仅要进 行疲劳寿命计算，还要校验其极限转速。
• 轴承的内、外圈和滚动体，一般是用轴承钢（如GCr15、 GCr15SiMn）制造，热处理后硬度应达到61～65HRC。 • 保持架有冲压的和实体的两种结构。冲压保持架一般用低碳 钢板冲压制成，它与滚动体间有较大间隙，工作时噪声大； 实体保持架常用铜合金、铝合金或酚醛树脂等高分子材料制 成，有较好的隔离和定心作用。 • 当滚动体是圆柱或滚针时，有时为了减小轴承的径向尺寸， 可省去内圈、外圈或保持架，这时的轴颈或轴承座要起到内 圈或外圈的作用。为满足使用中的某些需要，有些轴承附加 有特殊结构或元件，如外圈带止动环、附加防尘盖等。
第14章
14.1 概述
滚动轴承设计
•滚动轴承是机械工业重大基础标准件之一; •滚动轴承由轴承厂专业大批生产，使用者只需根据具体工作条件合理选用轴 承的类型和尺寸，验算轴承的承载能力，以及进行轴承的组合结构设计（轴 承的定位、装拆、调整、润滑、密封等问题）。 •滚动轴承依靠元件间的滚动接触来承受载荷， •与滑动轴承相比:滚动轴承具有摩擦阻力小、效率高、起动容易、安装与维 护简便等优点。 •缺点是耐冲击性能较差、高速重载时寿命低、噪声和振动较大。 •滚动轴承的基本结构：内圈1、外圈2、滚动体3和保持架4等四部分组成。 •常用的滚动体有球、圆柱滚子、滚针、圆锥滚子、 •球面滚子和非对称球面滚子等几种，
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l）对只能承受径向载荷Fr的向心轴承（α＝0o的向心滚子轴承，如N0000型、 NA0000型） P＝Fr 2）对只能承受轴向载荷Fa的推力轴承（α＝90o的推力球轴承和推力滚子轴承，如 50000型、80000型） P＝Fa 3）对以承受径向载荷Fr为主又能承受轴向载荷Fa的角接触向心轴承（包括角接触球 轴承、深沟球轴承及α≠0o的向心推力滚子轴承，如30000型、70000型、60000 型及10000型、20000型） P＝Pr＝XFr＋YFa 4）对以承受轴向载荷Fa为主又能承受径向载荷Fr的角接触推力轴承（α≠90o的推 力滚子轴承） P＝Pa＝XFr＋YFa