第十三章滚动轴承

第十三章 滚动轴承
§13-1 滚动轴承的构造和类型 §13-2 滚动轴承工作情况分析 §13-3 滚动轴承尺寸选择 §13-4 滚动轴承装置设计
学习要求
能正确选择滚动轴承的代号 能根据选定的滚动轴承，合理地设计出轴承装置
重点
轴承尺寸的选择
难点
角接触轴承的受力分析
滚动轴承的构造和类型
合理选择 滚动轴承是标准件，主要掌握
滚动轴承的构造和类型
举例： 1）直齿圆柱齿轮轴： 2）斜齿轮、锥齿轮、蜗轮轴： 3）悬臂圆锥齿轮轴： 4）蜗杆轴：
分别承受Fa、Fr
5）滑轮轴：
4类：双列深沟球轴承 （∵轴较长）
滚动轴承工作情况分析
一、滚动轴承的载荷分布
1.向心轴承中作用力的分布
1)载荷分布
滚动轴承工作时，在 Fr 作用下通常只有半圈滚动体受载
70000型、30000型
角接触轴承中载荷的分布和应力变化规律与向心轴承基本一致,但有所不同
1)载荷计算中心
滚动体的载荷方向线与轴线的交点 o 即为轴承的载荷计算中心（支反力的
作用点）
a
距离 a 可查轴承手册
2)角接触轴承中的派生轴向力 Fd
由于“公称接触Leabharlann Baiduα”存在：Fr作用
Fd
在径向力Fr作用下，各受载滚动体的轴向
1.几个概念
1）滚动轴承的寿命：是指轴承中的滚动体或套圈首次出现点蚀之前，
两套圈的相对总转数或在一定转速下的运转小时数
轴承寿命的离散性相当大
20
轴承的寿命/（106r）
2）基本额定寿命：指一批相同的轴承，在 相同的条件下运转，其中恰有90％的轴承尚未
产生点蚀时的寿命，用 L10 (运转的总转数) 或 Lh10 (一定工作转速下工作的小时数)表示
在径向力F r1 、F r2作用下，轴承产生派生轴向力 Fd1 、 Fd2
滚动轴承尺寸选择
2）角接触轴承附加轴向力
70000C
15
70000AC
25
70000B
40
30000
Fd eFr
Fd 0.68 Fr Fd 1.14 Fr Fd Fr 2Y
e —— 判断系数 表13-5 Y —— 轴向动载系数 表13-5中 Fa 的e Y值
L10 的可靠度 R＝90％
10
5
1 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
未失效轴承数量／%
滚动轴承尺寸选择
3）L10的物理意义
1）对一批轴承而言：指90%轴承能达到或超过的寿命 2）对一个具体轴承而言：该轴承能达到或超过该寿命的概率为90%
3）当可靠度不为90%时，对L10进行修正：Ln a1 L10
低级
高级
◆ 游隙代号
游隙分为
游隙值
游隙：指一个套圈相对于另一个套圈，沿径向或沿轴向，
从一个 极限位置到另一个极限位置的移动量
/C1 、/C2、 0 、/C3 、/C4 、/C5 共六个组别
小
大
0组省略
滚动轴承的构造和类型
7000C： α＝15° ◆ 内部结构代号： 7000AC：α＝25°
7000B： α＝40° ◆ 配置代号： /DF：面对面安装（正装）
滚动体所受最大载荷为：
球轴承： 滚子轴承：
F max
5 Z
Fr
Fm a x
4.6 Z
Fr
滚动体个数
Fmax
滚动轴承工作情况分析
2)应力变化规律 工作时，轴承中各个元件所受载荷及应力是变化的 内圈或滚动体上某一点σH的变化规律
σH
外圈上某一点σH的变化规律
t
σH
t
均为脉动循环
滚动轴承工作情况分析
2. 角接触轴承中作用力的分布
式中： X—径向动载系数，Fr对寿命影响效应的大小
Y—轴向动载系数，Fa对寿命影响效应的大小 向心轴承：P=Fr；推力轴承：P=Fa
由表13-5知，X、Y受e——轴向载荷“判断系数”影响
1）当
Fa Fr
e
由Fa Fr 确定 时，Fa较小，忽略不计，取X=1、Y=0；
2）当
Fa Fr
e
时，需计入Fa影响，X＜1，Y＞0，查表13-5
2）载荷大小 载荷大或有冲击振动时，宜选滚子轴承
转速高或要求旋转精度高时，宜选球轴承 3）转速高低
轴向接触轴承不适宜高转速，可用6或7类代替
4）调心要求 轴的刚度低、轴承座孔的同轴度低或多支点轴，选调心轴承
5）轴承装拆、调整方便：内、外圈可分离型(如3、QJ类)
6）经济性 精度高的价格高，滚子轴承比球轴承价格高
轴 承 组 件
尺寸系
列代号 类宽直 型度径 代系系 号列列
代代
号号
内 径 代 号
部封持殊差隙承它
结与架轴等代配代
构防及承级号置号
代尘其材代
代
号结材料号
号
构料代
代代号
号号
1.基本代号
◆ 内径代号
代号
00
01
02
03 04～96
内径 d 10
12
15
17 代号×5
滚动轴承的构造和类型
◆ 尺寸系列代号 尺寸系列：指内径相同时，轴承有不同的外径
多尘条件下工作的轴承，易产生
磨粒磨损
润滑不良的高速轴承，易产生粘 着磨损（胶合）
磨损
胶合
滚动轴承尺寸选择
计算准则：
1. 转速较高的轴承，主要失效形式为“点蚀”，需进行寿命计算
2. 转速很低或摆动的轴承，主要失效形式为塑性变形，需计算静强度
3. 高转速轴承，主要失效形式为粘着磨损，需校核极限转速
二、滚动轴承的寿命计算
■ 正装
● 若 Fd1 Fae Fd 2 合力→右，轴有右移趋势
Fd1
Fae
Fd2
右端轴承 “压紧” 左端轴承 “放松”
Fa2 Fd1 Fae
Fa1 Fd1
阻止轴右移
滚动轴承尺寸选择
● Fd1 Fae Fd 2 合力→左，轴有左移趋势
3. 轴承寿命计算公式
L10
C P
Lh10
106 60n
C P
式中：P－当量动载荷
温度系数
n－轴承的转速（r/min）
ε－寿命指数， 球轴承：ε ＝3； 滚
子轴承ε ＝10/3
P—L曲线
滚动轴承尺寸选择
工程中常用小时数表示寿命：
L10h
106 C
60n P
16670 C n P
注意：L10h与n有关，L10与n无关
可靠性寿命修正系数（文献[6]）
4）轴承的预期计算寿命L'h
进行轴承寿命计算时，应先机器的类型、使用条件及对可靠性的要求， 确定一个恰当的预期计算寿命
轴承的预期寿命可参考设备的中修或大修期限 各类机器中轴承的预期寿命→表13－9
滚动轴承尺寸选择
2. 基本额定动载荷
指L10恰为106 转时，轴承所能承受的载荷，用C表示
（直径系列）和不同的宽度（宽度系列）
直径系列代号：特轻(0、1)、轻(2)、中(3)、重(4)
宽度系列为正常宽度时，代号为“0”，省略不标
◆ 类型代号：常用轴承有：6、7、3、5、N等类型，详见表13－1
2.后置代号
0级省略
◆ 公差等级代号 分为 /P0 、/P6 (/P6x) 、 /P5 、/P4 、 /P2 共五级
n—轴承转速r/min
设计时，应：L10h Lh
用于校核寿命
若已知
Lh，P，求得
C
P
n 16670
Lh
（N）
查手册，选型号，使 C C
用于设计选型
滚动轴承尺寸选择
4. 当量动载荷 当量动载荷：是由轴承实际所受载荷转换得到的与基本额定动载荷 C
的确定条件及性质相同的假想载荷，用 P 表示
P X Fr Y Fa —将Fr、Fa折合为Cr或Ca
/DB：背对背安装（反装）
举例:
6308： 深沟球轴承，3─中系列，内径d=40mm，
公差为0级，游隙为0组
30213：圆锥滚子轴承，2─轻系列，内径d=65mm，
公差为0级，游隙为0组
7214AC/P4：7─角接触球轴承，2─轻系列，内径d=70mm，公
差为4级，游隙为0组，公称接触角α=15°
N105/P5C3：圆柱滚子轴承，1─特轻系列，内径d=20mm，公差为5级，游隙为3组
径向接触轴承的 C 是径向载荷，用 Cr表示 向心角接触轴承的 C 是所受载荷的径向分量，也用 Cr 表示 轴向接触轴承的 C 是中心轴向载荷，用 Ca表示
说明： 1）C由试验得出，查手册
2）C↑— 轴承抗疲劳承载能力↑；同类不同型号轴承，C不同
3）设计时需满足：一定工况下的轴承所需的C′≤C
4）工作温度变化，对C修正 Ct ftC
Fr
∵ Fd存在 ∴ 30000型、70000型轴承成对使用，使FdⅠ与FdⅡ方向
相反，使轴受力合理
滚动轴承尺寸选择
正装
反装
Fd方向：由轴承外圈的宽边指向窄边，通过内圈作用于轴上,即“接
触线箭头”方向
简化画法
3类：
=
Fd 7类：
=
Fd
Fd
Fd
Fd
Fd
Fd
Fd
滚动轴承尺寸选择
3）轴承的轴向载荷 Fa
◆ 按轴承刚性分为 刚性轴承： 允许内外圈偏转角很小的轴承 调心轴承： 允许内外圈偏转角较大的轴承
◆ 按内、外圈可否分离分为 可分离轴承 不可分离轴承
滚动轴承的构造和类型
三、滚动轴承的代号
用代号表示轴承的结构、尺寸、类型、精度等内容，并打印在轴承上 滚动轴承代号构成：
前置代号
基本代号
后置代号
×××××内密保特公游轴其
调心球轴承（1）
向心角接 触轴承
成对使用 反向安装
角接触球轴承（7） 圆锥滚子轴承（3）
圆柱滚子轴承（N、NU）
调心滚子轴承（2）
滚针轴承（NA)
其他轴承结构→表13-1
轴向接 触轴承
推力球轴承（5） 推力滚子轴承（8）
滚动轴承的构造和类型
◆ 按滚动体形状分为 球轴承： 点接触,运转灵活，但承载能力低 滚子轴承：线接触, 承载能力高
注：遇到看不懂的代号时，查阅GB/T272-93
滚动轴承的构造和类型
四、滚动轴承类型的选择
选择轴承类型时主要考虑以下问题：
1）载荷方向
只受 Fr 时，选径向接触轴承（1、2、6、N） 只受 Fa 时，选轴向接触轴承（5、8）或选（7、3）类 同时受 Fr和 Fa时，选向心角接触轴承（7、3） 当Fa较小时，可选 6类 当Fa很大时，选 6（N）＋5（8）组合使用
Fa
Fa Fd Fr tan
受载滚动体增多时
n
n
Fd Fdi FNi tan ＞ Fr tan
i 1
i 1
平衡派生轴向力 Fd使所需轴向力Fa
Fr
o
∑Fdi = Fd
Fdi
FNi α F'Ni
结论
Fa Fd ＞ Fr tan
● 为使更多的滚动体同时受载，应使Fa＞Frtanα
● Fa↑→受载滚动体数目↑→Fd↑
考虑机器冲击振动，P 的公式为：
P f p ( XFr YFa ) fp——冲击载荷系数→表13-4
滚动轴承尺寸选择
5. 角接触轴承的载荷计算 1)作用于轴上的外载荷
轴上有外载荷：Fre和Fae
1
Fae Fre
2
Fd1 Fr1
Fd2 Fr2
Fre在Ⅰ、Ⅱ成对安装的轴承上产生径向载荷Fr1、Fr2
分力Fdi之和，即为轴承的派生轴向力 Fd
各受载滚动体的径向分力FNi之向量和与径 向载荷相平衡
Fr
o
∑Fdi = Fd
Fdi
FNi α F'Ni
滚动轴承工作情况分析
3)轴向载荷对载荷分布的影响
a
轴承的派生轴向力 Fd使轴颈有向左 移动的趋势,应由轴向力Fa平衡
Fdi FNi tan
最下面一个滚动体受载时
合理使用
一、滚动轴承的构造和材料
外圈
1. 构造 内圈： 装在轴上 外圈： 装在轴承座孔中
内圈 保持架
滚动体：在两套圈之间滚动并传递载荷
保持架：将滚动体均匀隔开 滚动体分为： 球
滚子：圆柱形、圆锥形、滚针、鼓形等
滚动体
滚动轴承的构造和类型
2. 特点(与滑动轴承比较) 优点： 1）起动力矩小，可在负载下起动 2）径向游隙较小，运动精度高 3）轴向宽度较小 4）可同时承受径向、轴向载荷,轴承组合较简单 5）便于密封、易于维护； 6）不需有色金属，标准件，成本低 缺点： 1）承受冲击载荷能力差 2）振动、噪音较大 3）径向尺寸较大 4）有的场合无法使用；
滚动轴承尺寸选择
一、滚动轴承的失效形式和计算准则
点蚀
主要失效形式有：
1）疲劳点蚀： 最常见的失效形式
滚动体和套圈滚道承受循环接触应力
点蚀使轴承产生振动和噪音而失效
2）塑性变形： 对于转速很低或间歇摆动的轴承，会因过大的载荷或冲 击载荷，使滚动体或内、外圈滚道产生塑性变形，形成 不均匀的凹坑
3）磨粒磨损、粘着磨损（胶合）
向心角接触轴承
主要用来承受径向力 主要用来承受轴向力 能同时承受径向力 和较大的轴向力
接触角α：滚动体的载荷方向线与轴承径向平面之间的夹角, α↑，承受轴 向力的能力↑
滚动轴承的构造和类型
◆ 按结构形式不同，标准滚动轴承分为13类，最构造和类型常4 用的有六类:
类型代号
深沟球轴承（6）
径向接 触轴承
3. 材料 内、外套圈和滚动体： 用滚动轴承钢（GCr15、GCr15SiMn等）制造淬 火后表面硬度可达58～66HRC 保持架：用比较软的低碳钢、铜合金、铝或塑料制造
滚动轴承的构造和类型
二、滚动轴承的类型
◆ 按可承受的载荷方向不同，滚动轴承分为三类：
FR
FA
FR FA
－接触角
径向接触轴承
轴向接触轴承