16 滚动轴承V2.docx

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16滚动轴承V2

16　滚动轴承

16.1概述

16.1.1　滚动轴承的基本结构

图16-1滚动轴承的基本结构

图15-1给出了滚动轴承的结构原理，它仅在轴与孔之间加入滚动体。

由图可知，滚动体与孔和轴之间是点接触，局部压力很大。

为了保护轴与孔的表面，分别设计了内圈和外圈，同时，为了避免滚动体间相互发生摩擦，用保持架将各滚动体均匀隔开。

滚动轴承的基本结构如图16-1所示，由内圈1、外圈2、滚动体3和保持架4组成。

图16-2滚动轴承的常用滚动体

滚动轴承常用的滚动体如图16-2所示，有：

（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；（g）螺旋滚子等多种。

多数滚动轴承的内、外圈上有内凹的滚道，以限制滚动体的侧向移位。

滚动轴承类型很多，有的无外圈、有的无内圈、有的无保持架，但是无论哪一种类型的滚动轴承，都必须有主要元件——滚动体。

16.1.2滚动轴承的材料

由于滚动轴承的滚动体与内、外圈是点或线接触，它们表面的接触应力很大，所以内、外圈和滚动体的材料应具有良好的接触疲劳强度和冲击韧性，一般采用轴承钢，经热处理后，表面硬度达HRC61～65。

保持架多用低碳钢板冲压而成，实体式保持架用有色金属或塑料制成。

常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。

16.2滚动轴承的主要类型性能和特点

16.2.1滚动轴承的主要类型

滚动轴承按滚动体类型不同可分为球轴承和滚子轴承。

图16-3　不同类型轴承的承载情况

滚动轴承按所能承受的外载荷不同，分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。

图16-3为三种轴承承载情况的示意图。

向心轴承主要承受径向载荷，其中有几类向心轴承也可以承受一定的轴向力。

推力轴承只能承受轴向载荷，轴承中与轴颈紧套在一起的套圈称为轴圈，与机座相联的套圈称为座圈。

向心推力轴承能同时承受径向载荷和轴向载荷。

向心推力轴承的滚动体与外圈滚道接触点（线）处法线N－N与半径方向的夹角α称为轴承的接触角。

轴承实际所受的径向载荷与轴向载荷的合力与半径方向的夹角β称为载荷角。

滚动轴承的类型名称、代号、简图、性能特点列表如表16.1所示。

表16.1　常用滚动轴承的类型、性能和特点

类型

代号

轴承名称，简图,

受力方向

示意图

轴承性能特点

基本额定动载荷比

极限

转速比

价格比

允许

角偏斜

1

调心球轴承

双排钢球，外圈滚道为内球面形，具有自动调心性能。

主要承受径向载荷

0.6~0.9

中

1.8

3°

2

调心滚子轴承

与调心球轴承相似。

双排滚子，有较高承载能力。

允许角偏斜小于调心球轴承

1.8~4

低

4.4

1°~2.5°

2

推力调心滚子轴承

外圈滚道是球面，调心性能好。

能承受轴向载荷为主的径向、轴向载荷联合作用

1.7~2.2

中

1.5°~2.5°

3

圆锥滚子轴承

能同时受径向和单向轴向载荷，承载能力大。

内、外圈可分离，安装时可调整游隙。

成对使用。

允许角偏斜小

1.5~2.5

中

1.7

2′

4

双列深沟球轴承

能同时受径向和轴向载荷。

径向刚度和轴向刚度均大于深沟球轴承

1.6~2.3

中

8′~16′

5

推力球轴承

只能受单向轴向载荷。

回转时，因钢球离心力与保持架摩擦发热，故极限转速较低。

套圈可分离

1

低

1.1

0°

5

双列推力球轴承

能受双向的是轴向载荷。

其他同推力球轴承

1

低

1.8

0°

6

深沟球轴承

结构简单。

主要受径向载荷，也可承受一定的双向轴向载荷。

高速轻载装置中可用于代替推力轴承。

极限转速高，价廉。

应用最广

1

高

1

8′~16′

7

角接触球轴承

能同时受径向载荷和单向轴向载荷。

接触角α有15°，25°和40°三种，轴向承载能力随接触角增大而提高。

需成对使用

1~1.4

高

2.1

2′~10′

N

圆柱滚子轴承

能承受较大的径向载荷。

内外圈间可作自由轴向移动，不能承受轴向载荷。

滚子与套圈间是线接触，只允许有很小的角偏斜

1.5~3

高

2

2′~4′

注：

表中基本额定动载荷比、极限转速比、价格比都是指同一尺寸系列的轴承与深沟球轴承之比（平均值）。

极限转速比（脂润滑、0级公差组）比值>90%为高，60%~90％为中，<60％为低。

16.2.2　滚动轴承类型的选择

选择滚动轴承时应考虑到以下因素：

（1）轴承的载荷

轴承所受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。

当载荷较小时，选用球轴承；当载荷较大时，选用滚子轴承。

对于纯轴向载荷，选用推力轴承；对于纯径向载荷，选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承；对于承受径向载荷，同时还有不大的轴向载荷，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；对于承受径向载荷，同时存在较大的轴向载荷，选用接触角较大的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，或者选用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构。

（2）轴承的转速

在一般转速下，转速的高低对类型的选择不发生什么影响，只有在转速较高时，才会有比较显著的影响。

轴承样本中列出了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速（n/min）值。

这个转速极限值是指载荷不大，冷却条件正常，且为0级公差轴承时的最大允许转速。

（3）轴承的调心性能

当轴的中心线与轴承座中心线不重合而有角度误差时，或因轴受力而弯曲或倾斜时，会造成轴承的内外圈轴线发生偏斜。

这时，应采用有一定调心性能的调心球轴承或调心滚子轴承。

这类轴承在内外圈轴线有不大的相对偏斜时仍能正常工作。

（4）轴承的安装和拆卸

为便于安装和拆卸，常选用内、外圈可分离的分离型轴承或选用具有内锥孔的轴承。

16.3滚动轴承的代号

在常用的各类滚动轴承中，每种类型又可做成几种不同的结构、尺寸和公差等级，以便适应不同要求。

为了统一表征各类轴承的特点，便于组织生产和选用，GB/T272-1993规定了轴承代号的表示方法。

滚动轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号组成，用字母和数字等表示。

轴承代号的构成见表16.2所示。

表16.2　轴承代号

前置代号

基本代号

后置代号

成套轴承分部件

5

4

3

2

1

1

2

3

4

5

6

7

8

类

型

代

号

尺寸系列

内径代号

内部结构

密封与防尘

套圈变形

保持架及其材料

轴承材料

公差等级

游隙

配置

其他

宽

度

系

列

代

号

直

径

系

列

代

号

（1）基本代号

基本代号用来表明轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型，一般最多为五位。

①轴承内径用基本代号

轴承内径用基本代号右起第一、二位数字表示。

图16-4　直径系列的对比

对常用内径d=20～480mm的轴承，内径一般为5的倍数。

这两位数字表示轴承内径尺寸被5除得的商数。

对于内径为10mm、12mm、15mm和17mm的轴承，内径代号依次为00、01、02和03。

对于内径小于10mm和大于500mm的轴承，内径表示方法另有规定。

②轴承的直径系列

轴承的直径系列（即结构相同、内径相同的轴承在外径和宽度方面的变化系列）用基本代号右起的第三位数字表示。

对向心轴承和向心推力轴承：

0、1表示特轻系列；2表示轻系列；3表示中系列；4表示重系列。

对推力轴承：

1表示特轻系列；2表示轻系列；3表示中系列；4表示重系列（如图16-4）。

③轴承的宽度系列

轴承的宽度系列（即结构相同、内径和直径系列都相同的轴承，在宽度方面的变化系列）用基本代号右起第四位数字表示。

当宽度系列为0系列（正常系列）时，对多数轴承在代号中可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0应标出。

直径系列代号和宽度系列代号统称为尺寸系列代号。

轴承类型代号用基本代号右起第五位数字或字母表示。

（2）前置代号

前置代号用字母表示，用来表示轴承的分部件。

如L表示可分离轴承的可分离内圈或外圈；R表示不带可分离内圈或外圈的轴承；K表示滚动轴承的滚动体与保持架组件。

（3）后置代号

后置代号是用字母和数字来表示轴承的结构、密封、材料、公差、游隙等特殊要求。

后置代号的内容较多，下面介绍几种常用的代号。

①内部结构代号，用字母表示。

如C、AC、B分别代表公称接触角α＝15º、25º和40º；E表示增大承载能力进行结构改进的加强型；D为剖分式轴承等。

如7215C、7215AC、NU210E。

②公差等级代号。

有/P0、/P6、/P6x、/P5、/P4、/P2等6个级别，分别表示标准规定的0、6、6x、5、4、2等级的公差等级，其中2级最高，0级最低，0级省略不标注。

如6305、6305/P6、7215AC/P5。

③游隙代号。

有/C1、/C2、缺省、/C3、/C4、/C5等6个代号，分别表示标准规定的游隙1、2、0、3、4、5组（游隙量由小而大），0组不标注。

如6305、6305/C4、6305/P64。

实际应用的滚动轴承类型是很多的，相应的轴承代号也是比较复杂的。

以上介绍的代号是滚动轴承代号中最基本、最常用的部分，熟悉了这部分代号，就可以识别和选用常用的滚动轴承。

关于滚动轴承详细的代号方法可参阅GB/T272－1993。

代号举例：

6312——表示内径为60mm，深沟球轴承，尺寸系列为03，正常结构，0级公差，0组游隙。

7215AC/P54——表示内径为75mm，角接触球轴承，尺寸系列为02，接触角α＝25º，5级公差，4组游隙。

16.4滚动轴承的失效形式和尺寸选择

16.4.1滚动轴承的失效形式

（1）滚动轴承的工作情况

滚动轴承工作时滚动体和内、外圈都是变应力，这是因为：

①除受通过轴承轴心线的纯轴向载荷作用外，各滚动体所受的载荷是不相同的。

如图16-5所示，内圈在径向力Fr的作用下向下移动，上半圈的滚动体不受载，下半圈的滚动体受载也各不相同。

②滚动体与内外圈的接触点时刻在发生变化。

（2）滚动轴承的主要失效形式

图16-5　向心轴承中径向载荷的分布图16-6滚动轴承寿命曲线

滚动轴承的主要失效形式有疲劳点蚀和永久变形。

①疲劳点蚀

滚动轴承的正常失效形式是滚动体或内、外圈滚道上的点蚀破坏。

这是由于滚动体和套圈表面层的应力都是周期性变化的，促使疲劳裂纹的产生，并逐渐扩展到表面，从而形成疲劳点蚀，使轴承旋转精度下降，产生噪声、冲击和振动。

②永久变形

当滚动轴承转速很低或只作间歇摆动时，一般不会产生疲劳点蚀。

但若承受很大的静载荷或冲击载荷时，轴承各元件接触处的局部应力可能超过材料的屈服极限，从而产生永久变形。

过大的永久变形会使轴承在运转中产生剧烈的振动和噪音，致使滚动轴承不能正常工作。

此外，由于使用维护和保养不当或密封、润滑不良等因素，也能导致轴承早期磨损、胶合、内外圈和保持架破损等不正常失效。

16.4.2滚动轴承的基本额定寿命和基本额定动载荷

（1）轴承的寿命

单个轴承，其中一个套圈或滚动体材料首次出现疲劳扩展之前，一个套圈相对于另一套圈的转动的圈数称为轴承的寿命。

（2）轴承寿命分布曲线

由于制造精度、材料的均质程度等的差异，即使是同样的材料、同样的尺寸以及同一批生产出来的轴承，在完全相同的条件下工作，它们的寿命也会极不相同，如图16-6所示。

（3）轴承的基本额定寿命

按一组轴承中10%的轴承发生点蚀破坏，而90%的轴承不发生点蚀破坏前的转数（以106为单位）或工作小时数作为轴承的寿命，并把这个寿命叫做基本额定寿命，以L10表示。

对单个轴承而言，基本额定寿命意味着有90％的可能性达到或超过该寿命。

滚动轴承的基本额定寿命通常简称为寿命，以下如无特别声明，滚动轴承的寿命均指额定寿命。

图16-7轴承载荷－寿命曲线

（4）滚动轴承的基本额定动载荷

轴承的寿命与所受载荷的大小有关，如图16-7所示。

工作载荷越大，引起的接触应力也就越大，因而，在发生点蚀破坏前所能经受的应力变化次数也就越少，也就是说，轴承的寿命越短。

所谓轴承的基本额定动载荷，就是使轴承的基本额定寿命恰好为106转时，轴承所能承受的载荷值，用字母C表示。

对于向心轴承，指的是纯径向载荷，并称为径向基本额定动载荷，常用Cr表示；

对于推力轴承，指的是纯轴向载荷，并称为轴向基本额定动载荷，常用Ca表示；

对于角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是套圈间产生纯径向位移的载荷的径向分量。

不同型号的轴承有不同的基本额定动载荷值，它表征了不同型号轴承的承载特性。

在轴承样本中对每个型号的轴承都给出了它的基本额定动载荷值，需要时可从轴承样本中查取。

16.4.3滚动轴承寿命的计算公式

（1）滚动轴承载荷—寿命曲线

对于具有基本额定动载荷C（Cr或Ca）的轴承，当它所受的载荷P（当量动载荷，为一计算值）恰好为C时，其基本额定寿命就是106转。

但是当所受的载荷P≠C时，轴承的寿命为多少？

这就是轴承寿命计算所要解决的一类问题。

通过大量的试验，得出了某个轴承的载荷－寿命曲线（图16-7）。

该曲线表示这类轴承的载荷P与基本额定寿命L10之间的关系。

（2）载荷—寿命公式

轴承的载荷－寿命曲线可由下式表示

（16-1）

式中：

ε为指数，对于球轴承，ε=3；对于滚子轴承，ε=10/3。

用小时表示的载荷－寿命曲线公式

（16-2）

式中：

Lh——以小时为单位的轴承的寿命；

n——轴的转速，r/min。

应取Lh≥L′h，L′h为滚动轴承的预期寿命。

滚动轴承得预期寿命通常按机器的大修期限决定，各类机器中轴承的预期寿命的参考值列于表16.3中。

若已知轴承的当量动载荷P和滚动轴承的预期寿命L′h，则可按下式求得相应得计算基本额定动载荷C′，它与所选轴承型号得C值必须满足下式：

≥

（16-3）

表16.3轴承预期寿命的参考值L′h

使用场合

预期计算寿命（h）

不经常使用的仪器和设备，如闸门开闭装置

300～300

短期和间歇使用的机械，中断使用不致引起严重后果，如手动机械等

3000～8000

间断使用的机械、中断使用后果严重，如发动机辅助设备、流水线上的自动传送装置、升降机、车间吊车、不经常使用的机床等

8000～12000

每日8h工作的机械（利用率不高），如一般的齿轮传动等

12000～20000

每日8h工作的机械（利用率校高），如金属切削机床、连续使用的起重机、木材加工机械、印刷机械等

20000～30000

24h连续使用的机械，如矿山机械升降机、纺织机械、泵、电机等

40000～60000

24h连续使用的机械，中断使用后果严重，如纤维生产或造纸设备、发电站主电机、矿井水泵、船舶螺旋桨轴等

100000～200000

（3）高温下的计算公式

在较高温度下工作的轴承，应该采用经过较高温回火处理的高温轴承。

对于高温轴承来说，基本额定动载荷中应乘以温度系数ft。

计算变为：

（16-4）

温度系数见表16.4所示。

表16.4温度系数ft

轴承工作温度/（ºC）

≤120

125

150

175

200

225

250

300

350

温度系数

1.00

0.95

0.90

0.85

0.80

0.75

0.70

0.60

0.50

16.4.4滚动轴承的当量动载荷

在实际应用的情况下，一般滚动轴承受径向载荷Fr和轴向载荷Fa同时作用。

因此，在进行轴承寿命计算时，必须把实际载荷转换为与确定基本额定动载荷的载荷条件相一致的当量动载荷，用字母P表示。

当量动载荷P的一般计算公式为

（16-5）

式中，X、Y分别为径向、轴向载荷系数，其值见表16.5所示。

表16.5　径向载荷系数X和轴向载荷系数Y

轴承名称

轴承代号

相对轴向载荷

Fa/Fr≤e

Fa/Fr>e

判断系数e

12.3Fa/C0r

X

Y

X

Y

调心球轴承

10000

－

1

（Y1）

0.67

（Y2）

（e）

调心滚子轴承

20000

－

1

（Y1）

0.67

（Y2）

（e）

圆锥滚子轴承

30000

－

1

0

0.4

（Y）

（e）

深沟球轴承

60000

0.172

1

0

0.56

2.30

0.19

0.345

1.99

0.22

0.689

1.71

0.26

1.030

1.55

0.28

1.380

1.45

0.30

2.070

1.31

0.34

3.450

1.15

0.38

5.170

1.04

0.42

6.890

1.00

0.44

角接触球轴承

70000C

0.178

1

0

0.44

1.47

0.38

0.357

1.40

0.40

0.714

1.30

0.43

1.07

1.23

0.46

1.43

1.19

0.47

2.14

1.12

0.50

3.57

1.02

0.55

5.35

1.00

0.56

7.14

1.00

0.56

70000AC

－

1

0

0.41

0.87

0.68

70000B

－

1

0

0.35

0.57

1.14

注：

C0式轴承的基本额定静载荷。

括号内的系数Y、Y1、Y2和e的值应查轴承手册，不同型号的轴承，有不同的值。

实际上，在许多支承中还会出现一些附加载荷，如冲击力、不平衡力、惯性力以及轴挠曲或轴承座变形产生的附加力等等，为此，可对当量动载荷乘上一个根据经验而定的载荷系数fp，这样计算公式为：

　　　　　　　　　　　（16-6）

载荷系数fp如表16.6所示。

表16.6载荷系数

载荷性质

载荷系数

应用举例

无冲击或轻微冲击

1.0~1.2

电机、汽轮机、通风机、水泵等

中等冲击或中等惯性力

1.2~1.8

车辆、动力机械、起重机、造纸机、冶金机械、选矿机、卷扬机和机床等

强大冲击

1.8~3.0

破碎机、轧钢机、钻探机、振动筛等

16.4.5角接触轴承的轴向载荷计算

图16-8　径向载荷产生的轴向力

角接触球轴承和圆锥轴承由于结构上存在接触角，承受径向载荷时，要产生轴向反力，如图16-8所示。

图中F΄Ni是作用于第i个滚动体的反力，F΄Ni可以分解为径向分力FNi和轴向分力Fdi，所有滚动体轴向分力的总和Fd称为轴承的派生轴向力。

派生轴向力的大小与轴承上受载的滚动体的数目有关，为了保证这类轴承正常工作，应保证至少有半圈滚动体受载，此时派生轴向力的计算公式为：

其近似值见表16.7所示。

表16.7向心角接触轴承派生轴向力Fd

轴承类型

向心角接触球轴承

圆锥滚子轴承

α＝15ْ

α＝25ْ

α＝40ْ

Fd

eFr

0.68Fr

1.14Fr

Fr/（2Y）

注：

表中，e为判别系数，由表16.5查出；Y为表16.5中Fa/Fr>e的轴向载荷系数。

图16-9　角接触轴承正装图16-10　角接触轴承反装

为了保证角接触轴承的正常工作，通常是成对使用的，且需要预紧的，以防止其轴向窜动。

角接触轴承的安装有正装和反装两种形式。

所谓正装是指角接触轴承的两外圈窄边相对的安装形式，如图16-9所示，又称为面对面式安装。

所谓反装是指角接触轴承的两外圈宽边相对的安装形式，如图16-10所示，又称为背对式背安装。

根据力的径向平衡条件，很容易由径向力Fre计算出两个轴承上的径向载荷Fr1、Fr2，当Fre的大小及作用位置固定时，径向载荷Fr1、Fr2也就固定了。

由径向载荷派生的轴向力Fd1、Fd2的大小可按表16.7中公式（保证半圈滚动体受载时的派生轴向力）计算。

把派生轴向力的方向与外加轴向力载荷Fa的方向一致的轴承标为2，另一个标为轴承1。

如过到平衡时，应满足

Fae+Fd2=Fd1

如计算求出的Fd1和Fd2不满足上面的关系式时，就会出现下面两种情况。

当Fae+Fd2>Fd1时，则轴有向左窜动的趋势，相当于轴承1被“压紧”，轴承2被“放松”。

但如前所述，为了保证角接触轴承正常工作，应保证至少有半圈滚动体受载，所以被“放松”的轴承2的轴向力与其本身派生轴向力Fd2相等，即

Fa2=Fd2

而被压紧的轴承1所受的总轴向力Fa1必须与Fae+Fd2相平衡，即

Fa1=Fae+Fd2

当Fae+Fd2

Fa1=Fd1

而被压紧的轴承2所受的总轴向力Fa2必须与Fd1-Fae相平衡，即

Fa2=Fd1-Fae

轴承反力的径向分力在轴心线上的作用点叫做轴承的压力中心。

两种安装方式，对应两种不同的压力中心位置。

但当两轴承支点间距与轴承宽度相比大很多时，可用轴承宽度中点作为支点反力的作用位置，这样处理计算方便，误差也不大。

16.4.6滚动轴承的静载荷的计算

滚动轴承的静载荷是指轴承内外圈之间相对转速为0或很小时作用在轴承上的载荷。

为了限制滚动轴承在过载或冲击载荷作用下产生的永久变形，有时还需按静载荷进行校核计算。

滚动轴承的静载荷计算可参阅有关机械设计手册。

16.4.7不同可靠度时滚动轴承尺寸的选择

轴承样本中所列的基本额定动载荷时在90%可靠度时的数据。

但在实用中，由于各类机械对轴承的要求不同，对轴承可靠度的要求也不尽相同。

为了把样本中的基本额定动载荷值用于可靠度要求不等于90％的情况，引入寿命修正系数α1，这样轴承的额定寿命修正为

其中，L10——可靠度是90％时的寿命，即基本额定寿命，由式（16-4）计算；

α1——可靠度不为90％时的额定寿命修正系数，其值见表16.8。

表16.8　可靠度不为90％时的额定寿命修正系数α1

可靠度/%

90

95

96

97

98

99

Ln

L10

L5

L4

L3

L2

L1

α1

1

0.62

0.53

0.44

0.33

0.21

【例题16-1】齿轮减速器的高速轴用一对球轴承支承，转速n=2000r/min，轴承径向载荷Fr=2000N，Fa=500N有轻微冲击。

已知轴承型号为6211，查轴承手册得，Cr=43.2kN，C0r=29.2kN，求该滚动轴承的寿命。

【解】

（1）计算当量动载荷

相对轴向载荷：

12.3Fa/C0r=12.3×500/29200=0.214

由表16.5用线性插值法求判别系数e

由于Fa/Fr=500/2000=0.4>e，由表16.5查得，径向系数X=0.56，轴向系数Y由线性插值法求得：

有轻微冲击，查表16.6取fP=1.1，由式（16－6）得轴承的当量动载荷：

（2）计算轴承寿命

由于没有特别声明，工作温度认为正常，ft取1.0，由式（16－4）得滚动轴承的寿命为

16.5轴承装置的设计

轴承装置的设计主要是正确解决轴承的安装、配合、紧固、调节、润滑、密封等问题。

16.5.1滚动轴承的配置

合理的轴承配置应考虑轴在机器