机械设计基础课件第14章 滚动轴承

机械设计基础武汉理工大学物流工程学院机械设计及制造系罗齐汉qhluo@

1/15/2023FoundationofMachineDesign

第14章

滚动轴承及装置设计

熟悉滚动轴承的类型和代号，掌握滚动轴承的寿命计算，掌握滚动轴承的组合设计。

§14-1滚动轴承的结构、类型和代号一、基本结构外圈内圈滚动体保持架1/15/20233§14-1滚动轴承的结构、类型和代号二、主要类型按照滚动体形状:球轴承滚子轴承(圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等)按照承受载荷的方向:向心轴承径向接触α=0向心角接触0<α≤45°推力轴承轴向接触α=90°推力角接触45°<α<90°滚动体与外圈接触处的法线与垂直于轴承轴心线的平面之间的夹角称为公称接触角，简称接触角α1/15/20234三、滚动轴承的代号

滚动轴承的类型很多，而各类轴承又有不同的结构、尺寸、公差等级和技术要求，为便于组织生产和选用，国家标准规定了滚动轴承的代号。滚动轴承的代号由基本代号、前置代号和后置代号构成。1/15/20235§14-1滚动轴承的结构、类型和代号1.基本代号

表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础。按国家标准生产的滚动轴承的基本代号，由轴承类型代号、尺寸系列代号和内径代号构成。

1)类型代号是基本代号左起第一位，用数字或字母表示，代号为“0”(双列角接触球轴承)则省略。1/15/20236表14-2滚动轴承的主要类型和特性

轴承名称类型代号结构简图、承载方向主要特征和应用调心球轴承10000主要承受径向载荷，同时也能承受少量的轴向载荷。因为外圈滚道表面是以轴承中点为中心的球面，故能调心。调心滚子轴承20000能承受很大的径向载荷和少量轴向载荷，承载能力大，具有调心性能。圆锥滚子轴承30000能同时承受较大的径向、轴向联合载荷，承载能力大于“7”类轴承。内外圈可分离，装拆方便，成对使用。1/15/20237§14-1滚动轴承的结构、类型和代号表14-2滚动轴承的主要类型和特性

轴承名称类型代号结构简图、承载方向主要特征和应用双列深沟球轴承40000能同时承受径向和轴向载荷。径向刚度和轴向刚度均大于深沟球轴承。推力球轴承50000α=90°，只能承受轴向载荷，而且载荷作用线必须与轴线相重合，不允许有角偏差。有两种类型：单向--承受单向推力；双向--承受双向推力。高速时，因滚动体离心力大，球与保持架摩擦发热严重，寿命较低，可用于轴向载荷大、转速不高之处。深沟球轴承60000能承受很大的单向轴向载荷。1/15/20238§14-1滚动轴承的结构、类型和代号表14-2滚动轴承的主要类型和特性轴承名称类型代号结构简图、承载方向主要特征和应用角接触球轴承70000C(=15°)70000AC(=25°)70000B(=40°)能承受很大的径向载荷和少量轴向载荷，承载能力大，具有调心性能。圆柱滚子轴承N0000能承受较大的径向载荷，不能承受轴向载荷。因系线接触，内外圈只允许有极小的相对偏转。除左图所示外圈无挡边(N)结构外，还有内圈无挡边(NU)、外圈单挡边(NF)、内圈单挡边(NJ)等结构型式。滚针轴承NA0000

只能承受径向载荷，承载能力大，径向尺寸特小。一般无保持架，因而滚针间有摩擦，轴承极限转速低。这类轴承不允许角偏差。右图是有保持架带内圈的，也有不带内圈的。1/15/20239§14-1滚动轴承的结构、类型和代号1.基本代号

2)尺寸系列代号由轴承的宽(高)度系列代号(基本代号左起第二位)和直径系列代号(基本代号左起第三位)组合而成。1/15/202310§14-1滚动轴承的结构、类型和代号3)内径代号基本代号左起第四、五位数字，表示轴承公称内径尺寸。1.基本代号1/15/2023112.前置、后置代号

1)前置代号

用字母表示成套轴承的分部件，可参阅GB/272-93。

2)后置代号用字母(或加数字)表示。与基本代号空半个汉字距离或用符号“-”、“/”分隔。1/15/202312§14-1滚动轴承的结构、类型和代号类型和代号56308：6─深沟球轴承，3─中系列，08─内径d=40mm，公差等级为0级；N105/P5：7214AC/P4：30213：3─圆锥滚子轴承，2─轻系列，13─内径d=65mm，0─正常宽度，公差等级为0级；6103：6─深沟球轴承，1─特轻系列，03─内径d=17mm，公差等级为0级；N─圆柱滚子轴承，1─特轻系列，05─内径d=20mm，公差等级为5级；7─角接触球轴承，2─轻系列，14─内径d=70mm，公差等级为4级，公称接触角α=25°；1/15/202313§14-2滚动轴承类型的选择

由于结构的不同，各类轴承的使用性能也不相同，说明如下：

1、承载能力在同样外形尺寸下，滚子轴承的承载能力约为球轴承的1.5～3倍。所以，在载荷较大或有冲击载荷时应优先采用滚子轴承。但当轴承内径d≤20mm时，滚子轴承和球轴承的承载能力已相差不多，而球轴承的价格一般低于滚子轴承，故可优先选用球轴承。

角接触轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷。角接触向心轴承(0°＜α≤45°)以承受径向载荷为主；角接触推力轴承(45°＜α＜90°)以承受轴向载荷为主。轴向接触(α=90°)推力轴承只能承受轴向载荷。径向接触(α=0°)向心轴承，当以滚子为滚动体时，只能承受径向载荷；当以球为滚动体时，因内外滚道为较深的沟槽，除主要承受径向载荷外，也能承受一定量的轴向载荷。深沟球轴承结构简单，价格便宜，应用最广泛。

1/15/202314§14-2滚动轴承类型的选择§14-2滚动轴承类型的选择2、极限转速滚动轴承转速过高会使摩擦面间产生高温，润滑失效而导致滚动体回火或胶合破坏。滚动轴承在一定载荷和润滑条件下，允许的最高转速称为极限转速，其具体数值见有关手册。如果轴承极限转速不能满足要求，可采取提高轴承精度、适当加大间隙、改善润滑和冷却条件、选用青铜保护架等措施。3.角偏差轴承由于安装误差或轴受力变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜(见图a)。其倾斜角θ称为角偏差。角偏差较大时会影响轴承正常运转，故在这种场合应采用调心轴承(如图)。调心轴承的外圈滚道表面是球面，能自动补偿两滚道轴心线的偏差，从而保证轴承正常工作。滚针轴承对轴线偏斜最为敏感，应尽可能避免在轴线有偏斜的情况下使用。1/15/202315§14-3滚动轴承的主要失效形式和设计准则一、主要失效形式

1、疲劳点蚀（一般转速）2、塑性变形（低速、不回转、摆动）3、磨损、胶合二、设计准则疲劳点蚀→寿命计算塑性变形→静强度计算点蚀磨损胶合断裂1/15/202316§14-3滚动轴承的主要失效形式和设计准则1/15/202317§14-4滚动轴承的寿命计算一组同一型号的轴承，由于材料、热处理和工艺等很多随机因素的影响，即使在相同的条件下运转，寿命也不一样，有的甚至相差几十倍。因此对一个具体的轴承来讲，很难知其确切的寿命。但大量的轴承寿命试验表明，轴承的与寿命之间有如图所示的关系。一组同一型号轴承在同一条件下运转，90%的轴承在发生疲劳点蚀前能达到或超过的寿命，称为基本额定寿命。记作Ｌ（单位为百万转，即106r）或Lh（单位为小时）。对单个轴承来讲，能够达到或超过此寿命的概率为90%。轴承的基本额定寿命为一百万转时，轴承所能承受的载荷，称之为基本额定动载荷，用Ｃ表示。轴承一个套圈或滚动体的材料出现第一个疲劳扩展点蚀前，一个套圈相对另一个套圈的总转数，或在某一转速下的工作小时数，称为轴承的寿命。1/15/202318§14-4滚动轴承的寿命计算一、滚动轴承的寿命计算的基本公式实际计算时，用小时表示轴承寿命比较方便，如用n代表轴的转速(r/min)，则上式可写为:式中Ｐ称为当量动载荷。当量动载荷为一恒定径向(或轴向)载荷，在该载荷作用下，滚动轴承具有与实际载荷作用下相同的寿命。Ｐ的确定方法将在下一节阐述。轴承寿命与载荷有关，由负荷一寿命曲线（P-L曲线）试验表明：式中：ε——寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3

滚动轴承的基本额定寿命Ｌ(r)与基本额定动载荷Ｃ(N)、当量动载荷Ｐ(N)间的关系为:1/15/202319§14-4滚动轴承的寿命计算二、滚动轴承当量动载荷滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的试验条件下确定的。如前所述，对向心轴承是指承受纯径向载荷；对推力轴承是指承受中心轴向载荷。如果作用在轴上的实际载荷是既有径向载荷又有轴向载荷，则必须将实际载荷转换成与试验条件相同的载荷后，才能和基本额定动载荷进行比较。换算后的载荷是一种假定的载荷，故称为当量动载荷。当量动载荷的计算公式为:P=fP(XFR+YFA)式中：FR——径向载荷(N)FA——轴向载荷(N)fP——动负荷修正系数

X——径向动载荷系数Y——轴向动载荷系数对于向心轴承，当FA/

FR＞e时，表明轴向力的影响较大，可由表14-11查出X和Y的数值；当FA/

FR≤e时，表明轴向力的影响可以忽略不计(这时表中Y=0，X=1)。e值列于轴承标准中，其值与轴承类型和FA/

C0r比值有关(C0r是轴承的径向额定静载荷)。向心轴承只承受径向载荷时:P=FR

推力轴承(α=90°)只能承受轴向载荷，其轴向当量动载荷为:P=FA

1/15/202320§14-4滚动轴承的寿命计算三、角接触球轴承（7类）和圆锥滚子轴承（3类）轴向负荷FA的计算

角接触球轴承和圆锥滚子轴承的结构特点是在滚动体和滚道接触处存在着接触角α。当它承受径向载荷FR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)。各滚动体上所受轴向分力之和即为轴承的内部轴向力Fs。1。内部轴向力FS的大小及方向:FS的大小：可按照P252表14-12中的公式计算求得近似值。FS的方向：总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向。2。安装方式：为了使角接触向心轴承的内部轴向力得到平衡，以免轴窜动，通常这种轴承都要成对使用，对称安装。安装方式有两种：图a为外圈窄边相对(正装、面对面)，图b为外圈宽边相对(反装、背对背)显然，两种安装方式下轴的强度和刚度是不同的。1/15/202321§14-4滚动轴承的寿命计算3。轴向负荷FA的计算在图a中，有两种受力情况：(1)若FS1+FA>

FS2，则轴有右移的趋势(轴承2被压紧，轴承1被放松)，由于轴承2右端已固定，轴不能向右移动，故右端盖必然会提供给轴承2一个力增量ΔFS使轴受力平衡，即FS1+FA=FS2+ΔFS，由此可知结论：放松端轴承的轴向载荷等于它本身的内部轴向力，压紧端轴承的轴向载荷等于除本身内部轴向力以外其余轴向力的代数和。轴承1(放松端)：FAⅠ=

FS1

轴承2(压紧端)：FAⅡ=FS2+FS2

=FS1+FA(2)若FS1+FA<

FS2，则轴有左移的趋势(轴承1被压紧,轴承2被放松)，左端盖必然提供一个力增量ΔFS’使轴受力平衡，即FS1+FA+ΔFS’

=FS2，由此可知

轴承1(压紧端)：FAⅠ=

FS1+FS’

=FS2-FA

轴承2(放松端)：FAⅡ=FS21/15/202322§14-4滚动轴承的寿命计算轴向负荷FA计算的方法方法一:①在图上标注全部轴向力，判断轴的运动趋势；②判断轴承是“压紧”还是“放松”；③“压紧”＝除本身内部轴向力以外其余轴向力的代数和“放松”＝本身的内部轴向力方法二:取两者中较大者

取两者中较大者

1/15/202323§14-4滚动轴承的寿命计算课堂练习1、FR1=3600N，FR2=1800N，FA=400N，FS=FR/2Y，Y=1.8，求FA1，FA22、FR1=1000N，FR2=500N，FA=300N，FS=0.7FR，求FA1，FA2FR1FR2FAFR1FR2FA1/15/202324课堂练习3、已知FR1=4000N，FR2=2000N，FA1=500N，FA2=1500N，FS=FR/4，当FA/FR≤0.3时，P=fpFR当FA/FR＞0.3时，P=fp(0.4FR+2FA)fp=1.2求这两个轴承的当量动载荷FR2FR1FA1FA21/15/202325§14-6滚动轴承装置设计为了保证轴承在机器中正常工作，除合理选择轴承类型、尺寸外，还应正确进行轴承的组合设计，也就是要解决轴的轴向位置固定、轴承与其他零件的配合、间隙调整、装拆和润滑密封等一系列问题。一、滚动轴承的轴向固定(常用下面两种固定方式)1、两端固定式

如上图所示，使轴的两个支点中每一个支点都能限制轴一个的方向移动，两个支点合起来就限制了轴的双向移动，这种固定方式称为两端单向固定。它适用于工作温度变化不大的短轴，考虑到轴因受热而伸长，在轴承端盖与外圈端面之间应留出热补偿间隙δ，δ=(0.2～0.3)mm。

对角接触轴承，两端单向固定有两种方式(轴承正装和反装，如下图所示)，就装拆和轴承预紧来讲，正装要好些；就轴系的强度和刚度来讲，简支轴以正装为好，外伸轴则以反装为好。1/15/202326§14-6滚动轴承装置设计一、滚动轴承的轴向固定2、一端固定、一端游动式

这种固定方式是在两个支点中使一个支点双向固定以承受轴向力，另一个支点则可作轴向游动(如左图所示)。可作轴向游动的支点称为游动支点。这种固定方式，适用于温度变化较大的长轴。

游动端也有两种方式，当用深沟球轴承作游动支点时，应在轴承外圈与端盖间留适当间隙(如左图所示a)；当用圆柱滚子轴承作游动支点时，则轴承外圈应双向固定(如左图所示b)，以免内外圈同时移动，造成过大错位。

对于径向载荷和轴向载荷较大的轴，采用两个角接触轴承作固定端的结构见如中图所示，轴向力很大时可采用双向推力轴承来承受轴向力，其结构见如右图所示。1/15/202327§14-6滚动轴承装置设计二、轴系位置的调整和轴承预紧

1、轴承间隙的调整轴承间隙的调整方法有：1）靠加减两端轴承盖与机座间的一组垫片的厚度进行调整(图a)；2）利用螺钉1通过轴承外圈压盖移动外圈位置进行调整(图b)，调整之后，用螺母２锁紧防松。

2、轴承的预紧对某些可调游隙式轴承，在安装时给予一定的轴向压紧力（预紧力），使内外圈产生相对位移而消除游隙，并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形，借此提高轴的旋转精度和刚度，这种方法称为轴承的预紧。预紧可利用金属垫片(图a)或磨窄套圈(图b)等方法获得，也可采用其他方法。1/15/202328§14-6滚动轴承装置设计二、轴系位置的调整和轴承预紧

3、轴承组合位置的调整

轴承组合位置调整的目的，是使轴上的零件（如齿轮、带轮等）具有准确的工作位置。如圆锥齿轮传动，要求两个节锥顶点重合才能保证正确啮合；又如蜗杆传动，则要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线等。图为圆锥齿轮轴承组合位置的调整，套杯与机座间的垫片组２用来调整圆锥齿轮轴的轴向位置；在方案a中，垫片组２则用来调整轴承游隙，在方案b中，轴承间隙用螺母3调整。1/15/202329§14-6滚动轴承装置设计1、滚动轴承的配合由于滚动轴承是标准件，为了便于互换及适应大量生产，轴承内圈孔与轴的配合采用基孔制，轴承外圈与轴承座孔的配合则采用基轴制。选择配合时，应考虑载荷的方向、大小和性质，以及轴承类型、转速和使用条件等因素。当外载荷方向不变时，转动套圈的配合紧一些。一般情况下是内圈随轴一起转动，外圈与座孔常取较松的过渡配合，如座孔的公差采用H7、J7或JS7。当轴承作游动支承时，外圈与座孔应取保证有间隙的配合，如座孔公差采用G7。2、轴承的装拆

设计轴承组合时，应考虑有利于轴承装拆，以便在装拆过程中不致损坏轴承和其他零件。

如图所示，若轴肩高度大于轴内圈外径时，就难以放置拆卸工具的钩头。对外圈拆卸要求也是如此，应留出拆卸高度h1(图a、b)或在壳体上做出能放置拆卸螺钉的螺孔(图c)。三、滚动轴承的配合与装拆1/15/202330§14-6滚动轴承装置设计四、滚动轴承的润滑和密封1、滚动轴承的润滑

滚动轴承的润滑剂可以是润滑脂、润滑油或固体润滑剂。一般情况下，滚动轴承采用脂润滑，但在轴承附近已经具有润滑油源时（如变速箱内本来就有润滑齿轮的油），也可采用润滑油润滑。

具体选择可按速度因数dn值来定。d代表轴承内径；n代表轴承套圈的转速，dn值间接反应了轴颈的圆周速度，当dn＜(1.5～2)×105mm·r/min时，一般滚动轴承可采用润滑脂润滑，超过这一范围宜采用润滑油润滑。

因润滑脂不易流失，故脂润滑便于密封和维护，且一次装填润滑脂后可运转较长时间。油润滑的优点是比脂润滑摩擦阻力小，并能散热，主要用于高速或工作温度较高的轴承。

如图所示，润滑油的粘度可按轴承的速度因数dn和工作温度t来确定。油量不宜过多，如果采用浸油润滑，则油面高度应不超过最低滚动体的中心，以免产生过大的搅油损耗和热量。高速轴承通常采用喷油或喷雾方法润滑。润滑和密封对滚动轴承的使用寿命具有重要意义。

润滑的主要目的是减小摩擦与减轻磨损。滚动接触部位如能形成油膜，还有吸收振动、降低工作温度和噪声等作用。

密封目的是防止灰尘、水分等进入轴承，并阻止润滑剂的流失。

1/15/202331§14-6滚动轴承装置设计四、滚动轴承的润滑和密封2、滚动轴承的密封

滚动轴承密封方法的选择与润滑的种类、工作环境、温度、密封表面的圆周速度有关。密封方法可分两大类：接触式密封和非接触式密封。它们的密封型式、适用范围和性能，可参阅下表。密封

类型图例适用场合说明接

触

式

密

封

脂润滑。要求环境清洁，轴颈圆周速度v不大于(4～5