机械设计基础-第14章滚动轴承

TheoryofMachinesandMechanisms机械设计基础第14章

滚动轴承第14章滚动轴承本章主要教学内容

滚动轴承的特点、类型及代号

滚动轴承的失效形式及选型计算

滚动轴承的组合设计

滚动轴承的配合与装拆滚动轴承的润滑和密封本章教学目的熟悉滚动轴承的类型、代号、结构及特点掌握滚动轴承的失效形式、选择和计算方法掌握滚动轴承的组合设计方法滚动轴承是依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件，具有摩擦阻力小、起动容易、效率高等优点，因而在各种机械中得到广泛的应用。滚动轴承已标准化，由专业轴承厂集中生产；

在一般机械设计中，只需根据具体工作条件正确地选择轴承的类型和尺寸，并进行轴承组合设计。14-1滚动轴承的特点、类型及代号滚动轴承是标准件，主要掌握合理选择合理使用一、滚动轴承的构造和材料1.构造保持架：滚动体：外圈：内圈：与轴承座或机架配合，通常固定不动(也可随外圈旋转),内表面有滚道。与轴颈配合，随轴一起旋转，内圈外表面有滚道。介于内、外圈之间，是承受载荷和实现滚动摩擦的核心元件。又称隔离圈，将滚动体均匀分隔，避免其相互碰撞和摩擦，减少磨损并保证轴承平稳运转。滚动体分为：球滚子：圆柱形、圆锥形、滚针、鼓形等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；3.材料内、外套圈和滚动体：高硬度、高接触疲劳强度、良好耐磨性和冲击韧性

——含铬轴承钢，硬度60~65HRC保持架：避免滚动体直接接触，减少发热和磨损

——低碳钢；铜、铝、工程塑料二、滚动轴承的类型：

◆按可承受的载荷方向不同，滚动轴承分为两类：主要用来承受轴向力主要用来承受径向力径向接触轴承轴向接触轴承向心轴承推力轴承角接触向心(推力)轴承能同时承受径向力和的轴向力角接触轴承接触角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↑角接触向心(推力)轴承各类轴承的公称接触角：

α

球轴承：滚子轴承：点接触,运转灵活，但承载能力低线接触,承载能力高◆按滚动体形状分为圆柱滚子轴承滚针轴承圆锥滚子轴承球面滚子轴承一般：滚子轴承≈(1.5~

3)球轴承——但当d≤20mm时，宜采用球轴承（两者承载能力接近，球轴承便宜）——大载荷宜采用滚子轴承在同样的外形尺寸下，滚子轴承的承载能力大于球轴承。

刚性轴承：调心轴承：允许内外圈偏转角很小的轴承允许内外圈偏转角较大的轴承◆按轴承刚性分为◆按内、外圈可否分离分为

可分离轴承不可分离轴承影响轴承正常运转。角偏差↑→可采用调心轴承。

滚针轴承对轴线倾斜最敏感，应紧可能避免在轴线有倾斜的情况下使用。

轴承由于安装误差或轴的变形等都会引起内外圈中心线发生相对倾斜。其倾斜角称为角偏差。◆按结构形式不同，标准滚动轴承分为13类，最常用的有六类:构造和类型4深沟球轴承（6）圆柱滚子轴承（N、NU）调心球轴承（1）调心滚子轴承（2）滚针轴承（NA)径向接触轴承推力球轴承（5）推力滚子轴承（8）轴向接触轴承类型代号角接触球轴承（7）圆锥滚子轴承（3）向心角接触轴承

成对使用反向安装三、滚动轴承的代号滚动轴承为标准件：GB/T272-2017分段前置代号基本代号后置代号（组）滚动轴承12345678符号意义成套轴承分部件类型代号尺寸系列代号内径代号内部结构代号密封防尘与外圈形状变化代号保持架结构及其材料变化代号轴承材料变化代号公差等级代号游隙组代号配置代号其他宽度系列代号直径系列代号基本代号1、内径代号——表示内径尺寸系列代号类型代号内径代号直径系列代号宽度系列代号6201尺寸系列代号类型代号内径代号直径系列代号宽度系列代号2、尺寸系列代号

宽度系列代号：

表示同一内径和外径的轴承，可以有不同的宽度。8特窄0窄1正常2宽3、4、5、6特宽可省，但2、3类轴承应标出直径系列代号：指结构相同、内径相同的轴承，使用不同直径的滚动体，在外径和宽度方面的变化系列0,1特轻2轻5轻宽3中6中宽4重尺寸系列代号类型代号内径代号直径系列代号宽度系列代号2-调心滚子轴承3-圆锥滚子轴承3、类型代号用数字或字母表示代号为0，省略具体见表16-2尺寸系列代号类型代号内径代号直径系列代号宽度系列代号潘存云教授研制6深沟球轴承L直线轴承5推力球轴承U外球面球轴承4双列深沟球轴承NA滚针轴承3圆锥滚子轴承N圆柱滚子轴承29推力调心滚子轴承9推力圆锥滚子轴承2调心滚子轴承8推力滚子轴承1调心球轴承7角接触球轴承0双列角接触球轴承代号轴承类型代号轴承类型前置代号用字母表示表示成套轴承分部件常用的几类滚动轴承，一般无前置代号内部结构代号：如：C[a=15º]、AC[a=25º]、B[a=40º]后置代号用字母（+数字）表示，空半个汉字距离，或用—，/分隔表示轴承内部结构、密封与防尘、保持架及其材料、公差等级、游隙代号（按此顺序）公差等级(精度)代号：

表示成：/P0(可省)

、/P6、/P6x、/P5、/P4、/P2(精度逐渐增高)后置代号后置代号配置代号配置代号表示一对轴承的配置方式，在实际工程中要求轴承厂商专门选配后成对供应。轴承径向游隙系列代号：

表示成：

/C1、/C2、/C0(可省)

、/C3、/C4、/C5(游隙由小到大)后置代号注：①滚动轴承的径向游隙依次由小到大；②径向游隙为0时可省略不表示；③公差等级代号与游隙代号同时表示时，可简化--取公差等级代号+游隙组号；如“/P63”表示轴承公差等级为P6级、径向游隙3组。14-2

滚动轴承的失效形式及选择计算一、失效形式：

受力状况：

对于

=0

的向心轴承可以导出：

式中，z为轴承的滚动体的总数。失效形式：疲劳点蚀——

最主要的失效形式，滚动体表面、套圈滚道都可能发生点蚀过大塑性变形——

低速轴承的主要失效形式，接触应力过大(载荷过大或冲击载荷)，元件表面出现较大塑性变形磨损、胶合、内外圈和保持架破损等——使用维护不当而引起的，属于非正常失效设计准则：一般转速的轴承：

——进行寿命(额定动载荷)计算，防止疲劳点蚀破坏转速极低或仅作缓慢摆动的轴承：

——按静强度(额定静载荷)计算，防止塑性变形1、基本概念——寿命轴承寿命：(106r或h)轴承中任一元件出现疲劳点蚀前，所经历的总转数或总工作小时数。基本额定寿命：用

L10

表示一批相同的轴承，在相同的条件下运转，其中90％的轴承不发生疲劳点蚀前所经历的总转数或总工作小时数。寓意：一批轴承中有90％的寿命将比其基本额定寿命长；一个轴承在基本额定寿命期内正常工作的概率有90％，失效率为10％。注意：额定寿命随运转条件而变化比如：外载荷增大，额定寿命降低；因此，基本额定寿命并不能直接反映轴承的承载能力。90％10％完好二、轴承寿命计算针对失效形式：疲劳点蚀LPCP1106rL1轴承的疲劳曲线L2P2轴承的载荷——基本额定寿命曲线e为寿命指数，球轴承

e=3，滚子轴承e

=10/3基本额定动载荷定义：规定轴承在基本额定寿命L10

为106

转时，所能承受的最大载荷，用

C

表示；即：在C

的作用下，运转

106转时，有10％的轴承出现点蚀，90％的轴承完好。对于具体轴承，C为定值，按手册查取.对向心轴承(0º

a

45º)，C为纯径向载荷——Cr对推力轴承(45º<a

90º)，C为纯轴向载荷——Ca额定动载荷越大轴承的承载能力越大2、寿命计算目的：根据工作条件和设计要求，选择合适的轴承尺寸载荷与额定寿命的关系曲线：PεL10=常数式中：P

为当量动载荷L10为P作用下的额定寿命当载荷为额定动载荷C时：小时数表示：或：——已知轴承的C

，计算额定寿命——根据预期寿命Lh′，计算所需的C′

预期寿命所需额定动载荷轴承的额定寿命：LPCP1106rL1轴承的疲劳曲线L2P23、当量动载荷P的计算轴承可能同时承受径向载荷Fr和轴向载荷

Fa基本额定动载荷是在纯载荷作用下得出的：向心轴承为径向载荷Cr

推力轴承为轴向载荷Ca为了与C在相同的条件下进行比较，引入当量动载荷的概念：当量动载荷（

P）：一假想载荷，与C

同类型，与实际载荷对轴承的作用效果相等。FaFrX－径向载荷系数Y－轴向载荷系数

见表16-11实际工作（机器在工作中的冲击、振动、零件运转不平稳等）条件下，需引入载荷系数fP(见表16-9)修正P：4、向心角接触轴承轴向载荷Fa的计算Fr

、Fa

－轴承的径向、轴向力（注意区别与轴上载荷）对纯径向轴承：P=fPFr对纯轴向轴承：P=fPFa径向载荷Fr

的计算见轴受力分析，即：Fa并不是外界的轴向作用力，而应是轴承所受的轴向力，它应根据整个轴上的轴向载荷(对于向心推力轴承还应包括因径向载荷Fr产生的派生轴向力FS)之间的平衡条件得出RV1RV2RH1RH2FRFAFT而：⑴

角接触轴承的派生轴向力FS向心角接触轴承（角接触球轴承、圆锥滚子轴承）受纯径向载荷作用后，会产生派生轴向分力FS

派生轴向力FS

大小见表16-12派生轴向力FS的方向总是沿着内圈和滚动体对外圈脱离的方向FSFrFiFriFSiO角接触球轴承注意FS

的方向α表16-12内部轴向力FSFs=1.14FrFs=0.68FrFs=eFrFs=Fr／(2Y)70000B(a=40º)70000AC(a=25º)70000C(a=15º)角接触球轴承圆锥滚子轴承⑵

角接触轴承的排列方法为使

FS

得到平衡，角接触轴承一般成对使用

正装

－面对面安装轴承外圈的窄边相对，即内部轴向力指向相对，正装时跨距短，轴刚度大为简化计算，可认为支反力作用于轴承宽度的中点轴承正装时：圆锥滚子轴承的简图如下（将内圈与轴视为一体）：若

FS1+Fa>FS2轴向合力向右，轴有向右移动的趋势，但外圈被固定，左轴承放松，右轴承被压紧，会产生反力FS2’，使轴向力平衡，得:FRFr1Fr2FS1FS2Fa合力FS2′右轴承被压紧,轴向力左轴承被放松,轴向力FRFr1Fr2FS1FS2Fa轴承正装时：圆锥滚子轴承的简图如下（将内圈与轴视为一体）：若

FS1+Fa<FS2轴向合力向左，轴有向左移动的趋势，但外圈被固定，左轴承被压紧，会产生反力FS1’，使轴向力平衡，使得:合力FS1′左轴承被压紧,轴向力右轴承被放松,轴向力反装

－背靠背安装两轴承外圈的宽边相对，即派生轴向力指向相背，反装时跨距长，轴刚度小结论：轴承反装时，可得到与正装同样的结论根据排列方式判明派生轴向力FS1、FS2

的方向判明轴向合力（外载荷和内部轴向力）指向及轴可能移动的方向，分析哪端轴承被“压紧”，哪端轴承被“放松”“放松”端的轴向载荷等于自身的内部轴向力“压紧”端的轴向载荷等于除去自身派生轴向力后其它轴向力的代数和对于能承受少量轴向力而a=0

的向心轴承(如深沟球轴承)：FaFr1Fr2因为：a＝0,FS1＝0，FS2＝0所以：

F合力＝Fa图中：Fa1＝0Fa2＝Fa对于转速很低或缓慢摆动的轴承，为防止塑性变形失效，需计算轴承的静强度。当量静载荷P0P0=X0Fr+Y0Fa式中：X0、Y0－为静径向载荷系数和静轴向载荷系数，查轴承手册基本额定静载荷C0－使轴承中受载最大滚动体的接触应力达到下列规定值的载荷（球轴承：4200MPa；调心轴承：4600MPa；滚子轴承：4000MPa。GB/T4662-2021规定：受载最大的滚动体与滚道接触中心处产生总永久变形量约为滚动体直径的万分之一时的载荷，作为轴承静强度极限。）径向接触轴承的C0

是径向载荷向心角接触轴承的C0

是所受载荷的径向分量轴向接触轴承的C0

是中心轴向载荷注：如计算的

P0＜Fr，取P0＝Fr静强度条件为：式中：S0－静强度安全系数，查表13－8P0≤三、滚动轴承静载荷校核四.不同可靠度时滚动轴承的寿命计算基本额定寿命Lh10的可靠度为90%。但是，重要机器中的轴承，往往对可靠度有更高的要求某个可靠度下的寿命：式中：a1－可靠度系数，见表13-9可靠度（%）a1901.0950.62960.53970.44980.3990.21可靠度系数a1(GB/T6391-1995)14-3滚动轴承的组合设计为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，处理好轴承与其周围零件之间的关系。也就是要解决轴承的轴向位置固定、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。能满足固定可靠、运转灵活、保证精度、调整方便等方面的要求。

滚动轴承装置设计要求正确合理考虑轴承安装、固定、调整、密封、润滑、轴系刚度、精度问题固定可靠、运转灵活、保证精度、调整方便

组合结构设计举例：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、Fr5）滑轮轴：4类：双列深沟球轴承（∵轴较长）一、支承部分的刚性和同心度刚性：跨距尽量小，悬臂短；支承座加筋、加厚；滚子优于球轴承。同心度：两孔一次镗出；采用调心轴承加强筋加强筋二、单个滚动轴承的轴向定位与紧固1.轴肩、轴环与套筒

轴向定位：目的：使轴上零件有准确的位置例如：蜗轮的中间平面应通过蜗杆轴线；两个锥齿轮的锥顶要重合

根据轴向载荷大小选用不同结构，如轴端挡圈、圆螺母、套筒、弹性挡圈、端盖等轴承内圈轴向固定①轴肩固定。方便、可靠、最常用。④弹簧挡圈固定。轻巧，承受的轴向力小，常用于深沟球轴承。③轴端挡圈固定。用于高速轴向力较大时。②圆螺母固定。可靠，用于高速轴向力较大时。⑤锥套固定。靠摩擦工作，适用光轴、低速、轻载或经常装拆场合。②③④①⑤41◆弹簧挡圈固定。简单、方便、紧凑，但能承受的轴向力小。◆轴承端盖固定。最常用，适于高速、轴向力较大时。◆止动环固定。与带有止动槽的轴承配套，用于剖分式轴承座。◆螺纹环固定。用于高速、轴向力较大而不便采用轴承盖时。弹簧挡圈固定轴承端盖固定止动环固定螺纹环固定轴承外圈轴向固定三、组合轴承的配置一根轴上需要两个支点，每个支点由一个或多个轴承组成。滚动轴承组成的支承组合结构必须满足轴上零部件轴向定位可靠、准确，并要考虑轴在工作中有热伸长时其伸长量能够得到补偿，以避免受热时轴承顶死不能转动。作用：实际上是对整个轴系起固定作用，使轴系应有确定的位置，承受轴向力，防止轴向窜动；防止温升后卡死；轴承游隙的调整。常用三种固定方法：1、两端固定2、一端固定、一端游动3、两端游动1、两端固定这是最常见的固定方式两端的轴承各限制一个方向的轴向移动适合于工作温升不高的短轴（跨距L≤400mm）考虑到轴的受热伸长，应留出热补偿间隙0.2~0.3mmC=0.2~0.3mm预留补偿间隙双支点各单向固定（方案一）双支点各单向固定（方案二）：双支点各单向固定（方案三）：2、一端固定、一端游动适合于工作温度升高的长轴（跨距L＞400mm）固定支点的轴承内外圈左右均固定，承担双向轴向力游动支点的轴承只承受径向力，不承受轴向力当轴受热伸长时，游动支点随轴一起向外移动，避免轴承受到附加载荷作用，防止轴承卡住为什么“圆柱滚子”类轴承作游动支点时外圈亦需轴向固定？固定支承游动支承L游动支承3、两端游动一根轴上的两个轴承都不进行轴向固定，主要用于人字齿轮传动中的小齿轮轴。大齿轮轴进行了两端固定，小齿轮轴系，其轴向位置的约束靠人字齿的形锁合来保证。四、轴承组合的调整加减垫片的厚度1.轴承间隙的调整螺钉调整方法：调整垫片螺钉调整在装配轴系零部件时，应保证轴承有适当的游隙，以利于轴承的正常运转。常用的调整方法可以通过改变垫片的厚度，或使用螺钉调整等，使轴承内外圈之间在轴向压紧或放松，直至达到规定的游隙。2.轴承的预紧加金属垫片磨窄套圈放置金属垫片，然后夹紧内、外圈来预紧：通过夹紧磨窄了的内、外圈来预紧：方法：套杯+调整垫片3.轴上零件位置的调整目的：使轴上的零件具有准确的工作位置。如齿轮、带轮等例如：圆锥齿轮传动，要求两个节锥顶点相重合。对于蜗杆传动，要求蜗轮中间平面通过蜗杆的轴线。14-4轴承的配合与装拆1、

滚动轴承的配合内圈与轴颈：采用基孔制外圈与座孔：采用基轴制轴承配合种类应根据载荷的大小、方向和性质，及轴承的类型、转速和使用条件来决定。一般来说：载荷较大时，选择较紧的配合；当载荷方向不变时，转动圈配合要紧一些，而不动圈配合要松一些。经常装拆的轴承配合，要选间隙配合或过渡配合。转速较高、振动较大的要选择过盈配合。一般情况下，内圈与轴一起转动，外圈固定不动。故内圈与轴常取具有过盈的过渡配合，轴常用的公差带有r6、n6、m6、k6、j6；外圈与座孔常取较松的过渡配合，座孔常用的公差带有G7、H7、J7、K7、M7。轴承配合的具体选择可参照机械设计手册。2、滚动轴承的装拆要求：容易装拆；装拆时不被损坏，也不能损坏其他零件

——安装力或拆卸力不要通过滚动体传递轴肩高度应低于内圈厚度→拆卸时不损坏轴肩开槽轴承内圈Ｒ＞轴肩处ｒ安装轴承轴段不宜过长→易装易拆14-5滚动轴承的润滑和密封润滑的目的▲降低摩擦，减少磨损和发热量；▲油润滑可以起冷却、吸振、降噪、防锈等作用密封目的

防止灰尘、水分进入轴承，阻止润滑剂流失。滚动轴承中的各元件在工作中相互摩擦引起轴承温升、磨损、振动，因此良好的润滑是确保滚动轴承正常工作的必不可少的条件。为了防止润滑剂外流和灰尘进入轴承内部，还必须考虑轴承密封。需解决问题：1．润滑方式（油、脂、固体润滑）和方法（油浴润滑、滴油润滑、飞溅润滑等）

润滑方式视速度因素（dn）而定，参考表。2