第十四章滚动轴承设计1．教学目标1．了解滚动轴承的分类，结构、类型、代号；2．掌握滚动轴承选择的方法，能进行寿命计算等；3．重点掌握滚动轴承的装置设计方法；2．教学重点和难点【重点】轴承寿命计算；轴承组合设计。【难点】角接触轴承轴向载荷的计算；轴承组合设计。3．讲授方法：多媒体和演示柜教学滚动轴承是机器上一种重要的通用部件。它依靠主要元件间的滚动接触来支撑转动零件，具有摩擦阻力小、容易起动、效率高、轴向尺寸小等优点，而且由于大量标准化生产，具有制造成本低的优点。因而在各种机械中得到了广泛的使用。滚动轴承已经标准化，由专门的工厂大量生产。在机械设计中，我们的主要工作就是根据具体的工作条件正确的选用轴承的类型和尺寸，并进行轴承安装、调整、润滑、密封等轴承组合的结构设计。14.1滚动轴承的结构、类型和代号一、滚动轴承的基本结构滚动轴承严格来说是一个组合标准件，其基本结构如图所示。它主要有内圈爱游戏官方网站、外圈、滚动体和保持架等四个部分所组成。通常其内圈用来与轴颈配合装配，外圈的外径用来与轴承座或机架座孔相配合装配。有时也有轴承内圈与轴固定不动、外圈转动的场合。作为转轴支撑的滚动轴承，显然其中的滚动体是必不可少的元件；有时为了简化结构，降低成本造价，可根据需要而省去内圈、外圈、甚至保持架等。这时滚动体直接与轴颈和座孔滚动接触。例如自行车上的滚动轴承就是这样的简易结构。当内、外圈相对转动时，滚动体即在内外圈的滚道中滚动。常见的滚动体形状如图14-2所示，有滚动轴承的内、外圈和滚动体一般采用轴承铬钢（如GCr9、Gcr15、GCr15SiMn等）经淬火制成，硬度HRC60以上。保持架使滚动体均匀分布在圆周上，其作用是：避免相邻滚动体之间的接触。保持架有冲压式和实体式两种。冲压式：用低碳钢冲压制成。实体式：用铜合金、铝合金或工程塑料。具有较好的定心精度，适用于较高速的轴承。二、滚动轴承的主要类型及性能滚动轴承的分类依据主要是其所能承受的载荷方向（或公称接触角）和滚动体的种类。所以滚动轴承的一个重要参数就是接触角。接触角的概念：滚动体和套圈接触处的法线与轴承径向平面（垂至于轴承轴心线的平面）之间的夹角α称为公称接触角。α越大，则轴承承受轴向载荷的能力就越大。按轴承的内部结构和所能承受的外载荷或公称接触角的不同，滚动轴承分为：1、向心轴承（也称径向轴承）：主要或只能承受径向载荷的滚动轴承，其公称压力角为0～45。向心轴承按公称接触角的不同又可以分为0的向心轴承，如深沟球轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承等。向心轴承按公称接触角的不同又可以分为（1）径向接触轴承：公称接触角为0的向心轴承，如深沟球轴承、圆柱滚子轴承和滚针轴承等。其中深沟球轴承除了主要承受径向载荷外，同时还可以承受一定的轴向载荷（双向），在高转速时甚至可以代替推力轴承来承受纯轴向载荷，因此有时也把它看作向心推力轴承。它的设计计算也与后述的向心推力轴承（角接触球轴承、圆锥滚子轴承类似）。与尺寸相同的轴承相比，深沟球轴承具有摩擦因数小、极限转速高的优点，并且价格低廉，故获得了最为广泛的应用。（2）向心角接触轴承：公称接触角在0～45的向心轴承，如角接触球轴承、圆锥滚子轴承、调心轴承等。两种调心轴承在主要承受径向载荷的同时，也可以承受不大的轴向载荷。其主要特点在于：允许内外圈轴线），因而具有自动调心的功能，可以适应轴的挠曲和两轴承孔的同轴度误差较大的情况。2、推力轴承：主要用于承受轴向载荷的滚动轴承，其公称接触角为45～90。推力轴承按公称接触角的不同又分为（1）轴向接触轴承：公称接触角为90的推力轴承，如推力球轴承等。（2）推力角接触轴承：公称接触角为45到90的推力轴承，如推力角接触轴承等。按照承受单向轴向力和双向轴向力可以分为单列和双列推力轴承。3、向心推力轴承：这类轴承包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承，可以同时承受径向载荷和较大的轴向载荷。在工程上常用的滚动轴承五类：深沟球轴承、圆柱滚子轴承、单列推力球轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承。各类轴承的承载性能见教材表格所列。三、滚动轴承的代号（必须掌握）滚动轴承的种类很多，而各类轴承又有不同结构、尺寸和公差等级等，为了表征各类轴承的不同特点，为了便于组织生产、管理、选择和使用，国家标准中规定了滚动轴承代号的表示方法，由数字和字母所组成。滚动轴承的代号有三个部分代号所组成：前置代号、基本代号和后置代号。见下表：前置代号基本代号后置代号（组）轴承类型尺寸系列轴承内径内部结构密封防尘套圈变型保持架（材料）轴承材料公差等级游隙配置1、基本代号基本代号是表示轴承主要特征的基础部分，也是我们应着重掌握的内容，包括轴承类型、尺寸系列和内径。类型代号用阿拉伯数字（以下简称数字）或大些拉丁字母（简称字母）表示，个别情况下可以省略。尺寸系列是是由轴承的直径系列代号和宽（高）度系列代号组合而成，用两位数字表示。宽度系列是指径向轴承或向心推力轴承的结构、内径和直径都相同，而宽度为一系列不同尺寸，依8、0、1……6次序递增（推力轴承的高度依7、9、1、2顺序递增）。当宽度系列为0系列时，对多数轴承在代号种可以不予标出（但对调心轴承需要标出）。用基本代号右起第四位数字表示直径系列表示同一类型、相同内径的轴承在外径和宽度上的变化系列，用基本代号右起第三位数字表示（滚动体尺寸随之增大）。即按7、8、9、0、1、……5顺序外径尺寸增大，如图所示。内径代号是用两位数字表示轴承的内径：内径d=10～480mm的轴承内径表示方法见下表（有关尺寸的轴承内径需查阅有关手册和标准）。（用基本代号右起第一、二两位位数字表示）内径代号0001020304～96轴承内径（mm）10121517代号数52、前置代号、后置代号前置、后置代号是轴承在结构形状、尺寸、公差、技术要求等有改变时，在基本代号左右添加的补充代号。前置代号用字母表示，用以说明成套轴承部件的特点,一般轴承无需作此说明，则前置代号可以省略。后置代号用字母和字母—数字的组合来表示，按不同的情况可以紧接在基本代号之后或者用“－”、“/”符号隔开，其含义见轴承代号表格所示。常见的轴承内部结构代号及公差等级代号见下表：（1）内部结构代号代号含义及示例角接触球轴承公称接触角α＝157210C调心滚子轴承23122CAC角接触球轴承公称接触角α＝257210AC角接触球轴承公称接触角α＝457210B圆锥滚子轴承接触角加大32310B加强型（即内部结构设计改进，增大轴承承载能力）N207E（2）轴承公差代号代号含义和示例新标准GB/T272－93原标准GB272－88/P0公差等级符合标准规定的0级，代号中省略不标6203/P6公差等级符合标准中的6级6203/P6/P6XEX公差等级符合标准中的6X级6203/P6XP5公差等级符合标准中的5级6203/P5P4公差等级符合标准中的4级6203/P4P2公差等级符合标准中的2级6203/P2其精度等级按上表中的顺序依次提高。 各符号的含义可以查阅GB/T272－93，此处我们就不作过多介绍了。 【例】试说明轴承代号6206、32315E、7312C及51410/P6的含义。 6206：（从左至右）6深沟球轴承；2尺寸系列代号，直径系列为2，宽度系列为0（省略）；06为轴承内径30mm；公差等级为0级。32315E：（从左至右）3为圆锥滚子轴承；23为尺寸系列代号，直径系列为3、宽度系列为2；15为轴承内径75mm；E加强型；公差等级为0级。 7312C：（从左至右）7为角接触球轴承；3为尺寸系列代号，直径系列为3、宽度系列为0（省略）；12为轴承内径60mm；C公称接触角α＝15；公差等级为0级。 51410/P6：（从左至右）5为双向推力轴承；14为尺寸系列代号，直径系列为4、了宽度系列为1；10为轴承直径50mm；P6前有“/”，为轴承公差等级。 14.2 滚动轴承的类型选择 滚动轴承的类型很多，因此选用轴承首先是选择类型。而选择类型必须依据各类轴承的特性，在教材表格中的最后一列中给出了各类轴承的性能特点，供我们选用时参考。同时，我们在选用轴承时还要考虑下面几个方面的因素。 一、轴承所受的载荷（大小、方向和性质） 受纯径向载荷时应选用向心轴承（如60000、N0000、NU0000型等）。受纯轴向载荷应选用推力轴承（如50000型）。对于同时承受径向载荷R和轴向载荷A的轴承，应根据两者（A/R）的比值来确定：若A相对于R较小时，可选用深沟球轴承（60000型）、或接触角不大的角接触球轴承（70000C型）及圆锥滚子轴承（30000型）；当R相比较大时，可选用接触角较大的角接触球轴承（70000AC型或70000C型）；当A比R大很多时，则应考虑采用向心轴承和推力轴承的组合结构，以分别承受径向载荷和轴向载荷。 在同样外廓尺寸的条件下，滚子轴承比球轴承的承载能力和抗冲击能力要大。故载荷较大、有振动和冲击时，应优先选用滚子轴承。反之，轻载和要求旋转精度较高的场合应选择球轴承。 同一轴上两处支承的径向载荷相差较大时，也可以选用不同类型的轴承。 二、轴承的转速 在一般转速下，转速的高低对类型选择不发生什么影响，只有当转速较高时，才会有比较显著的影响。在轴承样本中列入了各种类型、各种尺寸轴承的极限转速nlim值。这个极限转速是指载荷（C为基本额定动载荷，后面我们再讲），冷却条件正常，且为0级公差时的最大允许转速。但nlim值并不是一个不可超越的界限。所以，一般必须保证轴承在低于极限转速条件下工作。 （1）球轴承比滚子轴承的极限转速高，所以在高速情况下应选择球轴承。 （2）当轴承内径相同，外径越小则滚动体越小，产生的离心力越小，对外径滚道的作用也小。所以，外径越大极限转速越低。 （3）实体保持架比冲压保持架允许有较高的转速。 （4）推力轴承的极限转速低，所以当工作转速较高而轴向载荷较小时，可以采用角接触球轴承或深沟球轴承。 三、调心性能的要求 对于因支点跨距大而使轴刚性较差、或因轴承座孔的同轴度低等原因而使轴挠曲时，为了适应轴的变形，应选用允许内外圈有较大相对偏斜的调心轴承，例如10000系列和20000系列的调心球轴承可以在内外圈产生不大的相对偏斜时正常工作。 在使用调心轴承的轴上，一般不宜使用类型的轴承，以免受其影响而失去了调心作用。 滚子轴承对轴线的偏斜最敏感，调心性能差。在轴的刚度和轴承座的支撑刚度较低的情况下，应尽可能避免使用。 四、拆装方便等因素 选择轴承类型时，还应考虑到轴承装拆的方便性、安装空间尺寸的限制以及经济性问题。例如，在轴承的径向尺寸受到限制的时候，就应选择同一类型、相同内径轴承中外径较小的轴承，或考虑选用滚针轴承。 在轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸时，应优先选择内、外圈可分离的轴承。 球轴承比滚子轴承便宜，在能满足需要的情况下应优先选用球轴承。 同型号不同公差等级的轴承价格相差很大，故对高精度轴承应慎重选用，等等。 14.3 滚动轴承的设计计算（选择方法） 滚动轴承的设计计算要解决的问题可以分为两类：1）对于已选定具体型号的轴承，求在给定载荷下不发生点蚀的使用期限，即寿命计算；2）在规定的寿命期限内和给定载荷情况下选取某一具体轴承的型号（即选型设计）。 滚动轴承尺寸选择的基本理论是通过对轴承在实际使用的破坏形式进行总结而建立起来的，所以首先我们必须了解滚动轴承的失效形式。 一．失效形式和设计准则 1、疲劳点蚀 实践表明：在安装、润滑、维护良好的条件下，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。成因是由于大量地承受变化的接触应力。 滚动轴承在运转过程中，相对于径向载荷方向的不同方位处的载荷大小是不同的，如图所示，与径向载荷相反方向上有一个径向载荷为零的非承载区；而且滚动体与套圈滚道的接触传力点也随时都在变化（因为内圈或外圈的转动以及滚动体的公转和自转）；所以滚动体和套圈滚道的表面受脉动循环变化的接触应力。