第13章 轴 承 209

式中，α为轴承的实际接触角。其值在一定范围内随载荷FA的大小而变化，且与滚道曲率半径和弹性变形量等因素有关。

13.3.1.3 径向载荷、轴向载荷联合作用的情况

此时，载荷分布情况主要取决于轴向载荷FA与径向载荷FR的大小比例关系。当FA

比FR小很多，即FA/FR很小时，轴向力的影响相对较小，仍按受纯径向载荷处理。相反，当FA/FR较大时，则必须计入FA的影响。此时，轴承的载荷情况相当于图13-6和图13-7的叠加，显然位于径向载荷FR作用线上的滚动体所受径向力最大，其总径向力Fmax可由式(13-1)和式(13-3)得到

F5Fmax?FR?Acot? (13-4)

ZZ由上式可见，这种情况下，滚动体的受力和轴承的载荷分布不仅与径向载荷和轴向载

荷的大小有关，还与接触角α的变化有关。

13.3.2 失效形式

滚动轴承常见的失效形式如下。

(1) 疲劳点蚀。滚动轴承工作时，在安装、润滑、维护良好的情况下，绝大多数轴承由于滚动体沿着套圈滚动，在相互接触的物体表层内产生变化的接触应力，经过一定次数循环后，此应力就导致表层下不深处形成微观裂缝。微观裂缝被渗入其中的润滑油挤裂而引起点蚀。疲劳点蚀是滚动轴承的主要失效形式。疲劳点蚀的发展会使轴承运转时产生噪声和振动，从而导致轴承失效。

(2) 塑性变形。在过大的静载荷和冲击载荷作用下，滚动体或套圈滚道上出现不均匀的塑性变形凹坑。这种情况多发生在转速极低或摆动的轴承。这时，轴承的摩擦力矩、振动、噪声将增加，运转精度也会降低。

(3) 磨损。滚动轴承在密封不可靠以及多尘的运转条件下工作时，易发生磨粒磨损。通常在滚动体与套圈之间，特别是滚动体与保持架之间有滑动摩擦，如果润滑不好，发热严重时，可能使滚动体回火，甚至产生胶合磨损。转速越高，磨损越严重。

此外，装配不当时轴承卡死、胀破内圈、挤碎内外圈和保持架等，这些失效形式虽然存在，但是是可以避免的。

13.3.3 设计计算准则

当选择滚动轴承类型后就要确定其轴承尺寸，为此需要针对轴承的主要失效形式进行计算。其计算准则如下。

(1) 对于一般转速的轴承(10r/min

(2) 对于高速轴承，除疲劳点蚀外其各元件的接触表面的过热也是重要的失效形式，因此除需要进行寿命计算外，还应校验其极限转速nlim。

(3) 对于低速轴承(n<1r/min)，可近似认为轴承各元件是在静应力作用下工作的，其失效形式为塑性变形，应进行以不发生塑性变形为准则的静强度计算。

210

机械设计基础与实践 13.4 滚动轴承类型的选择

选择轴承的类型，应考虑轴承的工作条件、各类轴承的特点和价格等因素。轴承类型选择的方案不是唯一的，可以有多种选择方案。选择时，应首先提出多种可行方案，经深入分析比较后，再决定选用一种较优的轴承类型。一般，选择滚动轴承时应考虑的问题主要有如下几个方面。

(1) 载荷情况。

轴承所承受载荷的大小、方向和性质，是选择轴承类型的主要依据。转速较高、载荷较小、要求旋转精度高时宜选用球轴承；转速较低、载荷较大或有冲击载荷时则选用滚子轴承。

根据载荷的方向选择轴承类型时，对于纯径向载荷，可选用深沟球轴承(60000型)、圆柱滚子轴承(N0000型)或滚针轴承(NA000型)；轴承承受纯轴向载荷时，一般选用推力轴承(50000型或80000型)；对于同时承受径向和轴向载荷的轴承，以径向载荷为主而轴向载荷较小的情况，可选深沟球轴承(60000类)或小接触角(α=15°)的角接触球轴承(70000类)；径向和轴向载荷都较大时，宜选大接触角(α=25°或者α=40°)的角接触球轴承(70000AC、70000B类)或圆锥滚子轴承(30000类)；以轴向载荷为主，径向载荷较小时，可选用深沟球轴承和推力轴承组合结构，分别承担径向载荷和轴向载荷。

(2) 轴承的转速。

轴承转速的高低对轴承类型的选择影响不大，极限转速主要是受工作时温升的限制。球轴承与滚子轴承相比，具有较高的极限转速，故在高速、轻载或旋转精度要求较高时宜选用点接触球轴承；速度较低，载荷较大或有冲击载荷时宜选用线接触的滚子轴承。推力轴承的极限转速很低，工作转速较高而轴向载荷较小时，可用角接触球轴承代替推力轴承承受轴向载荷。

(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。对于支点跨距大、轴的弯曲变形大或多支点轴，也可考虑选用调心轴承。圆柱滚子轴承、滚针轴承以及圆锥滚子轴承对角度偏差敏感，宜用于轴承与座孔能保证同心、轴的刚度较高的场合。值得注意的是，各类轴承内圈轴线相对外圈轴线的倾斜角度是有限制的，超过限制角度，会使轴承寿命降低。

(4) 轴承的安装和拆卸

当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件时，应优先选用内外圈可分离的轴承，如圆柱滚子轴承、滚针轴承和圆锥滚子轴承等。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1∶12的圆锥孔的轴承。

(5) 经济性要求

一般，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价格高。轴承精度愈高，则价格愈高。选择轴承时，必须详细了解各类轴承的价格，在满足使用要求的前提下，尽可能的降低成本。

第13章 轴 承 211

13.5 滚动轴承的选择及寿命计算

13.5.1 滚动轴承的基本额定寿命和基本额定动载荷

13.5.1.1 轴承寿命

轴承寿命是指单个轴承的一个滚动体或内、外圈滚道上出现疲劳点蚀前，一个套圈相对于另一套圈所转过的转数或在一定转速下工作的小时数。同样的一批轴承在相同工作条件(结构、尺寸、材料、热处理以及加工等完全相同)下运转，各轴承的实际寿命大不相同，最高的和最低的可能相差数十倍。实际选择轴承时只能用基本额定寿命作为选择轴承的标准。

13.5.1.2 轴承的基本额定寿命L10

轴承的基本额定寿命是指一批相同的轴承在相同条件下运转，其中10%的轴承发生点蚀破坏而90%的轴承不发生疲劳点蚀前能够达到或超过的总转数(106转为单位)或在一定转速下工作的小时数。

13.5.1.3 基本额定动载荷C

基本额定动载荷是指当轴承的基本额定寿命L10为106转时，轴承所能承受的载荷值。基本额定动载荷，对向心轴承，指的是纯径向载荷，用Cr表示；对推力轴承，指的是纯轴向载荷，用Ca表示；对角接触球轴承或圆锥滚子轴承，指的是使套圈间只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，基本额定动载荷大的，轴承抗疲劳的承载能力相应较强。

13.5.2 滚动轴承的寿命计算公式

轴承的寿命随载荷增大而降低，载荷与寿命的关系曲线如图13-8所示，此曲线用公式表示为

?C?L10??? (13-5)

?P??式中 P——当量动载荷；

ε——寿命指数，球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。 上式中L10是以106转为单位的，实际计算中常以h作为寿命单位。若取轴承的工作转速为n(r/min)，则上式可改写成以小时数为单位的寿命计算式为

?

图13-8 轴承的载荷-寿命曲线

L10h106?C???? (13-6) 60n?P?式中 L10h——工作小时数，h；

n——轴承转速，r/min。

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机械设计基础与实践 滚动轴承标准中规定，轴承的工作温度在100℃下得出L10h=1×106r(基本额定寿命)时轴承能承受的载荷值，称为基本动载荷(C)。如果温度高于100℃，使轴承材料的硬度下降，C值就会下降，所以要引入一个温度系数fT对C值进行修正。得出寿命计算公式为

L10h106?fTC? ???≥[Lh] (13-7) 60n?P??式中 fT——温度系数，见表13-6；

[Lh]——轴承的预期寿命，可根据机器的具体要求或参考表13-7所列数值确定。

表13-6 温度系数fT

轴承工作温度/℃ fT 100 1 125 0.95 150 0.90 175 0.85 200 0.80 225 0.75 250 0.70 300 0.60 表13-7 轴承预期寿命[Lh]的参考值 机 器 种 类 不经常使用的仪器及设备 航空发动机 中断使用不致引起严重后果的手动机械或农业机械等 间断使用的机器 中断使用会引起严重后果的机械设备，如升降机、输送机和吊车等 利用率不高的齿轮传动和电机等 利用率较高的通风设备和机床等 一般可靠性的空气压缩机、电机和水泵等 高可靠性的电站设备和给排水装置等 预期寿命/h 500 500~2000 4000~8000 8000~12000 12000~20000 20000~30000 50000~60000 >100000 每天工作8h的机器 每天工作24h的机器 将寿命计算公式(13-7)变形可得轴承选用公式为

P?60n[Lh]?C???fT?106?1/? (13-8)

根据计算所得C值查手册，使得C

13.5.3 滚动轴承的当量动载荷计算

滚动轴承的基本额定动载荷是在一定的运转条件下确定的，对于向心轴承，是指内圈旋转、外圈静止时的纯径向载荷；对于推力轴承，是指中心轴向载荷。如果作用在轴承上的实际载荷是径向载荷与轴向载荷联合作用，则与上述规定的条件不同。为在相同条件下比较，需将实际载荷转换成一个与上述条件相同的假想载荷，在这个假想载荷作用下，轴承的寿命和实际载荷下的寿命相同，称该假想载荷为当量动载荷，用P表示。

在不变的径向和轴向载荷作用下，当量动载荷的计算公式是

P?XFr?YFa (13-9)