滚动轴承的工作状态与特性

本小节将讨论向心轴承、角接触球轴承和圆锥滚子轴承工作时，轴承元件上载荷分布和变化的情况。

1. 轴承元件上的载荷分布

以向心轴承为例。当轴承工作的某一瞬间，滚动体处于图9.5所示的位置时，径向载荷Fr通过轴颈作用于内圈，位于上半圈的滚动体不受此载荷作用，而由下半圈的滚动体将此载荷传到外圈上。假设内、外圈除了与滚动体接触处共同产生的局部接触变形外，它们的几何形状并不改变。这时在载荷Fr的作用下，内圈的下沉量δ0就是在Fr作用线上的接触变形量。按变形协调关系，不在载荷Fr作用线上的其他各点的径向变形量为δi=δ0 cos(iγ)，i = 1，2，…也就是说，真实的变形量的分布是中间最大，向两边逐渐减小，如图9.6所示。可以进一步判断，接触载荷也是处于Fr作用线上的接触点处最大，向两边逐渐减小。各滚动体从开始受载到受载终止所对应的区域叫作承载区。

根据力的平衡原理，所有滚动体作用在内圈上的反力FNi的向量和必定等于径向载荷Fr。

应该指出，实际上由于轴承内部存在游隙，因此由径向载荷Fr产生的承载区的范围将小于180°。也就是说，不是下半部滚动体全部受载。这时，如果同时作用有一定的轴向载荷，则可以使承载区扩大。

2. 轴承元件上的载荷及应力的变化

轴承工作时，各个元件上所受的载荷及产生的应力是随时变化的。根据上面的分析，当滚动体进入承载区后，所受载荷即由零逐渐增加到FN2、FN1直到最大值FN0，然后再逐渐降低到FN1、FN2而至零（图9.5）。就滚动体上某一点而言，它的载荷及应力是周期性地不稳定变化的，如图9.6（a）所示。

图9.5　向心轴承中径向载荷的分布

滚动轴承工作时，可以是外圈固定、内圈转动，也可以是内圈固定、外圈转动。对于固定套圈，处在承载区内的各接触点，按其所在位置的不同，将受到不同的载荷。处于Fr作用线上的点将受到最大的接触载荷。对于每一个具体的点，每当一个滚动体滚过时，便承受一次载荷，其大小是不变的，也就是承受稳定的脉动循环载荷的作用，如图9.6（b）所示。载荷变动的频率快慢取决于滚动体中心的圆周速度，当内圈固定外圈转动时，滚动体中心的运动速度较大，故作用在固定套圈上的载荷的变化频率也较高。

转动套圈上各点的受载情况，类似于滚动体的受载情况，可用图9.6（a）描述。

图9.6　轴承元件上的载荷及应力变化

3. 轴向载荷对载荷分布的影响

当角接触球轴承或圆锥滚子轴承（现以圆锥滚子轴承为例）承受径向载荷Fr时，如图9.7（a）所示。由于滚动体与滚道的接触线与轴承轴线之间有一个接触角α，因而各滚动体的反力FN′i并不指向半径方向，它可以分解为一个径向分力和一个轴向分力。用FNi代表某一个滚动体反力的径向分力，如图9.7（b），则相应的轴向分力Fdi应等于FNi tan α。所有径向分力FNi的向量和与径向载荷Fr相平衡；所有的轴向分力Fdi之和组成轴承的派生轴向力Fd，它迫使轴颈（连同轴承内圈和滚动体）有向右移动的趋势，这应由轴向力Fa来与之平衡，如图9.7（a）所示。

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图9.7　圆锥滚子轴承的受力

当只有最下面一个滚动体受载时，

当受载的滚动体数目增多时，虽然在同样的径向载荷Fr的作用下，但派生的轴向力Fd将增大，即

式中 n —— 受载的滚动体数目；

Fdi—— 作用于各滚动体上的派生的轴向力；

FNi—— 作用于各滚动体上的径向分力。

式（9.2）尾部的不等号也表明了n个FNi的代数和大于它们的向量和。由式（9.2）可得出这时平衡派生轴向力Fd所需施加的轴向力Fa为

上述分析说明：

（1）角接触球轴承及圆锥滚子轴承总是在径向力Fr和轴向力Fa的联合作用下工作。为了使较多的滚动体同时受载，应使Fa比Fr tanα大一些。

（2）对于同一个轴承（设α不变），在同样的径向载荷作用下，当轴向力Fa由最小值（Fr tanα，即一个滚动体受载时）逐步增大时，同时受载的滚动体数目逐渐增多，与轴向力Fa平衡的派生轴向力Fd也随之增大。根据研究，当Fa≈1.25 Fr tanα时会有约半数的滚动体同时受载，如图9.8（b）所示；当Fa≈1.7 Fr tanα时，开始使全部滚动体同时受载，如图9.8（c）所示。

应该指出，对于实际工作中的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，为了保证轴承能可靠地工作，应使它至少达到下半圈的滚动体全部受载。因此，在安装这类轴承时，不能有较大的轴向窜动量。

图9.8　轴承中受载滚动体数目的变化