轴向载荷

物理学术语

轴向指的是沿轴的轴线方向，径向与之垂直是沿轴的半径方向。所以轴承的轴向载荷是指在轴承的轴线方向上产生的载荷。通俗的讲就是会将轴承内圈推出外圈的力。

基本研究

轴向载荷广泛存在于各种结构振动中，它不仅在理论上有重要研究价值，而且有广泛的工程背景。比如在火箭导弹的飞行过程中，存在着很大的轴向压缩载荷，这个轴压载荷对导弹横向振动特性存在不同程度的影响。

目前轴向载荷对结构振动特性的影响已经得到国内外高度关注，主要体现在轴向载荷对薄壁梁弯扭耦合动力响应，以及稳定性分析；而英国J.R.Banerjee等人利用动态刚度矩阵法研究了轴向载荷对复合材料梁弯扭耦合振动特性的影响。

研究发现当弹性波在周期性复合材料或结构中传播时，弹性波经过周期性调制，在特定的频率范围内不能传播。人们将该频率范围称为带隙，而这种具有弹性波带隙的周期性复合材料或结构则称为声子晶体。由于声子晶体的带隙特性可以有效控制弹性波的传播，并且带隙频率范围可人为设计，因而声子晶体在声学器件以及减振降噪方面具有广泛的应用前景。

轴承种类中按照承受轴向载荷能力的从小到大依次是：圆柱滚子轴承<球轴承<圆锥滚子轴承<端面轴承。

轴向载荷的计算方法

公式法

第一种方法是直接写出公式，此法在国内众多文献中可见到。

在一般计算中，如果Fa为轴线的方向，则轴承的轴向载荷可按下列两式两式算出，取其值较大者：

Fa1=S1

Fa1=S2+Fa

轴承的垂直轴线方向的轴向载荷可按下列两式计算，取其数值较大者：

Fa2=S2

Fa2=S1一Fa

轴承上产生的对于与其配合轴承来说是一个外力，它和外加轴向载荷Fa同方向。文献处理的方法的特点是比较简单，但使用时必须注意向心推力轴承在轴上的安装型式，型式不同时，轴承上的受力也不同。因此在计算轴向载荷时易发生错误。

力平衡条件法

针对图2的情况讨论如下:若S1十Fa>S2时，由平衡条件可知：S1+Fa=S2+△S2。式中△S2为轴承端盖对轴承2的附加反力。则作用在轴承2上的轴向载荷Fa2=S1+Fa，作用在轴承1上的轴向载荷Fa1=S1。

若S1+Fa

S2一Fa=S1+△S1

式中△S1为轴承端盖对轴承1的附加反力。则作用轴承1上的轴向载荷Fa1=S2一Fa，作用在轴承2上的轴向载荷Fa2=S2。

分析法

轴承1上产生的派生轴向力S1对于轴承2来说是外力，使轴承2有压紧的趋势，故定S，为“十”。图中外力口轴向力Fa也使轴承2有压紧的趋势，所以也定为“+”；故作用在轴承2上的轴向外力为(Fa+S1)。现就Fa+S1与S2的值相比较，讨论如下：

(1)若Fa十S1=S2，即作用在轴承2上的轴向外力(Fa+S1)与轴向内力S2相等。显然轴承2上的轴向载荷Fa2=S2=Fa+S1。

(2)若Fa十S1>S2，则轴承2有向右移动的趋势,而轴承端盖给轴承外圈反力△S2，△S2通过轴承外圈作用在轴承2中滚动体上的法向力如图3所示，其中径向分力相互平衡，而轴向分力使轴承2内向左方向的轴向内力增加△S2，从而使轴承2上所受的轴向外力与轴向内力相平衡，即：

Fa+S1=S2+△S2

所以作用在轴承2上的轴向载荷Fa2=Fa+S1。

(3)若Fa十S1

Fa+S1+△S1=S2

故作用在轴承2上的轴向载荷为S2。

根据以上三种情况分析可知，作用在轴承2上的轴向载荷Fa2，只要看作用在轴承2上的外力(Fa+S1)或派生轴向力S2哪一个大，就取哪一个为Fa2。

实例分析

轿车轮毂轴承轴向载荷特性分析：针对轿车实际行驶工况，基于静力学分析方法，建立简化的轿车行驶单轨模型，对轿车轮毂轴承轴向载荷特性进行分析。

轿车轮毂轴承的外部载荷是复杂多变的。在实际行驶当中,路况、行车速度、转弯半径和轮胎特性等都显著影响着轮毂轴承的寿命与性能。我们有汽车径向、轴向的轮胎载荷计算公式，但没有给出汽车在转弯状态下相应的计算方法或结果。从忽略曲线行驶阻力、轮胎切向力以及滚动阻力等，建立线性化的汽车刚体开始。

轮毂轴承的外部载荷通过轮胎施加在轮毂轴承上,即在轿车的实际行驶过程中,路面对轮胎的径向、轴向载荷等间接作用在了轮毂轴承上。根据力的传递特性,可认为轮毂轴承外部载荷等价于轮胎的外部载荷。汽车的侧向加速度由汽车转弯半径和行驶速度直接决定,其中,汽车的转弯半径与前轮转向角紧密联系。

分析表明:由于车身结构的固有频率大多低于15Hz，所以当轿车在行驶时的振动频率低于15Hz时，可将车身运动假设为刚体运动。并且，轿车前、后部分质量耦合关系不明显。忽略汽车转向系、轮胎和悬架的惯性、阻尼、弹性等非线性特性因素以及汽车横摆，假设汽车质心在路面上，并且系统是线性的，质心上作用的离心力不会改变两侧载荷的大小，即认为汽车只有前、后两个轮胎,质心在连接前、后轮的刚性架上，将轿车运动简化成为基本的线性化刚体运动，建立起刚性的汽车线性单轨模型。

汽车的坐标系固定于轮胎中心，其原点与轮胎的几何中心重合。设定x轴指向轮胎正前方，y轴指向左侧，z轴通过轮胎质心指向正上方。考虑一般情况,以前轮驱动的轿车为代表，汽车在横坡角为β的坡道上以固定转向角α和恒定速度v稳态转弯，建立刚性汽车单轨模型如下图所示。

轴向载荷对载荷分布的影响

当向心推力轴承承受径向载荷R时，由于滚动体与滚道的接触线与轴承轴线之间夹一个接触角α，因而各滚动体的反力Ni并不指向半径方向,而是沿接触点的法线方向，它可以分解为一个径向分力和一个轴向分力。用Pi代表某一滚动体反力的径向分力，则相应的轴向分力Fdi应等于Pi tanα。所有径向分力Pi的合力R’与径向载荷R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)向右移动，并最后与轴向力Fa平衡。

当只有一个滚动体受载时，即载荷角和接触角相等。当受载的滚动体数目增多，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。因这时作用于各滚动体上的径向反力Pi的方向各不相同，它们的向量和R’虽然与Fr平衡，但其代数和必大于Fr，而派生的轴向力Fd是由各个Pi分别派生的轴向力Fdi合成的，其值应按Fdi的代数和计得。所以在同样的径向载荷Fr作用下，由作用于各滚动体上Pi的分别派生的轴向力所合成的轴向力Fd，将比只有一个滚动体受载时派生的轴向力大。

以上分析说明：

（1）向心推力轴承必须在径向载荷R和轴向力A的联合作用下工作。

（2）对于同一轴承，在同样的径向载荷R作用下，当受载的滚动体数目不同时，就派生出不同的轴向力S，也就需要不同的轴向力A来平衡它。或者反过来说，在径向载荷R不变的条件下，当轴向力由最小值(Fa=Fr*tanα）这时由一个滚动体受载)逐步增大(即β角增大)，这意味着轴承内接触的滚动体数目逐渐增多。

对实际工作的向心推力轴承，为保证它能可靠地工作，应使它至少达到下半圈滚动体全部受载。因此安装这类轴承时，不能有较大的轴向窜动。

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