【滚动轴承基础知识】第7章滚动轴承的选择与应用(2)（滚动球大破坏）

第7章滚动轴承的选择与应用

7-2 滚动轴承的安装与拆卸

滚动轴承安装质量的好坏直接影响到轴承的使用寿命。不正确的安装是导致轴承早期失效的主要原因之一。

一滚动轴承的配合

1 配合的意义

滚动轴承配合是指内圈与轴、外圈与外壳之间的配合。滚动轴承的配合一般采用两种方式，即过盈配合和间隙配合。从轴承安装和拆卸方便的角度考虑，采用间隙配合较好，但间隙配合容易产生振动或在旋转零件之间、静止零件之间产生旋转速度上的不同步而引起打滑(或蠕动)，而过盈量不足造成轴承受力后变形也会产生间隙。轴承与轴或外壳之间一旦出现打滑(或蠕动)会因润滑恶化而引起磨损，使轴或外壳的表面精度遭到破坏，磨损产生的颗粒物如果进入轴承内部将影响轴承的使用性能，严重的打滑(或蠕动)还会产生高温，使轴承的失效加快。

2 配合的选择

1)一般轴承配合的选择原则

(1)轴承内外圈表面必须支承良好、平稳。

(2)受“旋转载荷”的套圈不能在配合面上沿圆周方向发生滑动。但承受固定载荷的套圈可允许产生微量的圆周滑动，以缓慢改变其承载区域，使套圈滚道表面均匀受力。

(3)当游动端采用不可分离轴承时，应在配合上采取小间隙配合。

(4)选用过盈配合时，过盈量不易过大，在满足不产生滑动的前题下应尽量减小配合过盈量。过盈量过大，一会减小游隙，二容易造成内圈滚道表面形成拉应力，从而影响轴承的正常使用和寿命。

(5)轴承属于薄壁零件，而且制造精度较高，因此，与轴承相配合的零件的制造精度，尤其是几何形状精度应与轴承的制造精度相匹配。

(6)选择配合时，应考虑轴承安装和拆卸方便。过盈量大的配合不容易安装和拆卸，而且需要的安装和拆卸工具相对复杂。

2)配合的选择

选择合适的配合，应考虑轴承的结构、载荷、温度、精度,轴和外壳的材料、加工精度、壁厚、应力、安装方法和拆卸等。

(1)根据轴承载荷性质和大小选择

如果一个载荷作用的方向相对某个套圈是旋转的，则称这个载荷相对该套圈为“旋转载荷”。如果一个载荷作用的方向相对某个套圈是静止的，则称这个载荷相对该套圈为“静止载荷”。

在轴承实际使用中也有一些无法确定套圈是承受“旋转载荷”或“静止载荷”的情况，这种情况下的载荷我们称其为“不定载荷”或“摆动载荷”。

一般情况下，承受旋转载荷的套圈采用过盈配合，承受静止载荷采用(小)间隙配合或(小)过盈配合，承受冲击和振动载荷应选用过盈配合。对于一些应该采用过盈配合，但由于工作条件等因素的限制不得不采用间隙配合时，应考虑对配合面进行润滑，如一些轧辊用轴承内圈与轧辊轴颈的配合。

作用在滚动轴承上的载荷会使配合表面发生局部变形，从而导致配合处的有效过盈量减少或发生松动，并在压力作用下产生蠕动磨损。因此，一般载荷越大配合越紧，载荷的大小可以用当量动载荷P与轴承的基本额定动载荷C之比作为参考，其关系见表7-4。

由载荷引起的过盈量减少量可由下式估算：

式中：△dF一径向载荷引起的过盈量减少量；单位：μm

d一轴承内径，单位：mm；

B一轴承宽度，单位：mm；

Fr一径向载荷，单位：N；

C0一基本额定静载荷，单位：N。

根据载荷性质和大小选择配合的方法见表7-5、表7-6、表7-7、表7-8。

(2)根据工作温度选择

滚动轴承在运转时如果没有外部热源的影响，由于套圈的温度一般高于相邻零件的温度，从而影响轴承配合的松紧程度。滚动轴承内圈因热膨胀而与轴的配合变松，外圈与外壳孔的配合变得更紧。在高温状态下工作的轴承更是如此。一般来讲，如果轴承本身温度与轴承周围的环境温度温差为△t(℃ )时，此时，内圈温度比轴的温度高0.1~0.15△t，由内圈和轴温差引起内圈的过盈量的减少△dT可由下式求得：

外圈与外壳之间也会由于两者的温差及材料线膨胀系数的差异而使过盈量有所变化。

在选择配合时，如果外壳的温度高于轴承的温度，则外圈与外壳孔的配合应偏紧一些，反之，应偏松一些。如果轴的温度高于轴承的温度，则轴承内圈与轴的配合就应偏松一些，反之，应偏紧一些。

(3)根据配合面的粗糙度选择

如果轴的配合表面比较粗糙，在轴承安装时其峰部将被抹平，故实际得到的有效过盈量会比理论计算或实际测量得到的过盈量要小。实际得到的有效过盈量可由下式估算：

(4)由配合引起的套圈内应力

轴承采用过盈配合时，在外圈滚道面上会因收缩而产生压应力，内圈会因膨胀而产生拉应力。从裂纹扩展的角度讲，压应力可以减缓裂纹扩展的速度，而拉应力则加速裂纹扩展的速度，因此，当采用过盈配合时，应对过盈量进行控制，尤其是对轴与内圈的过盈量配合应控制在轴承内径的1/1000以下。

(5)根据支承型式选择

轴承属于薄壁零件，当轴承安装在容易变形的薄壁座孔、轻金属座孔和空心轴上时，应选用厚壁座孔、铸铁座孔和实心轴更紧一些的配合等级。对于安装在支承结构中自由端的轴承，其配合表面应考虑采用小间隙配合。采用无挡边圆柱滚子轴承时，在游动量不大的情况下，内(外)圈与轴(外壳)的配合均可采用过盈配合。

由于剖分式外壳制造精度相对较差，容易造成外圈椭圆或不规则变形，因此，应尽量不采用该结构，若必须采用时，应在配合上选用过盈量较小的配合或间隙配合，以避免轴承受挤压变形。

(6)根据安装与拆卸选择

轴承采用间隙配合时，装拆方法比较容易。而采用过盈配合时，必须考虑采用合适的安装和拆卸的方法和工具。对于需要经常拆卸轴承的场合可以选用较松的配合甚至间隙配合，对于要求轴承寿命长又不需要经常装拆的场合可采用较紧一些的配合。

(7)内径带锥孔轴承的配合

内径带锥孔的轴承一般要求的配合较紧。其配合不是靠轴颈公差来实现，而是由轴承压入锥形配合面的轴向距离来决定的。当轴承压入带锥度的轴颈时，轴颈锥度迫使内圈不断膨胀产生过盈。内圈膨胀后使得轴承的径向游隙减小，因此，安装时可以根据径向游隙减小量来控制配合过盈量。对于锥度1:12的实心轴，一般轴承在锥面上的轴向位移距离大约是径向游隙减小量的1.5倍。而径向游隙减小量又大约相当于配合面过盈量的0.8倍。

使用紧定套和退卸套的优点是便于安装拆卸，对轴颈尺寸公差、表面粗糙度等要求相对较低。因为紧定套具有弹性，可以适应轴的变形，但需要控制轴颈的形位公差。这种配合方式只适用于对旋转精度要求不高的场合。

3 对配合面的要求

当轴承是薄壁(壁厚小于套圈直径的0.2倍)零件又采用过盈配合时，轴颈和外壳孔的几何形状误差会直接影响到轴承零件的几何尺寸和旋转精度。如轴肩和座孔挡肩是轴承轴向位置的定位面，若它们存在端面跳动，轴承安装将产生偏斜。轴颈面的圆度、圆柱度误差也会反映到内圈的滚道面上，造成振动或局部受力。因此，对轴颈面和外壳孔的几何形状精度(见图7-2)必须提出要求。轴和外壳孔的形位公差见表7-9，配合面的表面粗糙度见表7-10。

二轴承的配置

轴承的支承结构对于保证轴的旋转精度和充分发挥轴承的应用特性有着重要的作用。而支承结构的设计需要考虑轴承的配置。一般机械中的转轴多采用双支承结构，每个支承中由单套或两套轴承组成。转轴的径向方向一般由两个支承共同限定，而轴向方向可以有三种方式来限定，即两端固定支承、一端固定一端游动支承和两端游动支承。

1 两端固定支承

两端固定支承是指两个支承各限制一个方向轴向位移的支承型式。支承型式如图7-3所示。两端固定支承结构简单，调整方便，使用角接触球轴承或圆锥滚子轴承并施加预载荷时，可以提高轴承的旋转精度和刚度，也可以减少钢球的打滑。因此，这种支承方式常用于精密、轻载、高速的机床主轴上。

2 固定一游动支承

固定一游动支承是指轴上一个支承端使轴承与轴或外壳的位置相对固定，以实现限制轴的两个方向的轴向位移。而另一端使轴承与轴或外壳的位置相对可以移动，以补偿轴因受热变形及制造误差而引起的长度变化。支承型式如图7-4所示，左端为固定端，右端为游动端。在这种支承中，轴的轴向定位精度取决于固定端轴承的轴向游隙大小。

固定一游动支承的运转精度高，适应性强，轴和外壳上两个支承的轴向定位间距尺寸要求不高。因此，在各种机床主轴、工作温度较高的蜗杆轴以及跨度较大的长轴支承中得到了广泛应用。

3 两端游动支承(见图7-5)

两端游动支承是指支承结构中两个支承端都不对轴的轴向位移进行限制。因此，此类支承常用于轴的轴向位置已经由其他零件限定的场合，如人字齿轮轴支承。

由于两端游动支承不需要精确限定轴的轴向位置，因此，安装时不必调整轴承的轴向游隙。工作中，即使处于不利的发热状态，轴承也不会被卡死。

在实际使用中，对于承受径向和轴向联合载荷的轴，两支承通常采用相同型号的角接触球轴承和圆锥滚子轴承。此时，两轴承的配置主要有三种排列方式，即背对背配置、面对面配置和串联配置。

1)背对背配置

当载荷中心处于轴承中心线以外或两套相邻轴承的外圈背面(宽端面)相对排列时称为背对背配置，见图7-6a。背对背配置载荷中心交点之间的跨度大，悬臂长度较小，因此，悬臂端刚性也较大。当轴承受热伸长时，轴承的游隙增加，故不会发生轴承卡死现象。但若采用的是预紧安装，预紧力将减小。

2)面对面配置

当载荷中心处于轴承中心线以内或两套相邻轴承的外圈前面(窄端面)相对排列时称为面对面配置，见图7-6b。面对面配置载荷中心交点之间的跨度较小，轴在两支承之间受径向载荷时挠度较小，安装和拆卸方便。但当轴承受热伸长时，轴承的游隙减小，容易发生轴承卡死现象，因此，应特别注意轴承轴向游隙的调整。

3)串联配置

当载荷中心处于轴承中心线的同一侧或一套轴承外圈的背面与相邻的另一套轴承外圈的前面(宽窄相对)相对配置时称为串联配置，见图7-6c。串联配置适用于轴向载荷大，需要多个轴承联合承担的场合。

三轴承的轴向固定

为了防止轴承在轴或外壳上发生不必要的移动，轴承的内外圈应作轴向固定。轴向固定包括轴向定位和轴向紧固。

1 轴向定位

轴承内圈的基准端面一般靠轴肩定位，外圈则靠外壳孔的挡肩定位。为了保证轴承端面与轴(挡)肩紧贴，在设计时应确保轴(挡)肩倒角R小于轴承装配倒角r，见图7-7。轴(挡)肩应具有一定的高度，以传递轴向载荷和方便装拆。轴(挡)肩的高度应根据轴承装配倒角选取，一般H(h)应大于1.8r，轴向载荷越大取值越高，但考虑到轴承拆卸问题，轴(挡)肩的高度可大致取0.8A。如果A与h差值过小，可在轴(挡)肩上设计拆卸槽。

轴(挡)肩最大圆角半径的选取见表7-11，轴(挡)肩的最小高度见表7-12。

2 轴向紧固

轴承的轴向紧固是为了使轴承始终处于定位时所确定的位置上。轴向紧固包括轴承内圈在轴上的固定和外圈在外壳内的固定。虽然轴承的内外圈都要求精确的定位，但并不一定要同时作轴向固定，应视支承的要求而定。在两端固定的支承结构中,每个支承只承受单向的轴向载荷，因此，只需从一个方向进行轴向固定，见图7-8a。一端固定一端游动的支承结构中，固定端承受双向轴向载荷，因此，需要采用双向轴向固定，见图7-8b。而游动端应根据轴承的类型和游动方式来决定固定方式，见图7-8c。

3 轴向固定装置

轴向固定装置的种类很多，选用时应考虑轴向载荷的大小、转速的高低、轴承的类型以及在轴上的安装位置和拆卸条件等。一般轴向载荷较大，转速较高时，内圈多采用锁紧螺母、止动垫圈等,外圈多采用端盖、螺纹环等紧固。当轴向载荷较小、转速较低时，内圈多采用轴用弹性挡圈、紧定套、退卸套等，外圈多采用孔用弹性挡圈、止动环等。许多轴向固定的装置同轴承一样已经是标准化零件，如锁紧螺母、止动垫圈、轴(孔)用弹性挡圈、紧定套、退卸套等。

四滚动轴承安装

滚动轴承是一种精密零件，具有较高的尺寸精度,如果安装不当,将会失去应有的精度和性能,严重时还会造成轴承失效。因此，轴承安装前应做好以下工作：

1)安装轴承的场地和安装工具必须清洁，以防止各种颗粒物带入轴承内部。

2)应根据设计要求检查与轴承相配合零件的尺寸和形状位置公差、倒角等,不合格的零件不能使用,注意不得将轴承作为检查相配合零件尺寸的工具。

3)清洗轴承相配合零件,除去锐角和毛刺。

4)对于采用润滑油系统进行润滑的轴承，安装前应检查油路是否畅通，润滑油过滤装置是否有效，一般过滤精度应控制在3微米以下。

5)在所有安装准备工作结束后才能打开轴承包装清洗轴承。对于采用防锈油封存的轴承，使用前应用煤油和汽油进行清洗。对采用防锈润滑两用油封存的轴承和密封轴承不用清洗可直接安装使用。清洗后的轴承应及时安装，以免被污染，不能及时安装的应放置在清洁的地方并注意防锈。需要人手接触清洗后的轴承时，可在手上涂抹防锈剂。

轴承的安装方法主要有压力法、温差法和液压法三种。

1 压力法

在常温条件下不改变相配合零件的尺寸，直接采用压力的方式进行安装(或拆卸)的方法称为压力法，见图7-9。此方法一般用于过盈量不大的中小型轴承的安装拆卸。而对于过盈量较大或大型轴承，以及刚度较弱的零件应避免采取此方法，防止相关零件变形。

用压力法安装轴承时，应在轴承的端面上均匀施加压力，并始终保持轴承与轴颈或外壳孔的同心，防止偏斜。切忌通过滚动体和保持架传递压力，这样会损伤轴承零件工作表面，影响轴承正常发挥性能。不允许用铁锤等工具直接敲击轴承。

压力法可采用压力机、锁紧螺母或软金属锤在轴承端面均匀敲击来实现。采用压力法时可在配合表面适度涂抹润滑剂以保护配合表面，但过量的使用润滑剂会影响过盈配合质量,造成轴承打滑,尤其对过盈量小的配合应慎重使用润滑剂。

2 温差法

当过盈量较大或在使用中需要经常装拆轴承时，用压力法装拆轴承容易损伤配合表面。此时可考虑采用温差法安装。温差法是利用加热(膨胀)或冷却(收缩)方法使轴承过盈量暂时消失，待常温后恢复来达到轻便安装和拆卸轴承的目的。

使用温差法装拆轴承时，无论选用何种加热或冷却方式，最主要的是控制轴承的温度。加热温度太高，会使轴承的材料组织、硬度或尺寸精度等发生变化，温度太低(冷却时温度)会使轴承发脆造成断裂。一般情况下，轴承的加热温度应低于材料回火温度60℃~70℃，对于普通轴承钢而言，最高的加热温度应控制在100℃以下。冷却的温度控制在-50℃以上。

温差法常用的方法有油加热法、空气加热法、火焰加热法和电感应加热法等。其中空气加热法需要温度加热箱，电感应加热法需要设计专用的电磁感应装置。这两种方法的优点是加热温度容易控制，电磁感应加热尤其适用于相同规格轴承批量安装。火焰加热法在使用时应注意火焰不能距离零件表面太近以免损伤零件表面，操作时应沿圆周均匀加热。

实际工作中，最常用的是油加热法，此法操作简便，不需要专用工具，加热用油多采用无腐蚀性的矿物油，如变压器油，闪点在250℃，安装时采用油浴加热，见图7-10。油浴加热时，将变压器油放入油槽，在油槽底部设置一个距离槽底60mm的支架，轴承放在支架上，目的是均匀加热和防止加热过程中轴承受污染，在槽中放一个温度计用于控制加热温度。油加热法适用于中小轴承的安装，而且对可分离或不可分离轴承均适合。

3 液压法

液压法装拆轴承是一种比较先进的方法。其原理是利用高压油通过预先加工好的油孔和油槽，进入轴承的过盈配合处形成高压油环膜，借助高压油的张力将配合表面涨开进行安装或拆卸，但液压法要求配合面的尺寸精度较高，否则容易泄油形成不了高压。液压法安装方法示意见图7-11。

五滚动轴承拆卸

滚动轴承的拆卸有两个目的，一是轴承已经损坏需要更换新轴承，二是检查或维修轴承后需要继续使用。对于拆卸下来进行检查或维修还要继续使用的轴承，拆卸时应特别小心不要损伤轴承。拆卸过盈配合的套圈时，只能将拆卸力施加在轴承的套圈上，不得通过滚动体拉拔套圈。拆卸时最好使用专用工具。另外，技术人员在设计轴(挡)肩结构时，应预先考虑轴承拆卸方法并设计好所需的拆卸结构(见图7-12、图7-13)，为以后的轴承拆卸提供方便条件。