第7章 滚动轴承的选择与应用
滚动轴承是广泛应用于各类机械中的重要基础件，其品种和规格有数万种之多。使用滚动轴承的机械及工作环境千差万别，在轴承应用中，由于轴承选择或应用不当引起的轴承失效有许多实例，尤其是早期失效大多数与轴承选择或应用不当有着密切的关系。所以，必须正确选择和应用轴承，才能充分发挥其应有的功能或性能。
那么，如何正确选择和应用轴承，首先在轴承选择前需要了解滚动轴承的应用特性，然后根据主机的使用条件进行轴承的应用设计，通过应用设计来选择合适的轴承结构类型、旋转精度、游隙等。在轴承的结构类型确定后，还需要依据其结构特点进行其他方面的应用设计，如轴承的配合、密封结构、支承结构、润滑方式、组配方式、装拆方式等。只有这样才能有效地保证轴承正常使用，本章将就这些内容做一些简要介绍。
7-1 滚动轴承的选择
一 滚动轴承的应用特性
滚动轴承的应用特性主要有承载能力特性、速度特性、摩擦特性、调心特性、旋转精度特性、刚性、振动与声音特性、使用寿命及可靠性等。
1 承载能力
承载能力是指轴承在一般工作状态下可以承受的载荷容量。轴承承载能力有两个指标来表示，即额定动载荷和额定静载荷。前者是轴承承载能力的动态性能，后者是轴承承载能力的静态性能。
在选用轴承时，对于同一套轴承套圈之间有相对运动的应采用基本额定动载荷作为选择承载能力的指标。对于套圈之间相对静止或转速很低的轴承，可以采用基本额定静载荷作为选择承载能力的指标。
滚动轴承的承载能力与轴承的结构和尺寸有关。一般情况下，在轴承结构一定时，轴承外形尺寸越大承载能力越大。在轴承外形尺寸一定时，滚子轴承的承载能力大于球轴承，其值为球轴承的1.5~3倍。为了便于各种轴承结构承载能力之间的比较，承载能力也可用“额定动载荷比”来表示，其含义是向心轴承的额定动载荷值与相同外形尺寸的深沟球轴承（推力轴承与推力球轴承相比）额定动载荷的比值。通过比值大小可以了解各种轴承承载能力的水平。
2 速度特性
滚动轴承在中低速（低于0.5倍的极限转速）条件下工作时，转速的高低对选择轴承没有太大的影响。但滚动轴承转速较高时，滚动体和保持架产生的惯性力会导致轴承运转状态和润滑状态的恶化，如旋转精度下降、振动和声音加剧、工作温度上升、打滑等。严重时还将造成轴承零件烧伤或黏着磨损失效的发生。
滚动轴承的速度特性可以用DmN值表示，其中Dm为轴承节圆直径，以毫米为单位，N为轴承转速，单位转/分。DmN的极限值表达式为：
式中f1、f2、f3为极限值修正系数，A是根据轴承类型和润滑方法给出的速度基本极限值，D、H分别为推力轴承的外径和高度，单位毫米，有关数据可以到相关资料上查询。根据公式(7-1)和(7-2)可以得到滚动轴承实际工作所允许的最高转速。轴承的极限转速与以下因素有关：
1)轴承的结构、材料、尺寸、精度、游隙；
2)保持架的结构和材料及引导方式；
3)润滑方式、润滑剂的性能和用量；
4)轴承所承受的载荷大小、方向和性质(指振动或冲击等)；
5)轴承的散热条件。
一般在轴承产品样本中给出的极限转速仅适用于以下场合：
1)当量动载荷小于等于0.1倍额定动载荷；
2)润滑与冷却条件正常；
3)向心轴承和推力轴承分别只承受径向力或轴向力；
4)0级公差的轴承。
不同的轴承结构其使用条件也不同，轴承样本中给出的极限转速只是一种在理想工作条件下的极限转速。在实际选用时，一般轴承工作时最高转速可以取0.8倍的极限转速。
在选择轴承时，如果极限转速不能满足使用要求时，可以通过提高轴承零件的制造精度、改变轴承结构、保持架结构或保持架的材料、对零件表面进行减磨处理、合理选择润滑方式或润滑剂的性能等方法来提高轴承的极限转速。
在轴承内径尺寸相同时，外径尺寸越小，滚动体的尺寸越小，零件的质量越轻，运转时的离心力也就越小，因此，在满足承载能力的前题下，可以选择轻系列的轴承。
保持架的结构对转速也有很大的影响。一般实体保持架比冲压保持架的极限转速高。
3 摩擦特性
虽然滚动轴承的最大优点是摩擦系数小，但仍然存在着摩擦。轴承内部各接触表面之间的摩擦，不仅影响轴承的温升、运转精度、功率消耗和承载能力，而且还会影响使用寿命。滚动轴承的摩擦特性是以摩擦力矩的大小来进行衡量的。摩擦力矩与轴承的结构设计、游隙、加工精度、载荷、转速和润滑条件等有关。
一般情况下，球轴承比滚子轴承的摩擦力矩小。受纯径(轴)向载荷时向心轴承(推力轴承)的摩擦力矩最小，受径向和轴向联合载荷时，轴承接触角α与载荷角β的值越接近则摩擦力矩越小。滚动轴承的接触角和载荷角见图7-1。
4 调心性能
滚动轴承的调心性是指轴承自身能够自动补偿偏斜并能保证正常工作的能力。轴承偏斜是指内外套圈中心线不重合。这种偏斜将引起轴承内部接触应力的分布不均匀，产生应力集中，最终导致轴承的早期失效。
深沟球轴承、圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承只能进行少量的角度补偿，调心球轴承或调心滚子轴承具有良好的调心性能，外球面球轴承调心性能更佳，推力球轴承容易产生偏斜，用带调心座垫圈的推力球轴承调心性能良好。轴线偏斜对滚(针)子轴承的影响较大，滚(针)子的长度越长影响越大，若对滚子母线的端部进行修缘，即滚子母线制造有一定凸度，可以改善轴线偏斜影响的程度。因此，应避免滚(针)子轴承在有轴线偏斜的工作条件下使用。常用轴承结构允许的偏斜量见表7-1。
5 旋转精度
轴承的旋转精度直接影响主机的工作精度。轴承工作时的旋转精度不仅与材料、制造精度、游隙及刚度等有关，还与支承轴承的零件精度和刚度以及配合精度有关。作用在轴承上的载荷也会对轴承旋转精度产生影响，而且载荷越大变形越大旋转精度也越低。轴承使用中的环境条件如振动、温度、润滑等也会对旋转精度产生一定影响。
6 振动与声音
轴承的声音有正常声和异音之分，正常声是由滚动体在滚道上因滚动而产生平滑且连续的声音。而异音一般都是由于各种不正常原因产生的，如接触或润滑不良、异物侵入、零件工作表面损伤、尺寸变化等，这些声音具有不连续而且变化的特征。
滚动轴承的振动主要由三部分组成，即与轴承弹性接触有关的振动、与零件制造误差有关的振动、与使用环境有关的振动。影响振动的原因有很多，游隙、载荷、轴承零件制造误差和支承轴承部件的制造误差、使用中杂质的侵入以及零件工作表面伤痕等都会引起振动。
7 刚性
滚动轴承的刚性就是指滚动体与滚道在载荷作用下产生变形后的相对位移关系。变形量与载荷的比值决定了刚度的大小，变形量越小刚度越大。可以通过施加预载荷来提高轴承的刚度，增加轴承的刚度可以提高轴承的旋转精度、减少振动和噪声、减少惯性力引起的打滑现象、补偿零件磨损引起的尺寸变化。合适的刚度还能改善零件之间的接触状况，使零件受力分布更加合理，从而提高轴承的疲劳寿命。刚度与轴承的结构、接触角、滚动体的尺寸和数量、载荷大小等有关。
8 温度性能
轴承在工作时，通常内圈温度总是高于外圈温度5℃~10℃，内圈的热膨胀也大于外圈。由于工作温度的影响，轴承的工作游隙会比安装时的小，因此，在轴承选择时应考虑轴承使用温度的影响因素。
9 寿命和可靠性
广义的滚动轴承寿命包括疲劳寿命、磨损寿命、精度寿命、密封寿命、振动寿命、摆动寿命等，这些都是根据轴承不同应用场合或主机的使用特点来划分的。通常所说的寿命是指轴承的疲劳寿命。轴承的疲劳寿命是指一套轴承中的一个套圈或滚动体的材料上出现第一个疲劳扩展迹象之前，轴承的一个套圈相对另一个套圈旋转的转数。影响轴承寿命的因素很多，有轴承材料、结构设计、零件制造、使用等诸多因素。但到目前为止，人们尚不能准确地说出每套甚至每一批轴承在正常工作状态下的定量的寿命值，大多数轴承寿命值只是统计意义上的寿命值。轴承的可靠性是指一组在相同条件下运转的近于相同的产品所期望达到或超过规定寿命的百分率。
二 滚动轴承的选择
选择合适的轴承至关重要。不同结构的轴承性能上差别很大。如何选择轴承，需要根据轴承的使用条件，多因素多角度地进行分析和评估。由于轴承应用广泛，所以，选择轴承没有固定的模式可依。在实际选用轴承时，应以既能满足主机的主要使用要求同时轴承又具有高的使用寿命和可靠性为原则，兼顾价格和供货保障能力等。
1 选择的步骤
滚动轴承选择的一般步骤见表7-2。
2 选择因素
1)结构
轴承按照承受载荷的方向可以分为向心轴承和推力轴承。向心轴承主要用于承受纯径向载荷如深沟球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等。推力轴承主要用于承受纯轴向载荷如推力球(滚子)轴承等。对于需要同时承受径向和轴向联合载荷作用的轴承，应视载荷作用的方向(或角度)、大小选择带接触角的轴承，其承受载荷的能力随接触角的变化而变化，接触角越大，轴向承载能力越大，而径向承载能力下降，一般当轴承的载荷角β(β=arctan(Fa/Fr))小于45°时，选择角接触球轴承或圆锥滚子轴承等，当载荷角大于45°时，选择推力角接触轴承，该类轴承的轴向载荷能力一般大于径向载荷能力。在选择轴承接触角时，理论接触角应大于载荷角。深沟球轴承由于有游隙的存在，也可以承受一定量的轴向载荷；内外圈带有挡边的圆柱滚子轴承，经过特殊设计也具有承受一定的轴向载荷能力。
实际选择轴承时，为同时满足径向和轴向载荷承载能力或速度要求还可以选择各种结构的组合轴承。
2)转速
转速较高、载荷较轻的可选择深沟球轴承或角接触球轴承，转速较高载荷较重的可选择圆柱滚子轴承或圆锥滚子轴承(有轴向载荷时)。推力轴承因结构限制一般转速较低。轴承样本给出的极限转速适用于载荷不大(P≤0.1C)、润滑和冷却条件正常的0级公差轴承，选用轴承速度时可参考该值，一般轴承的工作转速应低于该值，根据应用经验，最高工作转速可以取0.8 倍的极限转速。
深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承等摩擦系数小，适应高速应用场合。
3)尺寸
径向安装尺寸较小转速较高的场合可以选择直径轻系列、宽度窄系列的轴承。载荷较大转速较低的场合可以选择滚针轴承，还可以选用单套圈或无套圈轴承。在保证轴承应用特性的前题下，减小轴承外形尺寸或与支承部件组合成为单元化是当前轴承发展的趋势之一。
尺寸选择时，需要考虑的另一个问题是轴承的疲劳寿命。一般情况下，轴承的外形尺寸越大，相应的疲劳寿命也越长。但片面地要求长寿命，会使机械的体积增大，制造成本增加。而过低的使用寿命，则给使用带来麻烦。因此，在实际选用轴承寿命时可参考表7-3进行，轴承寿命确定后其尺寸也可以基本确定。
4)载荷
在外形尺寸相同的情况下，滚子轴承的载荷容量大于球轴承。如受纯径(轴)向载荷应选择向心(推力)类轴承，承受联合载荷时，当径向载荷大于轴向载荷时，可选择接触角小于45°的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，当轴向载荷大于径向载荷时，可选择推力角接触轴承。有冲击载荷时，可选择圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承或调心滚子轴承等。
在转速较低载荷较大的情况下，可以选用满装滚子轴承。重载荷还可以选择双列或四列轴承。
5)支承型式
由于轴的长度随温度变化会伸长或缩短，在设计时，一般将轴的一端固定而另一端在轴向可以自由游动。固定端轴承通常受联合载荷作用，应选择可以承受一定轴向力的轴承。而轴向游动支承轴承只承受径向载荷，因此，应选用向心轴承，以避免轴承本身产生的附加轴向力，影响轴向游动，这类轴承主要有圆柱滚子轴承和滚针轴承。若两个方向均需要轴向游动，可选择内圈或外圈无挡边的轴承。若轴向游动较大时，根据载荷性质内圈或外圈可以采用间隙配合。若要限制一个方向的轴向游动可选择内圈或外圈有单挡边的轴承。
6)精度
对于主机要求高旋转精度、高转速、不易维修、以及可靠性高的场合，需要选择高于0级公差以上的轴承。并应提高轴和外壳的精度和刚度与之匹配。
7)游隙
轴承的游隙有原始游隙、安装游隙和工作游隙。一般情况下原始游隙最大，工作游隙最小。游隙对轴承的使用有很大影响。因此，应合理地选择游隙，使轴承的旋转精度、温升、振动及寿命等性能处于最佳状态。
选择轴承游隙时，对于轻载荷、高转速、高精度、轴承工作温度较低的场合可选择较小的游隙组别，对于重载荷、冲击载荷、工作温度较高的场合可选择较大的游隙组别。
8)刚度
滚动轴承的弹性变形很小，在大多数应用场合不需要考虑刚性问题。只有在旋转精度要求高的场合如主轴轴承、薄板轧机等轴承对刚度有要求。在尺寸相同的情况下，滚子轴承的刚度比球轴承大。在轴承结构一定的情况下，通过施加预紧力也可以提高刚度，但所加的预紧力应通过设计计算，过大的预紧力对轴承的温度和疲劳寿命有影响。可以施加预紧力的轴承有圆锥滚子轴承、角接触球轴承、推力轴承等。
9)安装与拆卸
为了检测和维修的需要，在某些使用场合需要经常安装或拆卸轴承，这时可以选用内、外圈可以分离的轴承以便于安装和拆卸。可分离型轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承、推力轴承等。对于安装和拆卸轴承不方便的场合，在选择轴承时，应考虑选用承载能力较高和精度较高的轴承。
10)调心性能
当轴承由于制造误差或安装定位误差等原因，造成轴承内外圈产生偏斜时，会因局部应力过大而影响使用。因此，在选择轴承时，对于支承跨度大、多支点轴、支承精度相对较低、轴变形较大的场合可选择调心轴承，外球面轴承等。
11)使用温度
轴承的热量来源于两部分，一部分是轴承自身摩擦发热产生的热量，另一部分是轴承工作环境温度传导或辐射产生的热量。当轴承使用温度超过一定限度时，轴承的材料组织和尺寸将发生变化，引起零件材料硬度下降、尺寸精度发生变化、配合量减小、游隙减小等问题。因此，如果轴承需要长时间在高温状态下工作，在选择轴承时，应采用材料经过高温回火处理的轴承。还可以采用耐热钢材料制造轴承零件。
12)经济性
在选择轴承时，价格也是需要考虑的一个重要因素。轴承的价格主要体现在结构、材料的品种和质量、生产批量、制造精度等方面。相同尺寸的球轴承比滚子轴承价廉，轴承结构越复杂零件越多价格越高。材料的品种和质量不同，价格也不同，精度越高价格越高，制造精度高一个等级价格提高40%左右。所以，选择轴承时以满足使用要求即可，避免造成浪费。
满满都是干货，未完待续，欢迎关注……
下期预告：第7章 滚动轴承的选择与应用(2)
（来源：《滚动轴承基础知识》）
