19.4 滾動軸承裝置的設計

19.4.1 軸承的配置與支承結構

軸承配置與支承結構的形式主要有以下三種，前兩種應用較廣泛。

19.4.1.1 兩固定端配置

普通工作溫度下的短軸（跨距小于400mm）支點通常采用兩固定端配置的方式，每端單向固定，軸承各承受一個方向的軸向力。為允許軸工作時有少量熱膨脹，軸承安裝時應留有0.25～0.4mm的軸向間隙，間隙量用墊片或調整螺釘調節。

兩固定端配置常選用一對深溝球軸承（見圖19-16a）。有較大軸向載荷時，則選用一對角接觸球軸承（見圖19-16b）或一對圓錐滾子軸承（見圖19-16c、d、e）。一般角接觸軸承常采用面對面安裝，裝拆調整方便。而對載荷位于支點外的軸系（見圖19-16e中的錐齒輪軸系），則有時采用背對背安裝的方式，以提高軸系的剛性。

角接觸軸承的支承結構，可通過調整軸承套圈的軸向位置使軸承達到所要求的游隙或預緊量。因此這種支承結構特別適用于運轉精度要求高的機械。

19.4.1.2 固定-游動配置

當軸較長或工作溫度較高時，軸的熱膨脹伸縮量大，宜采用一端雙向固定，一端游動的支承結構。固定端由單個軸承或軸承組承受雙向軸向力，而游動端軸承沿軸向可自由游動，充分保證軸正常的熱脹冷縮。

在固定-游動配置方式下固定端要承受徑向力和雙向軸向力，視軸向力的大小可采用一個深溝球軸承（見圖19-17a、b），一對角接觸軸承面對面或背對背安裝（見圖19-17c、d）或深溝球軸承與雙向推力軸承的組合（見圖19-17e），采用一對角接觸軸承組成固定端，不僅承載能力大，而且軸向定位精度高。

游動端一般采用深溝球軸承（見圖19-17a、c、e）或圓柱滾子軸承（見圖19-17b、d）。通常，深溝球軸承的外圈與外殼孔形成間隙配合而實現軸端游動，內圈兩側需軸向固定；圓柱滾子軸承則靠內外圈之間的相對位移實現游動，內外套圈兩側均需要軸向固定。

19.4.1.3 兩端游動配置

圖19-18所示人字齒輪傳動的高速軸，為了自動補償輪齒兩側螺旋角的制造誤差，使輪齒受力均勻，采用兩端游動的軸承配置。此時與其嚙合的低速齒輪軸必須兩端固定。游動軸根據齒輪的嚙合關系自動找正后，兩軸在軸向都有確定定位。

幾乎所有不需要調整的軸承，均可用作游動支承。設計時應使軸承允許的游動量略大于軸所需的最大游動量。游動量較小時，可選用圓柱滾子軸承，較大時可選深溝球軸承，當游動軸跨度大或兩軸承座同軸度差時應選調心軸承。角接觸軸承不宜用作游動支承。

19.4.2 軸承的軸向固定

常用的軸向固定結構可參考表19-26、表19-27。

19.4.3 軸承的配合

19.4.3.1 滾動軸承公差

滾動軸承的內圈與軸的配合采用基孔制，外圈與座孔的配合采用基軸制。與一般的圓柱面配合不同，滾動軸承具有特殊的標準公差，其內外徑的上極限偏差均為零值，在配合種類相同的條件下，內圈與軸頸的配合較緊，與內圈配合的軸和與外圈配合的孔選用標準的圓柱體極限偏差和配合（見圖19-19）。

選定軸頸和座孔的公差等級與軸承精度有關。與P0級精度軸承配合的軸，其公差等級一般為IT6，座孔一般為IT7。P0級公差滾動軸承常用配合及軸和軸承座的公差帶如圖19-19所示。

19.4.3.2 滾動軸承的配合選擇

軸承承載的輕重一般以當量動載荷P與額定動載荷C的比值大小確定為輕載、正常載荷或重載荷（見表19-28）。

安裝向心軸承的軸公差和外殼孔公差可參考表19-29、表19-30。安裝推力軸承的軸公差和外殼孔公差可參考表19-31、表19-32。

軸和外殼孔的形位公差見表19-33。

表面粗糙度見表19-34。

①凡對精度有較高要求的場合，應用j5、k5…代替j6、k6…等。

②圓錐滾子軸承、角接觸球軸承配合對游隙影響不大，可用k6、m6代替k5、m5。

③重載荷下軸承游隙應選大于0組。

④凡有較高精度或轉速要求的場合，應選用h7（IT5）代替h8（IT6）等。

⑤IT6、IT7表示圓柱度公差數值。

19.4.4 軸承的預緊

預緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉精度，延長軸承壽命。

19.4.4.1 軸向預緊與徑向預緊

按預載荷的方向可分為軸向預緊和徑向預緊。

徑向預緊的目的是增加承載區內的滾動體數，提高支承剛度。圓錐形內孔的軸承，用鎖緊螺母調整內圈與緊定套的相對位置，減小軸承的徑向游隙，即可實現徑向預緊。

角接觸球軸承通過軸向預緊，可明顯提高軸向剛度。圖19-20所示為單個角接觸球軸承的載荷-變形曲線，其彈性變形量δa與軸向外載荷Fa的關系為δa∝Fa2/3。沒有預緊時，在Fa作用下，軸承的軸向變形量為δaⅠ；而在具有預緊載荷Fa0條件下，同樣作用軸向載荷Fa，軸承的軸向變形增量為δaⅡ，顯然δaⅡ＜δaⅠ，軸承的軸向剛度有所提高。

19.4.4.2 定位預緊與定壓預緊

（1）定位預緊 定位預緊是指軸承的軸向位置在使用過程中保持不變的軸向預緊方式。一對角接觸軸承成對安裝時可采用加金屬墊片，磨窄套圈和加內外隔套的方法得到一定的預緊變形量（見圖19-21）。

兩個相同型號角接觸球軸承成對安裝時，其軸向載荷與變形曲線如圖19-22所示，兩條曲線的交點表示在預緊載荷Fa0作用下，兩個軸承的變形量皆為δa0。在外軸向力Fa作用下，軸將沿Fa方向作較小移動δa，此時軸承Ⅰ增加變形δa，而軸承Ⅱ減小變形δa。由圖上看出，受力較大的軸承Ⅰ所承擔的ΔFaⅠ只是工作載荷Fa的一部分，與單個軸承預緊后受載相比，變形增量更有所降低，其工作剛度進一步提高。

圓錐滾子軸承彈性變形δa與外載荷Fa的關系式為δa∝Fa0.9，接近線性關系。單個軸承預緊剛度提高不甚明顯，而成對安裝預緊后軸承受載的變形增量約為不預緊軸承的1/2，其剛度可提高一倍（見圖19-23）。

（2）定壓預緊 定壓預緊是軸承的預緊載荷在使用中保持不變的軸向預緊方式。如圖19-24所示，通過調整彈簧的壓縮量使軸承獲得一定預緊量。

定壓預緊對支承系統軸向剛度的增加并不明顯，但運行中軸承的預緊載荷不受溫差引起軸長度變化的影響而保持不變，適用于要求運轉精度高的高速工作場合。

19.4.5 軸承的潤滑

滾動軸承運轉時，應通過潤滑避免元件表面金屬直接接觸。潤滑除降低摩擦和減輕磨損外，也有吸振、冷卻、防銹和密封等作用，合理潤滑對提高軸承性能、延長軸承使用壽命有重要意義。

滾動軸承通常采用脂潤滑，高速重載或高溫時需用油潤滑，某些特殊情況如高溫，惡劣環境或真空條件下可采用固體潤滑。一般情況下滾動軸承潤滑方式可根據速度因數dn值參考表19-35選取。

19.4.5.1 脂潤滑

（1）潤滑脂選用 潤滑脂是用基礎油、稠化劑及添加劑制成的半固體狀潤滑劑。按稠化劑不同可分為鈣基、鈉基、鋁基、鋰基等種類。常用潤滑脂的性質和用途見表19-36。

選用潤滑脂時首先要注意其滴點（工作溫度應低于滴點20～30℃）抗水性和錐入度（錐入度數值越大表示潤滑脂越軟）等性能。一般低速、低溫時選鈣基脂，較高工作溫度時選鈉基脂或鈣鈉基脂，高速或載荷工況復雜時選鋰基脂。潮濕環境采用鋁基脂或鋇基脂而不宜選用遇水分解的鈉基脂。在承受重載荷、沖擊載荷條件下，應使用含極壓添加劑的潤滑脂。一般工作和密封條件下的軸承常選錐入度295～265的2號脂，高溫或要求泵送性好的情況下則選錐入度大的潤滑脂。

（2）潤滑脂的使用 潤滑脂的填充量一般應以軸承和軸承殼體空間的1/3～1/2為宜。若加脂過多，由于攪拌發熱，會使潤滑脂變質，高速時填充至1/3或更少。

在工作過程中，由于剪切作用和老化，潤滑脂的潤滑性能逐漸降低，必須間隔一定時間進行補充或更換。

潤滑脂的補充周期與軸承結構、尺寸、轉速、溫度和環境條件有關。圖19-25所示為幾種軸承的潤滑脂補充周期曲線（工作溫度70℃），可根據軸承內徑和轉速，查出潤滑脂更換的大致時間。若工作溫度超過70℃，每上升15℃，補充周期應減半。

19.4.5.2 油潤滑

滾動軸承一般采用礦物油潤滑。特殊情況下加入極壓、防老化等添加劑以提高潤滑性能。在極高極低轉速或溫度下可選用合成油。

潤滑油在工作溫度下必須保持一定黏度以維持滾動元件間有足夠的潤滑油膜。在軸承的工作溫度下，潤滑油黏度對球軸承不應低于13mm2/s，滾子軸承不低于20mm2/s，而推力調心滾子軸承不低于32mm2/s。載荷大，工作溫度高時選用高黏度油，容易形成油膜；而dn值大或噴霧潤滑時選用低黏度油，攪油損失小，冷卻效果好。軸承運轉時潤滑油所需的動力黏度可根據其平均直徑dm和工作轉速n參考圖19-26選取。考慮到潤滑油黏度隨溫度的變化。如果已知運行溫度θ、可通過圖19-26右側圖的關系線由工作黏度查找國際標準參考溫度40℃時潤滑油黏度的對應值，以便準確地選擇潤滑油牌號。

19.4.5.3 固體潤滑

軸承用的固體潤滑劑有二硫化鉬、石墨、氟化硼、聚四氟乙烯等，使用方法有以下幾種：

把固體潤滑劑加入潤滑脂中。如在潤滑脂中加入3%～5%的二硫化鉬（質量分數），潤滑效果會有較大提高。

把固體潤滑劑加入粉末冶金或工程塑料材料中，制成有自潤滑性能的軸承元件。

用電鍍、高頻濺射、離子鍍層等技術使固體潤滑劑在軸承元件摩擦面上形成一層均勻致密的薄膜，或用粘結劑將固體潤滑劑粘接在滾動軸承元件上，形成固體潤滑膜。

19.4.6 軸承的密封

為保持良好的潤滑條件和正常的工作環境，滾動軸承需要設置密封裝置以防止潤滑劑的泄漏和灰塵、水等污物侵入軸承。

密封裝置按其原理分為接觸式密封和非接觸式密封兩類。

接觸式密封其密封件與配合件直接接觸，工作中摩擦發熱大，只適用于線速度較低的場合。為增加密封件的壽命并減小軸的磨損，軸接觸部分的硬度應在40HRC以上，表面粗糙度Ra小于1.6～0.8μm。常用的接觸式密封有密封圈（皮碗）密封和氈圈密封，詳見表19-37。

非接觸式密封中密封裝置與運動零件不接觸，不受速度的限制，適用于高速、高溫場合。非接觸密封間隙應盡可能小，考慮到制造裝配誤差和軸的變形，一般取徑向間隙0.1～1.0mm，軸向間隙1～5mm，直徑大時取較大值。常用的非接觸式密封見表19-38。

在惡劣的環境下或不允許潤滑劑泄漏的場合，往往采用多種密封形式組合的綜合式密封（見圖19-27）。

作為標準產品提供的帶防塵蓋或密封圈的軸承，裝配時已填入潤滑脂，無須維護或再加密封裝置，結構簡單，使用方便，應用日趨廣泛。

19.4.7 軸承的安裝與拆卸

為保證軸承的運轉精度和工作壽命，必須仔細地安裝和拆卸。安裝拆卸軸承的作用力，應直接加在緊配合套圈的端面上，切不可通過滾動體傳遞壓力，以免軸承滾道形成壓痕而早期失效。對有些種類的軸承，安裝時還需要調整游隙或預緊量。

軸承的安裝拆卸方法應根據軸承的結構、尺寸及配合性質而定：

1）一般軸承與軸配合較緊，與外殼孔配合較松，安裝時可用壓力機借助于裝配套筒，先把軸承裝到軸上，然后將軸連同軸承一起裝入外殼孔內。拆卸過程則與之相反，但無論安裝和拆卸，作用力只允許直接加于套圈端面。

2）對于內圈與軸間需較大過盈量的大、中型軸承，可采用加熱安裝。即將軸承放入油箱均勻加熱至80～100℃后取出裝到軸上。

3）圓錐孔軸承可直接裝在有錐度的軸頸上，或裝在緊定套或退卸襯套的錐面上。此類軸承一般采用鎖緊螺母安裝，并調整軸承徑向游隙。