第四節 電機軸承游隙的選擇

一、游隙的概念

軸承一圈固定，另一圈相對固定圈的移動距離就是軸承的游隙。如果這個移動是徑向的，則這個移動距離就是徑向游隙（對向心軸承而言，理論上的徑向游隙是指外圈滾道直徑減去內圈滾道直徑，再減去2倍滾動體的直徑）；如果這個移動是軸向的，這個游隙就是軸向游隙。如圖2-8所示。

通常，各軸承生產廠家軸承型錄里使用的游隙值，對于徑向軸承（深溝球軸承、圓柱滾子軸承、球面滾子軸承等）而言，都是徑向游隙；對于角接觸球軸承、圓錐滾子軸承、推力軸承而言，都是軸向游隙。

在第一章第一節中已經介紹，根據設計游隙的大小，將軸承游隙分成5組，分別用后綴符號C2、C0、C3、C4、C5表示。其中C0是普通游隙組別，C2組游隙小于C0組，其他數字越大游隙越大。

以上說的軸承游隙概念是指軸承的初始游隙（即單個軸承的游隙，如圖2-8所示）。當軸承被安裝在電機軸上和軸承室中并運行于穩定工況時的游隙是軸承的工作游隙。

二、工作游隙的概念和數值計算

一般而言，軸承圈和軸以及軸承室之間有一定的公差配合。通常一個圈為過盈配合（相對較緊），一個圈為過渡配合（相對較松）。以普通臥式內轉式電機軸承為例，通常軸承內圈為過盈配合，軸承外圈為過渡配合。此時，會使軸承內圈直徑有所增大，而軸承外圈直徑基本不變。這樣就會造成軸承內部徑向游隙相較于初始徑向游隙有一個減小量；另一方面，當電機運行于穩定工況時，電機達到穩定溫升，由于轉子發熱通過轉軸傳導給軸承內圈，造成軸承內圈溫度高于外圈溫度，所以軸承內圈的熱膨脹量就大于軸承外圈，由此又帶來一部分軸承徑向游隙的減少量。軸承處于正常工作狀態時的游隙就是軸承的工作游隙。如圖2-9所示。

軸承工作的徑向游隙C_工作由初始徑向游隙C_初始減去由于公差配合帶來的徑向游隙減少量ΔC_配合，再減去由于溫度變化帶來的徑向游隙減小量ΔC_溫度而得到，用公式表示為

C_工作=C_初始-ΔC_配合-ΔC_溫度

實際上，對于球軸承，當施加一定載荷時，由于滾球與溝道的擠壓作用，深溝球軸承的徑向游隙將會有所增加，在規定的徑向載荷下，深溝球軸承的徑向游隙增量見表2-3。計算球軸承的工作徑向游隙時，應對此增加值加以考慮。

三、工作游隙與軸承壽命的關系

軸承在電機軸上工作時，假定無軸向負荷，分布在軸下方的滾動體承受由軸傳遞來的徑向負荷。此時這些分布著承受徑向負荷的滾動體的區域就是負荷區。當電機軸承存在正工作游隙時，分布在軸承最上方的滾動體不承受徑向負荷。這些分布著不承受徑向負荷的區域叫作非負荷區。軸承理想的負荷區范圍是軸承徑向負荷方向大約150°的范圍。如圖2-10所示。

在徑向負荷下：①軸承游隙過大，負荷區會變小，承載的滾動體數量變少，單個滾動體承載變大，軸承應力集中；②軸承游隙過小，負荷區會變大，承載的滾動體數量變多，影響軸承壽命。

對于普通徑向軸承而言，圖2-11所示為軸承工作游隙與軸承壽命的關系。從圖2-11中可以看到，當軸承的工作游隙是一個比零略小的值時，軸承壽命達到最佳值。但是此時如果由于外界因素等導致軸承游隙進一步減小，軸承會迅速進入預負荷狀態，將導致軸承壽命大幅度下降。在現實工況中就是軸承的“抱死”狀態，軸承會迅速失效。

軸承的正常工作游隙若是一個比零略大的值，則當軸承游隙受到外界影響變小時，軸承內部游隙不至于進入抱死狀態；相反地，當受到外界影響，軸承工作游隙變大時，軸承的壽命會有所降低，但是下降的速度不大，不至于讓軸承迅速出現問題。實踐也證明，比零略大的值是一個比較安全的工作游隙值。

四、軸承游隙的選擇

電機設計人員在選用軸承時，對于向心軸承，需要讓軸承工作于一個比零略大的工作游隙（對于角接觸球軸承等軸向軸承，工作游隙為負值），而軸承由于溫度和配合帶來的游隙減小量在外界設計已經確定時就已經被固定下來，因此，實際就要選擇一個合適的軸承初始游隙，以保證軸承在正常工作時的工作游隙是一個理想值。

軸承應用工程技術人員可以根據實際的軸承的初始游隙、公差配合、軸承預計的溫度分布等，計算軸承的工作游隙。但對于電機設計人員而言，通常在電機中使用的軸承游隙就是C0（CN）組和C3組游隙的軸承。只有在特殊需求下才對游隙進行核算。由于軸承游隙有標準分組，所以校核的結果往往是通過調整公差配合來使工作游隙達到要求值（另一種方法是讓軸承生產廠家定制某種初始游隙的軸承，通常這種做法可行性較差）。

對于C0組和C3組游隙的選擇，不妨以前面關于軸承游隙與壽命的關系作為指導原則。通常而言，對于負荷重、轉速高、溫升高的場合，會更多地使用C3組游隙的軸承。

五、電機生產廠遇到的游隙選型典型問題

電機生產廠設計的電機采用圓柱滾子軸承和深溝球軸承搭配時（一柱一球結構或者兩柱一球結構），通常由于負荷等原因，選擇C3組游隙的圓柱滾子軸承及深溝球軸承。我們可以對比一下深溝球軸承及圓柱滾子游隙表（見附錄1和附錄2）。從表中不難發現，相同內徑的圓柱滾子軸承的徑向游隙較深溝球軸承的徑向游隙大；圓柱滾子軸承的普通徑向游隙幾乎相當于深溝球軸承C3組的徑向游隙。這樣，如果在相同的溫度、相似的配合的情況下，圓柱滾子軸承的工作游隙明顯大于深溝球軸承工作游隙，這也是圓柱滾子軸承更容易出現滾動體進入負荷區的激振現象和出現嘯叫聲的原因（見第七章電機運行中的軸承噪聲及振動分析相關內容）。所以，如果可以對圓柱滾子軸承選擇小一組的初始游隙，或者C3L組的初始游隙，將會大大減少其嘯叫聲發生的比率。