19.4 滚动轴承装置的设计
19.4.1 轴承的配置与支承结构
轴承配置与支承结构的形式主要有以下三种，前两种应用较广泛。
19.4.1.1 两固定端配置
普通工作温度下的短轴（跨距小于400mm）支点通常采用两固定端配置的方式，每端单向固定，轴承各承受一个方向的轴向力。为允许轴工作时有少量热膨胀，轴承安装时应留有0.25～0.4mm的轴向间隙，间隙量用垫片或调整螺钉调节。
两固定端配置常选用一对深沟球轴承（见图19-16a）。有较大轴向载荷时，则选用一对角接触球轴承（见图19-16b）或一对圆锥滚子轴承（见图19-16c、d、e）。一般角接触轴承常采用面对面安装，装拆调整方便。而对载荷位于支点外的轴系（见图19-16e中的锥齿轮轴系），则有时采用背对背安装的方式，以提高轴系的刚性。
图19-16 两端固定的轴承配置
角接触轴承的支承结构，可通过调整轴承套圈的轴向位置使轴承达到所要求的游隙或预紧量。因此这种支承结构特别适用于运转精度要求高的机械。
19.4.1.2 固定-游动配置
当轴较长或工作温度较高时，轴的热膨胀伸缩量大，宜采用一端双向固定，一端游动的支承结构。固定端由单个轴承或轴承组承受双向轴向力，而游动端轴承沿轴向可自由游动，充分保证轴正常的热胀冷缩。
在固定-游动配置方式下固定端要承受径向力和双向轴向力，视轴向力的大小可采用一个深沟球轴承（见图19-17a、b），一对角接触轴承面对面或背对背安装（见图19-17c、d）或深沟球轴承与双向推力轴承的组合（见图19-17e），采用一对角接触轴承组成固定端，不仅承载能力大，而且轴向定位精度高。
图19-17 固定-游动的轴承配置
游动端一般采用深沟球轴承（见图19-17a、c、e）或圆柱滚子轴承（见图19-17b、d）。通常，深沟球轴承的外圈与外壳孔形成间隙配合而实现轴端游动，内圈两侧需轴向固定；圆柱滚子轴承则靠内外圈之间的相对位移实现游动，内外套圈两侧均需要轴向固定。
19.4.1.3 两端游动配置
图19-18所示人字齿轮传动的高速轴，为了自动补偿轮齿两侧螺旋角的制造误差，使轮齿受力均匀，采用两端游动的轴承配置。此时与其啮合的低速齿轮轴必须两端固定。游动轴根据齿轮的啮合关系自动找正后，两轴在轴向都有确定定位。
图19-18 人字齿轮轴系
几乎所有不需要调整的轴承，均可用作游动支承。设计时应使轴承允许的游动量略大于轴所需的最大游动量。游动量较小时，可选用圆柱滚子轴承，较大时可选深沟球轴承，当游动轴跨度大或两轴承座同轴度差时应选调心轴承。角接触轴承不宜用作游动支承。
19.4.2 轴承的轴向固定
常用的轴向固定结构可参考表19-26、表19-27。
表19-26 轴承内圈固定结构
表19-27 轴承外圈固定结构
（续）
19.4.3 轴承的配合
19.4.3.1 滚动轴承公差
滚动轴承的内圈与轴的配合采用基孔制，外圈与座孔的配合采用基轴制。与一般的圆柱面配合不同，滚动轴承具有特殊的标准公差，其内外径的上极限偏差均为零值，在配合种类相同的条件下，内圈与轴颈的配合较紧，与内圈配合的轴和与外圈配合的孔选用标准的圆柱体极限偏差和配合（见图19-19）。
图19-19 滚动轴承（P0级公差）的配合
选定轴颈和座孔的公差等级与轴承精度有关。与P0级精度轴承配合的轴，其公差等级一般为IT6，座孔一般为IT7。P0级公差滚动轴承常用配合及轴和轴承座的公差带如图19-19所示。
19.4.3.2 滚动轴承的配合选择
轴承承载的轻重一般以当量动载荷P与额定动载荷C的比值大小确定为轻载、正常载荷或重载荷（见表19-28）。
表19-28 滚动轴承的载荷分类
安装向心轴承的轴公差和外壳孔公差可参考表19-29、表19-30。安装推力轴承的轴公差和外壳孔公差可参考表19-31、表19-32。
表19-29 安装向心轴承的轴公差带
表19-30 安装向心轴承的外壳孔公差带
①并列公差带随尺寸的增大从左至右选择。对旋转精度有较高要求时，可相应提高一个公差等级。
②不适用于剖分式外壳。
表19-31 安装推力轴承的轴公差带
①要求较小过盈时，可分别用j6、k6、m6代替k6、m6、n6。
表19-32 安装推力轴承的外壳孔公差带
轴和外壳孔的形位公差见表19-33。
表19-33 通用轴承轴和外壳孔的几何公差
表面粗糙度见表19-34。
表19-34 通用轴承配合面的表面粗糙度 （μm）
①凡对精度有较高要求的场合，应用j5、k5…代替j6、k6…等。
②圆锥滚子轴承、角接触球轴承配合对游隙影响不大，可用k6、m6代替k5、m5。
③重载荷下轴承游隙应选大于0组。
④凡有较高精度或转速要求的场合，应选用h7（IT5）代替h8（IT6）等。
⑤IT6、IT7表示圆柱度公差数值。
19.4.4 轴承的预紧
预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命。
19.4.4.1 轴向预紧与径向预紧
按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。
径向预紧的目的是增加承载区内的滚动体数，提高支承刚度。圆锥形内孔的轴承，用锁紧螺母调整内圈与紧定套的相对位置，减小轴承的径向游隙，即可实现径向预紧。
角接触球轴承通过轴向预紧，可明显提高轴向刚度。图19-20所示为单个角接触球轴承的载荷-变形曲线，其弹性变形量δa与轴向外载荷Fa的关系为δa∝Fa2/3。没有预紧时，在Fa作用下，轴承的轴向变形量为δaⅠ；而在具有预紧载荷Fa0条件下，同样作用轴向载荷Fa，轴承的轴向变形增量为δaⅡ，显然δaⅡ＜δaⅠ，轴承的轴向刚度有所提高。
图19-20 角接触球轴承载荷-变形曲线
19.4.4.2 定位预紧与定压预紧
（1）定位预紧 定位预紧是指轴承的轴向位置在使用过程中保持不变的轴向预紧方式。一对角接触轴承成对安装时可采用加金属垫片，磨窄套圈和加内外隔套的方法得到一定的预紧变形量（见图19-21）。
图19-21 一对角接触轴承的定位预紧结构
a）加金属垫片 b）磨窄套圈 c）内、外套圈
两个相同型号角接触球轴承成对安装时，其轴向载荷与变形曲线如图19-22所示，两条曲线的交点表示在预紧载荷Fa0作用下，两个轴承的变形量皆为δa0。在外轴向力Fa作用下，轴将沿Fa方向作较小移动δa，此时轴承Ⅰ增加变形δa，而轴承Ⅱ减小变形δa。由图上看出，受力较大的轴承Ⅰ所承担的ΔFaⅠ只是工作载荷Fa的一部分，与单个轴承预紧后受载相比，变形增量更有所降低，其工作刚度进一步提高。
图19-22 一对角接触球轴承的载荷-变形曲线
圆锥滚子轴承弹性变形δa与外载荷Fa的关系式为δa∝Fa0.9，接近线性关系。单个轴承预紧刚度提高不甚明显，而成对安装预紧后轴承受载的变形增量约为不预紧轴承的1/2，其刚度可提高一倍（见图19-23）。
图19-23 一对圆锥滚子轴承的载荷-变形曲线
（2）定压预紧 定压预紧是轴承的预紧载荷在使用中保持不变的轴向预紧方式。如图19-24所示，通过调整弹簧的压缩量使轴承获得一定预紧量。
图19-24 定压预紧
定压预紧对支承系统轴向刚度的增加并不明显，但运行中轴承的预紧载荷不受温差引起轴长度变化的影响而保持不变，适用于要求运转精度高的高速工作场合。
19.4.5 轴承的润滑
滚动轴承运转时，应通过润滑避免元件表面金属直接接触。润滑除降低摩擦和减轻磨损外，也有吸振、冷却、防锈和密封等作用，合理润滑对提高轴承性能、延长轴承使用寿命有重要意义。
滚动轴承通常采用脂润滑，高速重载或高温时需用油润滑，某些特殊情况如高温，恶劣环境或真空条件下可采用固体润滑。一般情况下滚动轴承润滑方式可根据速度因数dn值参考表19-35选取。
表19-35 滚动轴承润滑方式的选择
19.4.5.1 脂润滑
（1）润滑脂选用 润滑脂是用基础油、稠化剂及添加剂制成的半固体状润滑剂。按稠化剂不同可分为钙基、钠基、铝基、锂基等种类。常用润滑脂的性质和用途见表19-36。
表19-36 常用轴承润滑脂
（续）
选用润滑脂时首先要注意其滴点（工作温度应低于滴点20～30℃）抗水性和锥入度（锥入度数值越大表示润滑脂越软）等性能。一般低速、低温时选钙基脂，较高工作温度时选钠基脂或钙钠基脂，高速或载荷工况复杂时选锂基脂。潮湿环境采用铝基脂或钡基脂而不宜选用遇水分解的钠基脂。在承受重载荷、冲击载荷条件下，应使用含极压添加剂的润滑脂。一般工作和密封条件下的轴承常选锥入度295～265的2号脂，高温或要求泵送性好的情况下则选锥入度大的润滑脂。
（2）润滑脂的使用 润滑脂的填充量一般应以轴承和轴承壳体空间的1/3～1/2为宜。若加脂过多，由于搅拌发热，会使润滑脂变质，高速时填充至1/3或更少。
在工作过程中，由于剪切作用和老化，润滑脂的润滑性能逐渐降低，必须间隔一定时间进行补充或更换。
润滑脂的补充周期与轴承结构、尺寸、转速、温度和环境条件有关。图19-25所示为几种轴承的润滑脂补充周期曲线（工作温度70℃），可根据轴承内径和转速，查出润滑脂更换的大致时间。若工作温度超过70℃，每上升15℃，补充周期应减半。
图19-25 润滑脂补充周期
a）深沟球轴承和圆柱滚子轴承 b）圆锥滚子轴承和调心球轴承
19.4.5.2 油润滑
滚动轴承一般采用矿物油润滑。特殊情况下加入极压、防老化等添加剂以提高润滑性能。在极高极低转速或温度下可选用合成油。
润滑油在工作温度下必须保持一定黏度以维持滚动元件间有足够的润滑油膜。在轴承的工作温度下，润滑油黏度对球轴承不应低于13mm2/s，滚子轴承不低于20mm2/s，而推力调心滚子轴承不低于32mm2/s。载荷大，工作温度高时选用高黏度油，容易形成油膜；而dn值大或喷雾润滑时选用低黏度油，搅油损失小，冷却效果好。轴承运转时润滑油所需的动力黏度可根据其平均直径dm和工作转速n参考图19-26选取。考虑到润滑油黏度随温度的变化。如果已知运行温度θ、可通过图19-26右侧图的关系线由工作黏度查找国际标准参考温度40℃时润滑油黏度的对应值，以便准确地选择润滑油牌号。
图19-26 润滑油黏度的选取
19.4.5.3 固体润滑
轴承用的固体润滑剂有二硫化钼、石墨、氟化硼、聚四氟乙烯等，使用方法有以下几种：
把固体润滑剂加入润滑脂中。如在润滑脂中加入3%～5%的二硫化钼（质量分数），润滑效果会有较大提高。
把固体润滑剂加入粉末冶金或工程塑料材料中，制成有自润滑性能的轴承元件。
用电镀、高频溅射、离子镀层等技术使固体润滑剂在轴承元件摩擦面上形成一层均匀致密的薄膜，或用粘结剂将固体润滑剂粘接在滚动轴承元件上，形成固体润滑膜。
19.4.6 轴承的密封
为保持良好的润滑条件和正常的工作环境，滚动轴承需要设置密封装置以防止润滑剂的泄漏和灰尘、水等污物侵入轴承。
密封装置按其原理分为接触式密封和非接触式密封两类。
接触式密封其密封件与配合件直接接触，工作中摩擦发热大，只适用于线速度较低的场合。为增加密封件的寿命并减小轴的磨损，轴接触部分的硬度应在40HRC以上，表面粗糙度Ra小于1.6～0.8μm。常用的接触式密封有密封圈（皮碗）密封和毡圈密封，详见表19-37。
表19-37 接触式密封
非接触式密封中密封装置与运动零件不接触，不受速度的限制，适用于高速、高温场合。非接触密封间隙应尽可能小，考虑到制造装配误差和轴的变形，一般取径向间隙0.1～1.0mm，轴向间隙1～5mm，直径大时取较大值。常用的非接触式密封见表19-38。
表19-38 非接触式密封
（续）
在恶劣的环境下或不允许润滑剂泄漏的场合，往往采用多种密封形式组合的综合式密封（见图19-27）。
图19-27 综合密封结构
作为标准产品提供的带防尘盖或密封圈的轴承，装配时已填入润滑脂，无须维护或再加密封装置，结构简单，使用方便，应用日趋广泛。
19.4.7 轴承的安装与拆卸
为保证轴承的运转精度和工作寿命，必须仔细地安装和拆卸。安装拆卸轴承的作用力，应直接加在紧配合套圈的端面上，切不可通过滚动体传递压力，以免轴承滚道形成压痕而早期失效。对有些种类的轴承，安装时还需要调整游隙或预紧量。
轴承的安装拆卸方法应根据轴承的结构、尺寸及配合性质而定：
1）一般轴承与轴配合较紧，与外壳孔配合较松，安装时可用压力机借助于装配套筒，先把轴承装到轴上，然后将轴连同轴承一起装入外壳孔内。拆卸过程则与之相反，但无论安装和拆卸，作用力只允许直接加于套圈端面。
2）对于内圈与轴间需较大过盈量的大、中型轴承，可采用加热安装。即将轴承放入油箱均匀加热至80～100℃后取出装到轴上。
3）圆锥孔轴承可直接装在有锥度的轴颈上，或装在紧定套或退卸衬套的锥面上。此类轴承一般采用锁紧螺母安装，并调整轴承径向游隙。