球軸承的分類及軸承壽命、承載能力、轉(zhuǎn)速、溫度限制等性能指標(biāo)應(yīng)用選型
球軸承是滾動(dòng)軸承的一種，球滾珠裝在內(nèi)鋼圈和外鋼圈的中間，能承受較大的載荷。也叫滾珠軸承。 球軸承結(jié)構(gòu)組成: 球軸承主要是由四個(gè)基本元件構(gòu)成：滾珠（ball）、內(nèi)環(huán)（inner ring）、外環(huán)（outer ring）與保持器（cage or retainer）。一般工業(yè)用的球軸承滿足AISI 52100的標(biāo)準(zhǔn)，滾珠與環(huán)通常是以高鉻鋼制成，洛氏硬度（Rockwell C- scale hardness）約在61-65之間。而保持器的硬度相較于滾珠與環(huán)低，其材料有金屬（如：中碳鋼、鋁合金）或非金屬（如：鐵弗龍、PTEF、高分子材料）。球軸承（ball bearing）比軸頸軸承(journal bearing)的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦阻力小，因此相同的轉(zhuǎn)速下，摩擦產(chǎn)生的溫度會(huì)比較低。
一、 球軸承的分類
球軸承在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，其優(yōu)點(diǎn)有摩擦阻力小、極限轉(zhuǎn)速高、價(jià)格低廉等。常見的球軸承有以下四種 :
1. 深溝球軸承
特點(diǎn)：主要承受徑向載荷，應(yīng)用最廣泛。
應(yīng)用：深溝球軸承主要可承受徑向載荷，但在承受徑向及軸向復(fù)合載荷時(shí)，也能運(yùn)行良好；其摩擦系數(shù)小，還適用于高轉(zhuǎn)速工況；結(jié)構(gòu)簡單，易于達(dá)到較高精度，故可批量生產(chǎn)。
圖1 深溝球軸承
深溝滾珠軸承 雙蓋式
深溝球軸承
2. 角接觸球軸承
特點(diǎn)：較高的軸向承載能力。
應(yīng)用：角接觸球軸承具有轉(zhuǎn)速高、精度高、噪聲振動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于軸向力較高以至于深溝球軸承不適用的場合中。
圖2 角接觸球軸承
角接觸球軸承
3. 調(diào)心球軸承
特點(diǎn)：具有調(diào)心功能
應(yīng)用：調(diào)心球軸承適用于軸易出現(xiàn)繞曲或長軸中軸承座孔定位精度較差的的場合，但由于剛性較差，適用于轉(zhuǎn)速不高、對(duì)噪聲和振動(dòng)無嚴(yán)格要求的工況。
圖3 調(diào)心球軸承
調(diào)心球軸承
4. 止推球軸承
特點(diǎn)：只能承受單向軸向載荷
應(yīng)用：該類軸承設(shè)計(jì)用于高軸向載荷、低速且允許高扭矩的工況中。
圖4 止推球軸承
單向推力球軸承
綜上，對(duì)四種球軸承進(jìn)行特征總結(jié)見表1，讀者可根據(jù)應(yīng)用工況對(duì)軸承進(jìn)行類型的選擇和載荷的分配。
表1 球軸承相關(guān)特征表
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深溝球軸承 |
角接觸球軸承 |
調(diào)心球軸承 |
止推球軸承 |
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純徑向載荷 |
良好 |
中等 |
中等 |
差 |
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純軸向載荷 |
中等 |
良好 |
中等 |
極佳 |
|
復(fù)合載荷 |
良好 |
極佳 |
中等 |
差 |
|
力矩負(fù)載 |
中等 |
良好 |
中等 |
差 |
|
偏心能力 |
良好 |
差 |
極佳 |
差 |
|
高剛性 |
中等 |
良好 |
差 |
良好 |
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低摩擦 |
極佳 |
良好 |
中等 |
良好 |
|
轉(zhuǎn)速 |
極佳 |
極佳 |
中等 |
極佳 |
角接觸球軸承的接觸角定義為承載作用線和徑向平面之間的夾角，接觸角可分為15°（代號(hào)：C）、25°（代號(hào)：AC）、30°（代號(hào)：A）、40°（代號(hào)：B），接觸角越大，同樣尺寸就能承受越大的軸向力，但大多數(shù)軸承接觸角為15°或25°。
角接觸球軸承在承受純徑向載荷的同時(shí)，由于滾動(dòng)體載荷作用線與徑向載荷作用線不在同一徑向平面內(nèi)，由此會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部軸承分力，因此大多數(shù)角接觸球軸承均為成對(duì)安裝，且相互壓緊，以相互平衡產(chǎn)生的軸向分立，并提高整個(gè)組件軸向剛性。主要的裝配方式有背對(duì)背（DB）、面對(duì)面（DF）、串聯(lián)（DT），如圖5：
圖5 角接觸球軸承裝配
表2 角接觸球軸承裝配方式及特點(diǎn)
|
常用組合型式 |
特性 |
|
成對(duì)雙聯(lián)(背對(duì)背) |
可以承受徑向載荷及兩個(gè)方向的軸向載荷。作用點(diǎn)距離a0大，所以適于力矩載荷大的用途 |
|
成對(duì)雙聯(lián)(面對(duì)面) |
可以承受徑向載荷及兩個(gè)方向的軸向載荷，與背對(duì)背成對(duì)雙聯(lián)對(duì)比，作用點(diǎn)距離a0小，所以力矩載荷能力差 |
|
成對(duì)雙聯(lián)(串聯(lián)) |
可以承受徑向載荷和一個(gè)方向的軸向載荷，以兩個(gè)軸承承受軸向載荷，所以用于一個(gè)方向載荷大的場合 |
軸承選型時(shí)，保持架的種類也是需要我們考慮的，不同材料及制造工藝的保持架適用于不同的場合，見表3。
|
球軸承保持架種類 |
特性 |
|
沖壓焊接鋼制保持架 |
深溝球標(biāo)準(zhǔn)保持架，適用于高溫，不適用偏心應(yīng)用 |
|
尼龍保持架 |
最高工作溫度120℃，瞬時(shí)150℃，無腐蝕，自潤滑，有較好的耐磨性，抗大部分溶劑與潤滑脂 |
|
機(jī)加工酚醛樹脂保持架 |
質(zhì)量輕，具有吸油性，適用于高速應(yīng)用 |
|
銅與鋼制保持架 |
重載應(yīng)用 |
表3 球軸承保持架主要種類
在軸承設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮潤滑方式為油潤滑還是脂潤滑，對(duì)于轉(zhuǎn)速極高的場合，優(yōu)先使用油潤滑，可以最快的帶走軸承熱量。在應(yīng)用脂潤滑時(shí)，需要額外考慮低溫條件下的軸承起動(dòng)扭矩，在某些小型機(jī)器中，當(dāng)溫度極低時(shí)，部分潤滑脂可能會(huì)導(dǎo)致軸承無法起動(dòng)。使用脂潤滑的深溝球及角接觸球軸承常具有密封結(jié)構(gòu)，常見分類如下：
表4 密封結(jié)構(gòu)主要種類
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球軸承密封結(jié)構(gòu)種類 |
特性 |
|
防塵罩型 |
可設(shè)計(jì)為單側(cè)或雙側(cè)為軸承提供保護(hù)，防止粗粒污物進(jìn)入軸承，可用潤滑脂預(yù)先潤滑軸承，單側(cè)的還可以進(jìn)行再次潤滑，主要用于環(huán)境干燥且有灰塵的環(huán)境，高速性好 |
|
非接觸式橡膠密封圈型 |
密封性較好，高速性好 |
|
接觸式橡膠密封圈型 |
密封性好，摩擦力大，高速性差，具有一定防水性，適合潮濕的環(huán)境 |
|
迷宮或機(jī)械密封型 |
非接觸型，密封性好，有效的保留潤滑脂并排除異物 |
|
氈密封型 |
接觸型 |
除傳統(tǒng)軸承外，市場上也有一些帶有特殊結(jié)構(gòu)的球軸承可供選擇，適合有特殊要求的場合。
1. 帶填充槽的深溝球軸承，為了增加承載能力，在內(nèi)圈上加工出填充槽以裝入滾珠，增加的滾珠會(huì)提高徑向承載能力，但會(huì)犧牲軸向承載能力。
2. 帶卡環(huán)的軸承，卡環(huán)卡入軸承外圈凹槽可作為軸承擋肩，簡化了軸承座的結(jié)構(gòu)并縮小了軸承尺寸。
3. 帶鎖緊的軸承，有獨(dú)立鎖緊裝置，適合安裝于直軸上。
二、 球軸承選型
在進(jìn)行球軸承選型時(shí)，首先要根據(jù)軸承受力狀況、速度能力、噪聲要求、安裝要求等選擇合適的軸承種類，同時(shí)需考慮溫度、環(huán)境的限制條件，選擇合適的軸承材料及潤滑方式（以上本文第一章已有介紹），再根據(jù)設(shè)計(jì)空間尺寸對(duì)所選的軸承型號(hào)進(jìn)行壽命計(jì)算，設(shè)計(jì)流程圖如圖6。
圖6 軸承選擇流程
軸承壽命主要可以從兩個(gè)類型去考核，當(dāng)疲勞失效為軸承的主要失效形式時(shí)，需校核軸承疲勞壽命，當(dāng)軸承受過大的靜負(fù)荷或在極低轉(zhuǎn)速下承受沖擊負(fù)荷時(shí)，此時(shí)軸承的壽命不是取決于材料的疲勞，而需考核軸承靜態(tài)強(qiáng)度。需要額外考慮的是，軸承載荷是否小于最小軸承負(fù)荷。
1. 軸承疲勞壽命計(jì)算：
額定壽命
：在一塊疲勞剝落前，90%的一組同樣的軸承將達(dá)到或超過的壽命。
軸承調(diào)整壽命
：考慮壽命調(diào)整系數(shù)的額定壽命。
動(dòng)態(tài)額定載荷
：表示在該載荷作用下，一定數(shù)量的軸承的額定壽命為一百萬轉(zhuǎn)。對(duì)于向心軸承，載荷是指純徑向載荷（C）；對(duì)于推力軸承，載荷是指純軸向載荷
；向心推力軸承，載荷是指產(chǎn)生軸承套圈相互間純徑向位移的載荷的徑向分量（C）。
動(dòng)態(tài)徑向當(dāng)量載荷
：在一恒定的徑向載荷下，滾動(dòng)軸承具有與實(shí)際載荷相同的壽命。
其中X、Y分別為徑向、軸向動(dòng)載荷系數(shù)，
分別為軸承實(shí)際載荷的徑向、軸向分量。X、Y值可查閱軸承公司網(wǎng)站的建議值。
動(dòng)態(tài)軸向當(dāng)量載荷
：在一恒定的軸向載荷下，滾動(dòng)軸承具有與實(shí)際載荷相同的壽命。
常有：
其中
為可靠性壽命系數(shù)，
為材料壽命系數(shù)，
為軸承制造商壽命修正系數(shù)，均可查閱軸承公司網(wǎng)站的建議值。當(dāng)
大于實(shí)際工作壽命時(shí)，軸承疲勞強(qiáng)度滿足要求。
2. 軸承靜態(tài)強(qiáng)度校核：
靜態(tài)額定載荷
：是指可以在軸承滾道上引起看得見的輕微壓痕標(biāo)記的載荷，對(duì)于球軸承一般為產(chǎn)生4200Mpa接觸應(yīng)力的載荷。
靜態(tài)徑向當(dāng)量載荷
：在一個(gè)純徑向力作用下，滾動(dòng)體中產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力與實(shí)際復(fù)合外力造成的應(yīng)力相同。
其中
分別為徑向、軸向靜載荷系數(shù)，
分別為軸承實(shí)際載荷的徑向、軸向分量。
值可查閱軸承公司網(wǎng)站的建議值。
靜態(tài)軸向當(dāng)量載荷
：在一個(gè)純軸向力作用下，滾動(dòng)體中產(chǎn)生的最大接觸應(yīng)力與實(shí)際復(fù)合外力造成的應(yīng)力相同。
當(dāng)滿足上述公式時(shí)，軸承靜強(qiáng)度滿足要求。
3. 最小軸承負(fù)荷
當(dāng)軸承有可能會(huì)較長時(shí)間運(yùn)行在較小載荷工況時(shí)，建議咨詢軸承供應(yīng)商，如果載荷太小，且潤滑不良，軸承容易打滑，造成軸承損傷，影響壽命。
以上，就完成了對(duì)軸承壽命、承載能力、轉(zhuǎn)速、溫度限制等性能指標(biāo)的考慮，若有不止一個(gè)軸承符合要求，應(yīng)選擇經(jīng)濟(jì)性、性能綜合性最佳的軸承。
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