【选型计算】机械设计基础计算题之球轴承的分类及选型

球轴承在传动系统中应用广泛，其优点有摩擦阻力小、极限转速高、价格低廉等。常见的球轴承有以下四种 :

特点：主要承受径向载荷，应用最广泛。

应用：深沟球轴承主要可承受径向载荷，但在承受径向及轴向复合载荷时，也能运行良好；其摩擦系数小，还适用于高转速工况；结构简单，易于达到较高精度，故可批量生产。

图1 深沟球轴承

特点：较高的轴向承载能力。

应用：角接触球轴承具有转速高、精度高、噪声振动小等优点，主要应用于轴向力较高以至于深沟球轴承不适用的场合中。

图2 角接触球轴承

特点：具有调心功能

应用：调心球轴承适用于轴易出现绕曲或长轴中轴承座孔定位精度较差的的场合，但由于刚性较差，适用于转速不高、对噪声和振动无严格要求的工况。

图3 调心球轴承

特点：只能承受单向轴向载荷

应用：该类轴承设计用于高轴向载荷、低速且允许高扭矩的工况中。

图4 止推球轴承

综上，对四种球轴承进行特征总结见表1，读者可根据应用工况对轴承进行类型的选择和载荷的分配。

表1 球轴承相关特征表

角接触球轴承的接触角定义为承载作用线和径向平面之间的夹角，接触角可分为15°（代号：C）、25°（代号：AC）、30°（代号：A）、40°（代号：B），接触角越大，同样尺寸就能承受越大的轴向力，但大多数轴承接触角为15°或25°。

角接触球轴承在承受纯径向载荷的同时，由于滚动体载荷作用线与径向载荷作用线不在同一径向平面内，由此会产生内部轴承分力，因此大多数角接触球轴承均为成对安装，且相互压紧，以相互平衡产生的轴向分立，并提高整个组件轴向刚性。主要的装配方式有背对背（DB）、面对面（DF）、串联（DT），如图5：

图5 角接触球轴承装配

表2 角接触球轴承装配方式及特点

轴承选型时，保持架的种类也是需要我们考虑的，不同材料及制造工艺的保持架适用于不同的场合，见表3。

表3 球轴承保持架主要种类

在轴承设计时，需考虑润滑方式为油润滑还是脂润滑，对于转速极高的场合，优先使用油润滑，可以最快的带走轴承热量。在应用脂润滑时，需要额外考虑低温条件下的轴承起动扭矩，在某些小型机器中，当温度极低时，部分润滑脂可能会导致轴承无法起动。使用脂润滑的深沟球及角接触球轴承常具有密封结构，常见分类如下：

表4 密封结构主要种类

除传统轴承外，市场上也有一些带有特殊结构的球轴承可供选择，适合有特殊要求的场合。

1.  带填充槽的深沟球轴承，为了增加承载能力，在内圈上加工出填充槽以装入滚珠，增加的滚珠会提高径向承载能力，但会牺牲轴向承载能力。

2.  带卡环的轴承，卡环卡入轴承外圈凹槽可作为轴承挡肩，简化了轴承座的结构并缩小了轴承尺寸。

3.  带锁紧的轴承，有独立锁紧装置，适合安装于直轴上。

在进行球轴承选型时，首先要根据轴承受力状况、速度能力、噪声要求、安装要求等选择合适的轴承种类，同时需考虑温度、环境的限制条件，选择合适的轴承材料及润滑方式（以上本文第一章已有介绍），再根据设计空间尺寸对所选的轴承型号进行寿命计算，设计流程图如图6。

图6 轴承选择流程

轴承寿命主要可以从两个类型去考核，当疲劳失效为轴承的主要失效形式时，需校核轴承疲劳寿命，当轴承受过大的静负荷或在极低转速下承受冲击负荷时，此时轴承的寿命不是取决于材料的疲劳，而需考核轴承静态强度。需要额外考虑的是，轴承载荷是否小于最小轴承负荷。

额定寿命：在一块疲劳剥落前，90%的一组同样的轴承将达到或超过的寿命。

轴承调整寿命：考虑寿命调整系数的额定寿命。

动态额定载荷：表示在该载荷作用下，一定数量的轴承的额定寿命为一百万转。对于向心轴承，载荷是指纯径向载荷（C）；对于推力轴承，载荷是指纯轴向载荷；向心推力轴承，载荷是指产生轴承套圈相互间纯径向位移的载荷的径向分量（C）。

动态径向当量载荷：在一恒定的径向载荷下，滚动轴承具有与实际载荷相同的寿命。

其中X、Y分别为径向、轴向动载荷系数，分别为轴承实际载荷的径向、轴向分量。X、Y值可查阅轴承公司网站的建议值。

动态轴向当量载荷：在一恒定的轴向载荷下，滚动轴承具有与实际载荷相同的寿命。

常有：

其中为可靠性寿命系数，为材料寿命系数，为轴承制造商寿命修正系数，均可查阅轴承公司网站的建议值。当大于实际工作寿命时，轴承疲劳强度满足要求。

静态额定载荷：是指可以在轴承滚道上引起看得见的轻微压痕标记的载荷，对于球轴承一般为产生4200Mpa接触应力的载荷。

静态径向当量载荷：在一个纯径向力作用下，滚动体中产生的最大接触应力与实际复合外力造成的应力相同。

其中分别为径向、轴向静载荷系数，分别为轴承实际载荷的径向、轴向分量。值可查阅轴承公司网站的建议值。

静态轴向当量载荷：在一个纯轴向力作用下，滚动体中产生的最大接触应力与实际复合外力造成的应力相同。

当满足上述公式时，轴承静强度满足要求。

当轴承有可能会较长时间运行在较小载荷工况时，建议咨询轴承供应商，如果载荷太小，且润滑不良，轴承容易打滑，造成轴承损伤，影响寿命。

以上，就完成了对轴承寿命、承载能力、转速、温度限制等性能指标的考虑，若有不止一个轴承符合要求，应选择经济性、性能综合性最佳的轴承。