轴和轴承：用途和分类

(一)轴的用途及分类

轴是组成机器的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件( 例如齿轮、带轮、轴承等) ，都必须安装在轴上才能进行运动及传递动力。因此轴的主要功用是支撑回转零件，并使回转零件具有确定的工作位置来传递运动和动力。

轴可按所承受的载荷情况和轴线形状分类。

根据轴所承受的载荷不同，可分为心轴、传动轴和转轴三大类( 表3-6) 。

表3-6　轴的分类

续表

(1) 心轴。心轴是承受弯矩而不传递转矩的轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴两种，转动心轴工作时的弯曲应力为对称循环应力，固定心轴工作时的弯曲应力为静应力。

(2) 传动轴。传动轴只传递转矩而不承受弯矩的轴。

(3) 转轴。转轴既承受弯矩，又承受转矩的轴。转轴在各类机器中最为常见，例如支撑齿轮、带轮的轴均属转轴。

按照轴线形状的不同，轴又分为直轴和曲轴两大类。直轴根据外形的不同，可分为光轴和阶梯轴、实心轴和空心轴。光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不容易装配及定位。阶梯轴则正好与光轴相反。因此，光轴主要用于心轴，阶梯轴则常用于转轴和传动轴。曲轴常用于往复式运动机械中。空心轴是为了减轻重量或满足工作要求而设计的。

(二)轴的材料

轴的材料要有足够的疲劳强度，同时还应满足制造工艺性和经济性。轴的材料主要采用碳素钢( 碳钢) 和合金钢。

1.碳钢 碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度，因此使用特别广泛，尤其是45#优质碳素钢。轻载或不重要的轴，也可以用Q235、Q275 等。热处理方法可用正火或调质。

2.合金钢 合金钢比碳钢具有更高的机械性能，淬火性能好。通常用于重载、高速的重要轴或有特殊要求的轴，如耐高温、耐低温、耐腐蚀、耐磨损，要求尺寸小但强度高等。常用的材料有:40Cr、20Cr、20CrMnTi 等，热处理方法有调质、表面淬火、渗碳淬火等。

在一般工作温度下( 低于200℃) ，各种碳钢和合金钢的弹性模量相差很小，因此，合金钢在提高轴的刚度方面并没有优势。

3.铸铁 对于形态复杂、尺寸大的轴，高强度铸铁和球墨铸铁通过铸造容易成型，且有廉价、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，但可靠性差些。

(三)轴的初算直径

轴在结构设计之前，通常先要初步估算轴的最小直径。下面是两种常用的轴的直径估算方法:

1.类比法 参考同类型已有机器的轴的结构和尺寸，并进行分析对比，从而最终确定所设计的轴的直径。

2.扭转强度法 通常只考虑轴在转矩作用下所受切应力的影响，按照扭转强度来估算轴的最小轴径，同时适当降低材料的许用切应力［τ］，以补偿弯曲应力的影响。

轴的直径为:

式中:P 为轴所传递的功率( kW) ; n 为轴的转速( r/min) ; ［τ］为轴材料的许用剪应力( MPa) ;C 为与轴材料有关的系数，见表3-7。

表3-7　常见材料的［τ］及C 值

注 (1) 当弯矩相对转矩很小或仅受转矩时，C 取小值;反之，C 取大值。
(2) 当用Q235、Q275 或40Cr 时，［τ］取小值，C 取大值。

(四)滑动轴承

轴承是用来支撑轴和轴上回转零件的部件。根据轴承中摩擦性质的不同，轴承可分为滑动摩擦轴承( 简称滑动轴承) 和滚动摩擦轴承( 简称滚动轴承) 两大类。

在高速、高精度、重载、结构上要求剖分等场合下，滑动轴承就显示出它的优异性能，对于在低速但有冲击的条件下工作的机器，也采用滑动轴承。

1.常见的径向滑动轴承结构 常见的径向滑动轴承结构有整体式、剖分式和调心式。图3-14所示为一整体式滑动轴承，它由轴承座和整体轴瓦等组成。整体式滑动轴承具有结构简单、成本低、刚度大等优点，但在装拆时需要轴承或轴作较大的轴向移动，故装拆不便。而且当轴颈与轴瓦磨损后，无法调整其间的间隙。所以这种结构常用于轻载、不需经常装拆，且不重要的场合。

剖分式轴承的结构如图3-15 所示，它由轴承座、轴承盖、剖分式轴瓦和双头螺柱等组成。为防止轴承座与轴承盖间相对横向错动，接合面要做成阶梯形或设止动销钉。这种结构装拆方便，且在接合面之间可放置垫片，通过调整垫片的厚薄来调整轴瓦和轴颈间的间隙。

图3-14　整体式滑动轴承

1—轴承座 2—整体轴瓦 3—油孔 4—螺纹孔

图3-15　剖分式滑动轴承

1—轴承座 2—轴承盖 3—双头螺柱 4—螺纹孔5—油孔 6—油槽 7—剖分式轴瓦

图3-16　调心式滑动轴承

调心式轴承的结构如图3-16 所示，其轴瓦和轴承座之间以球面形成配合，使得轴瓦和轴相对于轴承座可在一定范围内摆动，从而避免安装误差或轴的弯曲变形较大时，造成轴颈与轴瓦端部的局部接触所引起的剧烈偏磨和发热。但由于球面加工不易，所以这种结构一般只用在轴承的长径比较大的场合。

2.滑动轴承材料 对滑动轴承材料的主要要求有: 应具有良好的减摩和耐磨性; 良好的承载性能和抗疲劳性能，所以有时需采用多层或组合结构加以保障;良好的顺应性和嵌藏性，这样能避免表面间的卡死和划伤; 在可能产生胶合的场合，选用具有抗胶合性的材料; 具有良好的加工工艺性与经济性。

常用的轴瓦材料:

(1) 轴承合金。轴承合金又称巴氏合金。在软基体金属( 如锡、铅) 中适量加入硬金属( 如锑) 形成，软基体具有良好的跑合性、嵌藏性和顺应性，而硬金属颗粒则起到支撑载荷、抵抗磨损的作用。按基体材料的不同，可分为锡锑轴承合金和铅锑轴承合金两类。锡锑轴承合金的摩擦系数小，抗胶合性能良好，对油的吸附性强，且易跑合、耐腐蚀，因此常用于高速、重载场合，但价格较高，因此一般作为轴承衬材料而浇铸在钢、铸铁或青铜轴瓦上。铅锑轴承合金的各种性能与锡锑轴承合金接近，但这种材料较脆，不宜承受较大的冲击载荷，一般用于中速、中载的轴承。

(2) 青铜。青铜类材料的强度高、耐磨和导热性好，但可塑性及跑合性较差，因此与之相配的轴颈必须淬硬。

青铜可以单独做成轴瓦。为了节省有色金属，也可将青铜浇铸在钢或铸铁轴瓦内壁上。用作轴瓦材料的青铜，主要有锡青铜、铅青铜和铝青铜。在一般情况下，它们分别用于中速重载、中速中载和低速重载的轴承上。

(3) 铸铁。主要是灰铸铁和耐磨铸铁。铸铁类材料的塑性和跑合性差，但价格低廉，适于低速、轻载的不重要场合的轴承。

(4) 粉末冶金材料。由金属粉末和石墨高温烧结成型，是一种多孔结构金属合金材料。在孔隙内可以储存润滑油，常称为含油轴承。运转时，轴瓦温度升高，由于油的膨胀系数比金属大，因而自动进入摩擦表面起到润滑作用。常用于轻载、低速，且不易经常添加润滑剂的场合。

(5) 非金属材料。主要是塑料、橡胶、石墨、尼龙等材料以及一些合成材料，成本低，对润滑无要求，易成型，抗振动。在家电、轻工、玩具、小型食品机械中使用较为广泛。

(五)滚动轴承

1.滚动轴承的结构 滚动轴承是利用滚动摩擦原理设计而成的支承零件，在各种机械中被广泛使用。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、启动灵活、效率高、润滑简便、易于互换，且可以通过预紧提高轴承的刚度和旋转精度等优点。它的缺点是抗冲击能力较差，高速时有噪声，径向尺寸较大，工作寿命也不及液体摩擦的滑动轴承。

滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成( 图3-17) 。内圈通常装配在轴上，并与轴一起旋转。外圈通常安装在轴承座孔内或机械部件壳体中起支撑作用。但在某些应用场合，也有外圈旋转，内圈固定或者内、外圈都旋转的。滚动体是实现滚动摩擦的滚动元件，在内圈和外圈的滚道之间滚动，常见的滚动体形状如图3-18 所示。滚动体的大小和数量直接影响轴承的承载能力。保持架的作用是将轴承中的滚动体等距隔开，引导滚动体在正确的轨道上运动，改善轴承内部载荷分配和润滑性能。

滚动轴承内、外圈与滚动体均采用硬度高、抗疲劳性强、耐磨性好的高碳铬轴承钢制造，如GCr15、GCr15SiMn 等。保持架多用低碳钢板冲压形成，也可用有色金属( 如黄铜)、塑料等材料。

图3-17　滚动轴承结构

1—内圈 2—外圈3—滚动体 4—保持架

滚动轴承是标准件，由专业化工厂大量生产供应市场，类型和尺寸系列很多。设计时，一般只需根据具体的工作条件，正确选择轴承的类型和尺寸。

图3-18　常用滚动体外形

2.滚动轴承的类型 轴承按其滚动体的种类分为球轴承和滚子轴承。球轴承中球与滚道为点接触，而滚子轴承中滚子与滚道之间为线接触。在相同尺寸下，球轴承制造方便、价格低、摩擦系数小、运转灵活、允许的极限转速高，但抗冲击能力和承载能力不如滚子轴承。

轴承按其所能承受的载荷方向或公称接触角α 的不同，分为向心轴承和推力轴承。滚动轴承公称接触角α，是指轴承的径向平面( 垂直于轴线) 与滚动体和滚道接触点的公法线之间的夹角，如图3-19 所示。α 越大，滚动轴承承受轴向载荷的能力越大。向心轴承主要用于承受径向载荷，公称接触角的范围为0≤α≤45°;推力轴承主要用于承受轴向载荷，其公称接触角的范围为45°≤α≤90°。

图3-19　轴承的接触角

轴承按其工作时能否调心，分为调心轴承和刚性轴承。调心轴承的滚道是球面形的，能适应两滚道轴心线间的角偏差及角运动( 图3-20) 。

图3-20　轴承的调心作用

常用的滚动轴承的类型和特点见表3-8。

表3-8　常用的滚动轴承的类型和特点

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3.滚动轴承的代号 为了便于设计、制造和选用，在国家标准GB/T 272—1993 中规定了滚动轴承代号的表示方法。

滚动轴承代号是用字母加数字来表示滚动轴承的结构、尺寸、公差等级、技术性能等特征的产品符号。

滚动轴承代号由基本代号、前置代号和后置代号构成。基本代号表示轴承的基本类型、结构和尺寸，是轴承代号的基础;前置代号和后置代号是轴承结构形式、尺寸、公差、技术要求有改变时，在其基本代号左右添加的补充代号。轴承代号的排列见表3-9。

表3-9　滚动轴承代号

(1) 基本代号。基本代号用来表明轴承的内径、直径系列、宽度系列和类型。

①内径代号。轴承内径用基本代号右起第一、第二位数字表示。对常用内径d =20 ～480mm 的轴承，内径一般为5 的倍数，这两位数字表示轴承内径尺寸被5 除得的商，如以04 表示d=20mm，12 表示d=60mm 等。对于内径为10mm、12mm、15mm 和17mm 的轴承，内径代号依次为00、01、02 和03。

②直径系列代号。轴承的直径系列是指对应同一轴承内径的外径尺寸系列。用基本代号右起第三位数字表示。分别有0、1、2、3、4 等外径尺寸依次递增的直径系列。图3-21表示部分直径系列的尺寸对比。

③宽度系列代号。轴承的宽度系列是指对应同一轴承直径系列的宽度尺寸系列。用基本代号右起第四位数字表示。分别有0、1、2、3、4、5、6 等宽度依次递增的宽度系列。当宽度系列为0 系列( 正常系列) 时，多数轴承在代号中不标出宽度系列代号，但对于调心滚子轴承和圆锥滚子轴承，宽度系列代号0 应标出。

直径系列代号和宽度系列代号统称为尺寸系列代号。

④类型代号。轴承类型代号用基本代号右起第五位数字或字母表示。表示方法见表3-8。代号为“0”( 双列角接触球轴承) 则省略。

(2) 后置代号。轴承的后置代号用字母( 或加数字) 表示，置于基本代号的右边并与基本代号空半个汉字距或有符号“－”、“/”隔开。具有多组后置代号时，则按表3-9 所列从左至右的顺序排列。4 组( 含4 组) 以后的内容，则在其代号前用“/”与前面代号隔开。后置代号的内容很多，下面介绍几个常用的代号。

①内部结构代号。内部结构代号表示同一类型轴承的不同内部结构。如接触角为15°、25°和40°的角接触球轴承分别用C、AC 和B 表示内部结构的不同。

②公差等级代号。轴承的公差等级分为0 级、6 级、6X 级、5 级、4 级和2 级，共6 个级别，依次由低级到高级，其代号分别为/P0、/P6、/P6X、/P5、/P4 和/P2。0 级在轴承代号中省略，6X 级只适用于圆锥滚子轴承。

4.前置代号 前置代号用字母表示轴承的分部件。其代号和含义可参阅GB/T 272—1993。

例3-1 试说明滚动轴承62203 的含义。

图3-21　轴承直径系列的尺寸对比

各类滚动轴承有不同的特性，因此选择滚动轴承类型时，必须根据轴承实际工作情况合理选择，一般考虑下列因素。

(1) 载荷性质、大小和方向。

①载荷的性质和大小。在相同外廓尺寸条件下，滚子轴承一般比球轴承承载能力和抗冲击能力大。故载荷大、有振动和冲击时应选用滚子轴承;载荷小、无振动和冲击时应选用球轴承。

②载荷的方向。纯径向载荷选用各类向心轴承都可以; 纯轴向载荷选用推力球轴承、推力圆柱滚子轴承及推力滚针轴承;联合载荷一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承。若径向载荷较大而轴向载荷较小，可选用深沟球轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承。

(2) 轴承的转速。通常球轴承的极限转速高于滚子轴承。各种推力轴承的极限转速均低于向心轴承。每个型号的轴承其极限转速值均列于轴承样本中，选用时应保证工作转速低于极限转速。向心球轴承的极限转速高，高速时应优先选用。

(3) 轴承的调心性。当轴的支点跨距大、刚性差或由于加工安装等原因造成轴承有较大不同心时，应选用能适应内、外圈轴线有较大相对偏斜的调心轴承。在使用调心轴承的同一轴上，一般不宜使用其他类型轴承，以免受其影响而失去了调心作用。

(4) 安装与拆卸。安装拆卸较频繁选用分离型结构的轴承，如圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承和推力轴承等。

(5) 经济性。在满足使用要求的情况下，应优先选用价格低的滚动轴承。一般说来，球轴承的价格低于滚子轴承，所以只要满足使用要求应优先选用球轴承。不同公差等级的轴承，价格相差悬殊，选用高精度轴承必须慎重。