支持和約束軸的旋轉或擺動的機械零件。軸承和軸構成動聯接,藉以傳遞載荷和約束軸的運動。

  不同機器對軸承有不同的要求:軋鋼機要求承載能力大,高速旋轉機械要求運轉穩定性好,機床主軸要求旋轉精度高,儀器儀錶要求摩擦力矩小和靈敏度高。在滿足載荷、速度、工作環境(如溫度、真空、粉塵和輻射等)和其他特殊要求(如旋轉精度、低起動力矩和低雜訊等)的前提下,設法降低軸承的摩擦和磨損是軸承設計的基本問題。摩擦小,則軸承溫升低、功耗少、效率高;;磨損小,則軸承使用壽命長。在機械設計中還必須考慮軸承與其他機械零件的匹配。例如軸承的剛度和阻尼對高速旋轉軸系的動態特性影響很大。

  簡史 在中國古籍中,關於車軸軸承的構造早有記載。春秋末期的手工藝專著《考工記》中記載有:“行澤者欲短轂,行山者欲長轂,短轂則利,長轂則安。”漢代許慎所撰《說文解字》中解釋:“鐧,車軸鐵也。”19世紀中葉,隨著軸承材料、潤滑劑和機械制造工藝等方面的進步,歐洲開始有比較完善的滑動軸承。1883年,俄國的N.P.彼得羅夫首先應用牛頓黏性定律計算軸承摩擦。同年,英國的B.托爾在測定車輛軸承的摩擦系數時發現軸承中有油膜壓力存在,並測出油膜壓力分佈曲線。1886年,英國水力學傢O.雷諾對托爾的發現進行數學分析,導出瞭雷諾方程,從此奠定瞭流體動壓潤滑理論的基礎。此後,德國的A.索末菲、澳大利亞的A.G.M.米歇爾、美國的A.A.拉伊蒙迪和J.鮑埃等人在求解雷諾方程和軸承設計方面作出瞭貢獻。

  人類很早就懂得用滾動方式代替滑動方式移動重物更為輕便。輪子在歷史上是很重要的一項發明。沒有輪輻的輪子在中國漢、唐時代稱為“輇”。1279年,中國郭守敬創制的天文簡儀,“在百刻環內廣面臥施圓軸四,使赤道環旋轉無澀滯之患”,其作用與現代推力滾子軸承相似。1772年,英國的C.瓦洛設計制造球軸承,並裝在郵車上試用。1794年,英國的P.沃恩取得球軸承的專利。1881年,德國的H.R.赫茲發表關於球軸承接觸應力的論文。在赫茲成就的基礎上,德國的R.施特裡貝克、瑞典的A.帕姆格倫等人又進行大量實驗,對發展滾動軸承的設計理論和疲勞壽命計算作出瞭貢獻。20世紀60年代後,彈性流體動壓潤滑理論逐漸成熟,按這一理論設計滾動軸承使壽命大為增加。

  分類 按照工作時的摩擦性質不同,軸承主要分為滾動軸承和滑動軸承兩大類。前者在滾動摩擦下工作,後者在滑動摩擦下工作。

  滾動軸承 在滾動摩擦下工作的軸承。滾動軸承是標準化程度很高的零件,互換性好,消耗潤滑劑少,大多能用脂潤滑,使用維護方便,工作可靠,靜摩擦力矩接近動摩擦力矩,起動性能好,在中等速度下承載能力較高。但高速時壽命低,聲響較大。滾動軸承按承載方向可分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承(圖1)。向心軸承主要承受徑向力,推力軸承隻能承受軸向力。向心推力軸承能同時承受徑向力和軸向力。滾動軸承按滾動體形狀又可分為球軸承滾子軸承滾針軸承。轉速較高、載荷較小,要求旋轉精度較高時宜選用球軸承;載荷大時宜選用滾子軸承;載荷大而徑向尺寸又受限制時宜選用滾針軸承。向心軸承的套圈分內圈和外圈,內圈常與軸緊套並隨軸一起旋轉,外圈裝在軸承座孔中。滾動體沿套圈的滾道滾動,由保持架隔開,避免相互摩擦。推力軸承分緊圈和活圈兩部分。緊圈與軸套緊,活圈支承在軸承座上。套圈和滾動體采用強度高、耐磨性好的滾動軸承鋼制造,淬火後表面硬度應達到HRC60~65。保持架多用軟鋼沖壓制成,有的采用銅合金、夾佈膠木或塑料制造。滾動軸承用代號表示,最前面一位數是類型代號,其次為直徑系列代號,最後兩位數為內徑尺寸代號。直徑代號用1、2、3、4分別表示特輕、輕、中和重系列,當軸承內徑相同時,特輕系列外徑最小,重系列外徑最大。內徑為20~459毫米的軸承,內徑尺寸代號乘5即為軸承內徑。例如6308∶6代表向心推力球軸承,3代表中系列,08代表軸承內徑為08×5=40(毫米)。

圖1 滾動軸承分類和組成

  ①負荷與壽命。滾動軸承中任一元件出現接觸疲勞磨損前的運轉總轉數或在一定轉速下的總工作時數,稱為軸承壽命。滾動軸承的壽命參差很大,同一批生產的軸承在相同條件下運轉,其壽命可相差數倍甚至數十倍。同一批軸承中的90%在疲勞剝落前能達到或超過的總轉數(或工作時數)稱為額定壽命L。額定壽命為100萬轉時所能承受的載荷為額定動載荷C。承受載荷最大的滾動體與滾道接觸處的應力達到一定值時的載荷稱為軸承的額定靜載荷C0。額定載荷越大,軸承的承載能力越強。向心軸承的額定載荷是純徑向載荷,推力軸承的額定載荷是純軸向載荷。軸承的實際載荷情況常與額定載荷不同,須換算成當量載荷。

  ②滾動軸承的極限轉速。在一定載荷和潤滑條件下軸承所允許的最高轉速。

  ③滾動軸承的潤滑。主要有脂潤滑和油潤滑。采用脂潤滑不易泄漏、易於密封、使用時間長、維護簡便且油膜強度高,但摩擦力矩比油潤滑大,不宜用於高速。軸承中脂的裝填量不應超過軸承空間的1/2~1/3,否則會由於攪拌潤滑劑過多而使軸承過熱。油潤滑冷卻效果好,但密封和供油裝置較復雜。

  滑動軸承 在滑動摩擦條件下工作的一類軸承。按其承受外載荷方向的不同,可分為徑向滑動軸承(承受徑向載荷)和止推軸承(承受軸向載荷)。

  ①徑向滑動軸承(圖2)。主要由軸承座、軸瓦等組成。軸被軸承支承的部分稱為軸頸,與軸頸相配的零件稱為軸瓦,做成整圓筒形的軸瓦稱為軸套。裝軸瓦的上半部稱為軸承蓋,下半部稱為軸承座。蓋和座用螺柱聯接,兩者的接合面由止口或銷釘定位,並可放置不同厚度的墊片以調節軸承間隙。多數軸承的接合面是水平的,也有傾斜的,以適應載荷方向接近垂直於接合面的要求。為便於潤滑油進入摩擦面之間,軸承蓋上開有註油孔,軸瓦上有分配潤滑油的油槽。軸承蓋和座大多用鑄鐵制造,承受載荷大的采用鑄鋼或鋼板焊接結構。軸瓦用減摩性良好的滑動軸承材料制造,包括金屬材料(如銅合金、鋁合金和巴氏合金等)和非金屬材料(如塑料、石墨、橡膠和木材等)。有些減摩性較好的金屬材料強度低(如巴氏合金),隻在材料強度較高的軸瓦表面上澆鑄一層,稱為軸承襯。支撐軸承襯的部分稱為軸承襯背,常用軟鋼、鑄鐵或青銅制造。

圖2 徑向滑動軸承的組成

  ②止推軸承。承受軸向推力並限制軸作軸向移動的滑動軸承。兩摩擦表面完全被流體膜隔開的推力軸承分為流體動壓推力軸承和流體靜壓推力軸承,適用於高、中速運行。兩摩擦表面不能完全被流體膜隔開的推力軸承在邊界潤滑下工作,隻適用於低速運行。液體動壓推力軸承有以下幾種:ⓐ平面多溝推力軸承。結構最簡單,兩滑動表面相互平行,為改善潤滑,在瓦面上開有徑向油溝。這種軸承因摩擦熱引起油密度變化,油膜產生一定壓力以承受載荷。但這種軸承承受載荷的能力較低,因而隻適用於中、小尺寸的輕載條件。ⓑ斜–平面推力軸承。由若幹具有斜面和平面的瓦塊組成。斜面與推力環構成油楔,運轉時在整個瓦面上形成動壓油膜。這種軸承結構簡單,工作可靠,但斜面斜度很小,不易加工,而且要求安裝精度高,多用作速度比較穩定的中、小尺寸的推力軸承。ⓒ階梯面推力軸承。由若幹具有階梯平面的瓦塊組成。階梯面可用壓印法或酸蝕法制成,加工方便,多為小型軸承。ⓓ可傾瓦塊推力軸承。由若幹獨立的、能隨工作狀況變化、自動統一支點擺動的瓦塊組成。這種軸承承受載荷的能力大,能在較寬的速度范圍內正常工作,是大型軸承中最通用的形式。支承瓦塊的方式很多,大型軸承的支承結構都比較復雜,制造成本較高。

  特種軸承 由於現代機器、儀器等設備正在向高速、重載、精密、輕巧等方面發展,通用軸承已很難滿足各式各種不同的要求,因而對軸承提出瞭新的要求,這樣,出現瞭大批量生產的機器設備所用的專用軸承和在特殊工況下工作的特種軸承(圖3)。

圖3 核潛艇用軸承

  液體動壓軸承 靠液體潤滑劑動壓力形成的液膜隔開兩摩擦表面並承受載荷的滑動軸承。液體潤滑劑是被兩摩擦面的相對運動帶入兩摩擦面之間的,產生液體動壓力的條件是:①兩摩擦面有足夠的相對運動速度。②潤滑劑有適當的黏度。③兩表面間的間隙是收斂的,在相對運動中潤滑劑從間隙的大口流向小口,構成油楔。這一類軸承在液體潤滑下工作,載荷由油膜壓力支承,其摩擦完全取決於油的黏度,所以摩擦阻力很小。液體動壓軸承正常工作時,運動表面不會直接接觸,所以沒有磨損。但在起動和停止階段,不可能得到完全液體潤滑。

  液體靜壓軸承 靠外部供給壓力油,在軸承內建立靜壓承載油膜以實現液體潤滑的滑動軸承。從起動到停止始終在液體潤滑下工作,無磨損,使用壽命長,起動功率小,在極低(甚至接近零)的速度下也能正常工作。此外,這種軸承還具有旋轉精度高、油膜剛度大、能抑制油膜振蕩等優點,但需要專用油箱供給壓力油,高速時功耗較大。

  氣體軸承 用氣體作潤滑劑的滑動軸承。最常用的氣體潤滑劑為空氣,根據需要也可用氮、氬、氫、氦或二氧化碳等。在氣體壓縮機、膨脹機和循環器中,常以工作介質作為潤滑劑。氣體軸承可用於紡織機械、電纜機械、儀表機床、陀螺儀、高速離心分離機、牙鉆、低溫運轉的制冷機、氫膨脹機和高溫運轉的氣體循環器等。氣體軸承有以下特點:①摩擦阻力極低。由於氣體黏度比液體低得多,在室溫下空氣黏度僅為10號機械油的五千分之一,而軸承的摩擦阻力與黏度成正比,所以氣體軸承的摩擦阻力比液體潤滑軸承低。②適用速度范圍大。氣體軸承的摩阻低,溫升低,在轉速高達5萬轉/分時,其溫升不超過20~30℃,轉速甚至有高達130萬轉/分的。氣體靜壓軸承還能用於極低的速度,甚至接近零速。③適用溫度范圍廣。氣體能在極寬的溫度范圍內保持氣態,其黏度受溫度影響很小(溫度升高時黏度還稍有增加,如溫度從20℃升至100℃,空氣黏度增加23%),因此,氣體軸承的適用溫度范圍可達−265℃到1 650℃。④承載能力低。動壓軸承的承載能力與黏度成正比,氣體動壓軸承的承載能力隻有相同尺寸液體動壓軸承的千分之幾。⑤加工精度要求高。為提高氣體軸承的承載能力和氣膜剛度,通常采用比液體潤滑軸承小的軸承間隙(小於0.015毫米),需要相應地提高零件精度。氣體潤滑軸承形成承載氣膜的機理與液體潤滑軸承相同,故也分為氣體動壓軸承和氣體靜壓軸承。按承受載荷的方向不同,又可分為氣體徑向軸承、氣體推力軸承和氣體徑向推力組合軸承。

  磁流體軸承 用導電流體作潤滑劑並有外加磁場的滑動軸承。磁流體軸承是20世紀60年代配合核動力設備而發展起來的新型軸承。常用的導電流體有:高溫下多用熔融的鈉、鉀和鈉鉀共晶合金;在常溫環境中則用水銀。磁流體軸承與液體潤滑的滑動軸承一樣,可做成液體動壓軸承和液體靜壓軸承,按結構型式分為圓柱徑向軸承、平面推力軸承、球形軸承和錐形軸承等。磁場由永磁體或電磁線圈產生,磁場方向垂直於導電流體的流動方向。流體中的感生電流與磁場相互作用產生洛侖茲力,其大小與流體的導電率、速度和磁感應強度平方成正比,其方向與流體的流動方向相反,對流體的運動起阻滯作用,使流體的等效黏度成倍增加,從而大大提高軸承的承載能力。

  電流體軸承 利用電場力、磁場力使軸懸浮的滑動軸承。用電場力懸浮的為靜電軸承,用磁場力懸浮的為磁力軸承,用電場力和磁場力共同懸浮的為組合式軸承。後一種軸承既有電極又有磁極,在電路連接上使電容和電感相互對應調諧,其剛度比前兩者要高得多,而最大力所對應的位移卻很小。電磁軸承因軸與軸承無直接接觸,不需潤滑,能在真空中和很寬的溫度范圍內工作,摩擦阻力小,不受速度限制,使用壽命長,結構可多樣化。靜電軸承需要很大的電場強度,應用受到限制,隻能在少數儀表中使用。磁力軸承具有較大的承載能力和剛度,已用於超高速列車、超高速離心機、水輪發電機、空間飛行器的角動量飛輪、流量計、密度計、功率表、真空泵、精密穩流器和陀螺儀等。隨著磁性材料和電子技術的發展,電磁軸承的應用正日益擴大。

  自潤滑軸承 在工作時間內不需要添加潤滑劑的滑動軸承。自潤滑軸承有4種類型:①用石墨、聚四氟乙烯、尼龍等具有良好自潤滑性的材料制造的軸承。②用固體潤滑劑潤滑的金屬軸承。③用含有固體潤滑劑的復合材料制造的軸承。④在多孔質金屬或多孔質塑料中加入潤滑油或潤滑脂的軸承。常用的固體潤滑劑有石墨、二硫化鉬、聚四氟乙烯、酞菁染料等。為防止潤滑劑流失,後三種軸承都要做成密封組件。自潤滑軸承主要用在無法添加或不便於添加潤滑劑的工作環境,如高空、地下、高溫、放射性、有毒的場所,也常用於不允許潤滑劑污染的機械和設備,如食品機械、紡織機械、電器開關等。