轴系标准件及其选型原则,

如图2-149所示，轴承、联轴器等标准件主要应用于旋转运动的机构上，往往在速度和精度上有较高要求，因此是选型的重点学习内容之一。而其中最重要的无疑是轴承，其次是联轴器，两者选对用好，对增强机构稳定性有很大帮助。轴承在轴系旋转机构的地位相当重要，也往往应用于精密、高速之类的设备，所以务必耐心整理大致分类、特点、型号、选型等设计相关知识，不能一知半解，更不能一窍不通。

1.轴承

轴承就是用于支承旋转的轴并确保其准确、顺畅地旋转而使用的零件。它可以抑制轴旋转时产生的摩擦、减少能耗和发热，防止零件损坏，由滚动体、外圈和内圈组成。轴承的类型很多，常用的类型如图2-150所示。

图2-149 轴系标准件

图2-150 常用轴承

a）球/滚子轴承 b）凸轮/滚子随动器 c）直线轴承 d）鱼眼轴承

（1）球/滚子轴承 依内圈和外圈之间的介质，分为球轴承和滚子轴承，前者比较常用。球轴承依受力的方向及功用，可分为径向球轴承（见图2-151）和推力球轴承（承受较大轴向负荷，分单列推力轴承和双列推力轴承），其中径向球轴承用得较多，可进一步分为三个类型，见表2-34。

图2-151 径向球轴承的结构

表2-34 径向球轴承的分类

（2）凸轮/滚子随动器 如图2-152所示，凸轮随动器是一种附螺栓、螺母及外轮的针状滚子轴承，外轮直接与轨道面接触运转；滚子随动器，相当于没有螺栓的凸轮随动器，一般通过轴销联接。

图2-152 凸轮/滚子随动器

a）凸轮随动器 b）滚子随动器

随动器内外圈的连接介质是滚针（不是滚珠），只受径向载荷，多用于凸轮机构（见图2-153）。一般轴承是固定外圈、转内圈的，但随动器转的是外圈。由于轴承外圈直径远小于凸轮外形轮廓直径，故轴承转速远高于凸轮转速，所以轴承的润滑应尽可能采用润滑油，若无法以润滑油润滑，则至少应经常添加润滑脂。

还有一类随动器为偏心环设计，如图2-154所示，可自动调整中心，优点是配合套在凸轮从动轴承的心轴上，可轻易地对径向方位的位置进行调整。应用场合：一整排的轴承并不需要非常精确的支架孔，只要配合偏心环使用即可达到完美的直线性。

（3）直线轴承 如图2-155所示，直线轴承是一个特殊的轴承，同样是用于支承轴，但这个轴不是转动的，是线性移动的。它类似于线性导轨中的滑块，不过这个滑块内腔是圆的，而导轨换成圆柱或圆棒罢了。

图2-153 凸轮机构上的随动器

图2-154 为偏心环设计的调心随动器

图2-155 直线轴承

直线轴承系列制品中的负荷钢珠，由一体成型的保持架沿轴方向整列引导，由于负荷钢珠与轴是点接触，故允许负荷较小。此外，直线轴承和轴的配合精度一般，线性移动的误差大概在0.01～0.05mm。因此在具体选用时，应考虑到直线轴承的上述特点，重负荷、高精度的场合尽量不用。但是，直线轴承的价格比较便宜，在很多不太严苛的工况下，是实现线性导引的重要方式之一，如图2-156所示。

直线轴承常作为物体长距离线性移动的导引件，如图2-157所示，人机界面在导引轴上的移动导向所采用的就是直线轴承，成本投入较低。机构采用的光轴和直线轴承，如图2-158和图2-159，及表2-35、表2-36均可很方便地从市场采购。

图2-156 直线轴承的应用

a）精度不高的铆合工艺 b）受力不大的测试工艺

图2-157 直线轴承常作为长距离移动的导引件

表2-35 常用光轴参数

图2-158 常用光轴（SFC系列镀硬铬光轴）

图2-159 直线轴承

表2-36 直线轴承参数

（4）轴承的选型 轴承的类型还有很多，适用于各种具体场合，只要平时稍加留意和总结，并不构成学习障碍，通用的方法是：对工况，查型录，抓特性配对。下面以球轴承为例，简单介绍下选型流程和方法。

1）根据负载方向选择轴承种类。根据所选的轴承受到的负荷方向确定类型，例如仅受径向负荷，可选调心球轴承，仅受轴向（推力）负荷则选推力球轴承，同时承受径向和轴向力时可选深沟球轴承。图2-160所示的凸轮机构，不同凸轮受力方向不一样，显然受力有径向也有轴向的，并且高速运行，综合分析，选择深沟球轴承为宜。

2）根据环境确定轴承的材质。例如普通环境，选用轴承钢SUJ2（也是轴的常用材料之一），高湿度环境下选用不锈钢SUS440C（耐蚀性和韧性都很强，在所有不锈钢、耐热钢中的硬度最高，HRC56～58，多用于制造工具、刀具及其他强度、硬度要求较高的场合）。

3）根据使用环境确定轴承的封装形式。不同封装形式的轴承有不同的特点，见表2-37。

图2-160 凸轮机构及轴承

表2-37 轴承的封装形式

4）选择与所用轴相匹配的内径（公差）及与所用固定座相匹配的外径（公差）。

轴承与轴、轴承座的配合间隙过大，安装虽然方便，但轴承寿命更短（因为套圈松动、蠕变、磨损）；采用厂商推荐的适当过盈量，一般问题不大，但过盈量也不宜太大，以免套圈开裂（载荷、温差、精度、安装等因素均会影响）。

一般来说，轴和轴承内圈属于过盈或极微小的间隙配合，可以采用g6或k5、m5等级，见表2-38。例如轴承内径是ϕ10（公差是⁰_-0.008），则轴直径d公差可以是--00..000145。内外圈是薄壁件，易变形，过盈量不宜大。(www.zuozong.com)

一般来说，轴承座孔和外圈属于微小间隙配合，座孔公差采用H7或JS7等级，见表2-39。例如轴承外径是ϕ30（公差是⁰_-0.009），则座孔直径D公差可以是^+0.021₀，实际还可适当加严，如^+0.01₀。

表2-38 基孔制配合公差带 （单位：μm）

表2-39 基轴制配合公差带 （单位：μm）

此外注意，固定凸轮随动器的是光孔（不要误以为是螺纹孔或乱标，见图2-161），一般采用H7公差，例如配CFUA10-22的随动器，孔ϕ10公差可标为⁰_+0.015。

图2-161 凸轮随动器与工件的配合特点

5）根据机械设计理论最终确定额定负载合适的轴承。这一步骤相对较麻烦，要先熟悉轴承校核相关概念，然后评估机构的负载情况，再根据轴承选用指引和查型录表格来获得型号。一般来说，如果转速较高，则进行寿命校核，防止点蚀破坏；转速较低，则进行静强度校核，防止塑性变形。以下对径向球轴承的寿命校核进行简单的介绍（静强度校核略；更多深入的探讨，如推力球轴承和其他轴承等，读者可以查阅机械设计手册，本书为速成性质难以兼顾深度内容）。

①基本额定动载荷C。所选轴承在基本额定寿命L₁₀为10⁶转时所能承受的最大载荷。向心轴承的基本额定动载荷记为C_r，推力轴承的基本额定动载荷记为C_a。

②寿命指数ε。球轴承ε=3，滚子轴承ε=10/3。

③当量载荷P。由于实际载荷包含径向F_r和轴向F_a，如图2-162所示，可将其进行换算，再和基本额定载荷C进行比较。假设径向动载荷系数为X，轴向动载荷系数为Y，则有

P=XF_r+YFa

图2-162 轴承实际所受载荷

工作中的冲击和振动会使轴承寿命降低，用载荷系数f_d修正，见表2-40，则有

P=f_d（XF_r+YF_a）

表2-40 轴承的工作载荷系数

首先求出F_a/C_0r（C_0r为基本额定静载荷），查表2-41，确定对应的e值，根据其与F_a/F_r对比的大小确定当量载荷的计算系数X和Y。

表2-41 径向球轴承的系数X和Y

④滚动轴承的基本额定寿命L_h。单位为h，假设n为转速，单位为r/min，已知C（选定了轴承）和P，则有

当工作温度高于120℃时，C值会下降，用温度系数f_t修正，见表2-42，则有

表2-42 轴承的工作温度系数f_t

如果轴承待选（不知道C），假设预期寿命L_h′及P已知，则所需的基本额定动载荷（单位为N）C′应满足C′＜C。

举个案例（径向球轴承）：不考虑温度和冲击的影响，在轴向负载F_a=0.16kN、径向负载F_r=55N、转速500r/min的条件下，使用某型深沟球轴承（见表2-43），基本额定寿命为多少？

表2-43 某型轴承的规格表

【分析】首先从表2-41中求得系数X、Y，然后求出P的值。方法是这样的：见表2-43，找到该型号轴承的基本额定静载荷C_0r值为1.46kN，则有F_a/C_0r=0.16/1.46=0.11，查表2-41，对应e值为0.3，此时的轴向负载比F_a/F_r=160/55=2.91＞e，因此取X=0.56、Y=1.45，故P=XF_r+YF_a=（0.56×55+1.45×160）N=263N。因此，L_h=[10⁶/（500×60）]×（1460/263）3=5700h。

【提醒】根据上述计算分析，虽然公式看起来比较复杂，但只要按部就班进行，并不是很繁琐，比较关键的反而是如何确定实际载荷（轴向和径向），有时工况比较复杂，还是需要一定的分析能力的（往往又是初学者欠缺的）。此外，不同的轴承和工况，就有不一样的计算校核方法，例如在求推力球轴承的X和Y时，查询的表单就不一样。

6）确定轴承的允许转速大于实际转速。轴承允许转速，基本都是上万或几万转每分，用在普通自动化设备上绰绰有余。一般来说，球轴承较适合轻载、高速、高精度场合，滚子轴承适合低速、重载场合。球轴承比滚子轴承的极限转速高，应优先选用球轴承；在高速时，选用超轻、特轻及轻系列的轴承（内径相同时，外径越小，滚动体就越轻小，产生的离心力也越小）；保持架的材料对轴承转速影响极大，实体保持架比冲压保持架允许有更高一些的转速；推力轴承的极限转速很低，当工作转速高时，若轴向载荷不是十分大，可以采用角接触球轴承来承受纯轴向力。

在机械设计中，一般先确定轴的尺寸，然后，根据轴的尺寸选择轴承。通常是小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承。

（5）轴承的安装 轴承的安装，指的是如何将轴承合理地布局于机构以内，是需要遵循一些理论和原则的，也是设计人员必须十分重视的内容。

1）内外圈的固定。轴承的内圈固定在轴上，常见方式如图2-163所示，外圈固定在轴承座上，常见方式如图2-164所示。

图2-163 轴承与轴的固定方式

a）轴肩或套筒 b）轴端挡板+螺钉 c）圆螺母+止退垫圈

图2-164 轴承与轴承座的固定方式

a）座孔凸肩 b）轴承端盖 c）轴承端盖+座孔凸肩

2）轴承布局方式。常见的布局方式有三种，轴短、温差小的场合如图2-165所示，轴较长、工作温差的大场合（大量凸轮机构采用这种方式）如图2-166所示，考虑轴承位置调整（如锥齿轮啮合）的场合如图2-167所示。

3）关于角接触向心轴承。经常配对使用，此时有两种装配模式，如图2-168所示。

图2-169所示是一个“伺服+丝杠”移动机构，配对使用角接触轴承，可以承受径向载荷与一个方向的轴向载荷。

2.联轴器

本书略，见“入门篇”第192～193页。