第三节
齿轮箱常用轴承

前面章节中介绍了轴承的通用性能，这些性能特征对于滚动轴承而言是具有共性的，是作为机械工程师对轴承性能了解的基础，同时也是进行齿轮箱设计时对轴承通用考虑的重要因素。

在轴承的分类中，笔者介绍了每一种不同类型的轴承都具有不同设计，同时也具有不同的特性。有些轴承是齿轮箱经常使用的类型，因此对这些轴承特性的了解也十分重要。本节就针对齿轮箱常用轴承的个性特征进行介绍，同时也列举了几大国际知名品牌对这些类型轴承一些特性的设计以及代号，供机械工程师进行齿轮箱轴承选型时参考。

一、深沟球轴承

深沟球轴承是所有轴承中最古老、最传统、最成熟的产品类型，也是所有轴承中使用最广泛的一类轴承。如图3-21所示，深沟球轴承滚动体是球形，工作的时候滚动体在滚道内进行周向旋转，同时有一定的自转。深沟球轴承滚道的曲率半径和球的半径不同，每个套圈均具有横截面弧长为球周长1/3以上的连续沟道，因此称之为“深”沟球轴承。

深沟球轴承有单列、双列等多种设计，其中单列深沟球轴承使用最为广泛。

深沟球轴承是一体式轴承，其内圈、外圈滚动体和保持架组装之后就成为一体的组件，在使用时不可分离。也正是因为这个原因，深沟球轴承具有使用简单、安装方便的特点。

深沟球轴承主要用于必须对轴进行轴向定位且轴向载荷较小的场合。在齿轮箱中主要包括：

1）圆柱齿轮传动（驱动轴以及空心输出轴）。

2）多级齿轮传动。

3）齿轮电机。

4）蜗杆传动中的蜗轮。

5）行星齿轮传动中的驱动轴、行星架。

6）联轴器轴。

（一）深沟球轴承的承载能力

在深沟球轴承运转时，其内部滚动体与滚道之间的接触是点接触 相比其他接触形式而言，深沟球轴承的承载能力不是很大。

从深沟球轴承的结构可以看出，深沟球轴承主要承受径向载荷。由于其滚道具有一定深度，因此滚动体可以在轴向偏离的相对位置承载，从而具备一定的轴向载荷承载能力。因此，深沟球轴承可以承受径向载荷、轻轴向载荷以及相应的复合载荷。

另外，深沟球轴承能够承受轻度的偏心载荷，其偏心角度应<10′。

（二）深沟球轴承的转速能力

深沟球轴承内部滚动体与滚道的接触是点接触，轴承滚动时所产生的滚动摩擦相对线接触等较小，由此而带来的发热量也相对较低。

同时，深沟球轴承滚动体质量比圆柱形或者圆锥形滚子小，因此在高转速下轴承滚动体离心力较小。所有这些因素使得深沟球轴承具有较高的转速能力。

（三）深沟球轴承的密封形式

深沟球轴承结构相对简单，在一定尺寸以下的深沟球轴承可以安装防尘盖、密封件，同时内部预填装润滑脂。

深沟球轴承常见的防护方式有防尘盖、轻（非）接触式密封以及接触式密封三大类。同时，不同品牌厂家的密封设计有所不同。

1.防尘盖

带防尘盖的深沟球轴承，通常也被称为带铁盖的深沟球轴承。其结构就是在轴承滚动体两侧加装了一个金属的防护盖，也就是防尘盖。因为防尘盖和轴承内圈并无接触，仅仅缩小了灰尘进入的入口空间，从而对轴承内部起到了一定的保护作用，所以这类轴承不具备任何的液体防护能力，仅对轻污染的场合可以起到保护作用。带防尘盖的深沟球轴承一般在出厂之前其内部都预先填装了适当的润滑脂，其中有的厂家轴承内的润滑脂量可以有不同的选择，以适应不同工况。

各个品牌的设计具体结构不同，其防护能力也略有差异。图3-22所示为一些带防尘盖的深沟球轴承结构。

2.轻 （非） 接触式密封

密封轴承一般采用的都是骨架式密封，密封件内部有一个钢制骨架，外部涂覆着橡胶材料，密封件的唇口是由橡胶材料构成的。密封件唇口和轴承内圈不接触的设计就是非接触式密封，接触力较小的就是轻接触密封。国际主要品牌的轻接触式密封深沟球轴承结构如图3-23所示。

由于此类轴承密封效果较带防尘盖的轴承好，同时轴承密封件骨架外层有一层橡胶材料，且起主要密封作用的密封唇口也是橡胶材料，因此这种密封根据橡胶材料的不同，有不同的使用温度限值。具体请参考本章前面的介绍。

此类轴承仍然不能使用于重污染的场合，同时对液体污染的防护能力也不强。由于其接触力较小，因此在需要一定密封性能、但是转速又较高的场合经常得以使用。

3.接触式密封

接触式密封的密封件和非接触式的密封件相类似，差别是密封件的唇口和轴承内圈相接触，因此叫作接触式密封。国际主要品牌的接触式密封深沟球轴承结构如图3-24所示。

接触式密封的深沟球轴承其密封能力相对较好，可以具备防尘和一定程度的液体污染防护能力。与非接触式密封相同，由于密封件材料的原因，其运行条件也有一定的限制，比如温度。具体数值请参考本章相关内容。

密封能力和唇口接触力之间是矛盾关系，接触力越大，密封性能越好，但是唇口和内圈之间的摩擦就越大，轴承的旋转阻转矩就越大，从而发热量越高和磨损也越大，轴承转速能力就受到限制。因此，接触式密封轴承密封件的设计要在轴承转速能力、运转灵活性和轴承密封性能之间取得平衡。

对于一些污染场合，使用接触式密封时会出现唇口摩擦偏大、轴承发热的情况，此时需要更换接触力相对较小的轻接触式密封的轴承，但也牺牲了轴承密封的防护能力。此类故障需要根据具体工况进行平衡选择。

不同防护方式的轴承性能对比见表3-22。

（四）深沟球轴承常见后缀

生产的不同深沟球轴承在设计上的差异一般会用一些后缀标识清楚。为便于读者参考，现摘录部分品牌的深沟球轴承密封与防护常见后缀，见表3-23。

常见游隙一般都按照ISO 5753-1:2009标注后缀，见表3-24。

通常很多品牌省略后缀的保持架默认为钢保持架，但是保持架安装方式（铆接、搭扣）等根据各自工艺和设计各有不同。

FAG和SKF常见的深沟球轴承保持架后缀见表3-25。

二、圆柱滚子轴承

圆柱滚子轴承是齿轮箱中常用的另一类滚动轴承类型。圆柱滚子轴承内部的滚动体是圆柱形，运行时滚动体在滚道上滚动，而其间的接触是线接触，因此，圆柱滚子轴承具有承载能力好、运转平稳可靠、形式多样、适用于很多场合等特点。同时圆柱滚子轴承多为分体式结构，可以分开安装。

圆柱滚子轴承类型丰富，有带保持架的、也有不带保持架的；有单列、双列和多列等形式。

在齿轮箱中，圆柱滚子主要使用于如下场合：

1）用作轴系统的非定位端轴承（浮动型圆柱滚子轴承）。

2）用作轴系统单向定位轴承（半定位圆柱滚子轴承）。

3）圆柱齿轮的中间轴。

4）轴向载荷被两个齿轮啮合相互抵消的其他类型齿轮箱中间轴。

（一）圆柱滚子轴承的不同结构

圆柱滚子轴承一般由内圈、外圈和滚动体组成，其滚动体为圆柱形。按照圆柱滚子轴承轴向定位能力不同，可以分为浮动型圆柱滚子轴承、半定位圆柱滚子轴承、定位圆柱滚子轴承以及带挡圈的圆柱滚子轴承。如图3-25所示为带保持架的圆柱滚子轴承不同结构。

对于不带保持架的满装圆柱滚子轴承有如图3-26所示的设计。

（二）圆柱滚子轴承的承载能力

从圆柱滚子的结构可以看出，轴承内部滚动体与滚道之间的接触是线接触。与球轴承相比，圆柱滚子轴承滚动接触面积更大，因此轴承径向承载力更大。

对于浮动型圆柱滚子轴承，在一侧的轴承圈上，其内部轴向是自由放开状态，在轴承运转时，滚动体可以在轴向上自由移动。因此，这类圆柱滚子轴承没有轴向载荷承载能力。

对于半定位型圆柱滚子轴承，轴承外圈有两侧挡边，而轴承内圈在一侧有挡边。轴承在单侧挡边方向可以承受轴向载荷，而在另一个方向自由移动。因此，半定位型圆柱滚子轴承可以作为单向定位轴承，承受一定的单向轴向载荷。但是，这类轴承承受单向载荷的能力是通过滚动体与滚道挡边的滑动摩擦实现的，与滚动摩擦相比，摩擦发热量较高，因此其轴向承载能力有限。

对于定位型圆柱滚子轴承，轴承外圈具有两个挡边，轴承内圈具有一个挡边加一个平挡圈。轴承除了较大的径向载荷承载能力以外，在双向可以承受一定的轴向载荷。定位型圆柱滚子轴承可以作为定位轴承使用，同时其轴向承载能力是依赖于滚动体与挡边之间滑动摩擦而产生的，因此其轴向承载能力有限。

带挡圈的圆柱滚子轴承外圈两侧具有挡边，轴承内圈单侧带挡边，同时具有一个挡圈。这类轴承与定位型圆柱滚子轴承一样可以承受较大的径向载荷，并进行轴向定位，且轴向承载能力有限。

对于满装圆柱滚子轴承而言，内部没有保持架，因此可以布置更多的滚动体。与带保持架的圆柱滚子轴承相比，其径向承载能力更大。

另外，圆柱滚子轴承内部的接触形式决定了这类轴承对载荷偏心的敏感性，因此圆柱滚子轴承不能承受偏心载荷，其最大偏心载荷角度为2′～4′。

总体上，圆柱滚子轴承承载能力具有如下特点：

1）具有较好的径向承载能力。

2）摩擦小，带保持架的圆柱滚子轴承是所有滚子轴承中摩擦力最小的一类。

3）带保持架的圆柱滚子轴承由于保持架可以正确地引导滚子运动，同时又具有较大的强度和较好的滑动摩擦特性，因此具有更宽的运行速度范围。

4）定位型圆柱滚子轴承可以承受中等程度的轴向载荷，但由于此时会增大滚动体与挡边之间的摩擦，因此需要加强轴承润滑和散热。

5）轴承运行时容易出现侧面位移。

6）是理想的非定位端非定位轴承。

7）对偏心载荷敏感。

（三）圆柱滚子轴承的转速能力

圆柱滚子轴承在承受载荷时，内部滚动体和滚道之间是线接触，其发热量比球轴承的点接触形式的高；同时轴承滚动体的质量比相同内径球轴承的大，相应地，高速运转时离心力大。因此，与球轴承相比，圆柱滚子轴承的转速能力会低一些。

但是，对于带保持架的圆柱滚子轴承，保持架的强度较好，可以为润滑提供良好的空间，并且其自身也有一定的滑动摩擦特性，因此这类轴承仍然可以在较好的转速情况下运行。

另外，对于带保持架的圆柱滚子轴承而言，不同的保持架设计以及润滑方式影响其转速能力。请参照本章前面章节的介绍并根据表3-20进行修正。

对于满装圆柱滚子轴承，其内部没有保持架分隔滚动体，运转时滚动体的运行轨迹只能靠轴承圈以及滚动体之间的碰撞来修正。因此，这类轴承不适用于高转速的场合。

（四）圆柱滚子轴承常见后缀

圆柱滚子轴承除基本代号以外，不同厂家也会根据自己的设计做一些后缀标识。

圆柱滚子轴承的游隙符合ISO 5753-1:2009标准，因此其后缀形式可以参考表3-25。需要注意的是，即便是相同的游隙组别，不同类型的轴承游隙值也不相同。例如，深沟球轴承C3组游隙值并不等于圆柱滚子轴承C3组游隙值。

关于轴承材料热处理的后缀见表3-26。

圆柱滚子轴承保持架后缀见表3-27。

三、角接触球轴承

角接触球轴承是另一类齿轮箱中常用的轴承。如图3-27所示，从其结构可以看出，轴承内部滚动体与滚道之间的接触是点接触，并且其接触点连线与法线存在一个角度，就是我们所说的接触角。

角接触球轴承有如下几种设计：

1）单列、单向角接触球轴承。

2）双列、双向角接触球轴承。

3）四点接触球轴承、单列双向角接触球轴承。

在齿轮箱中，角接触球轴承经常用于蜗杆的定位端；在高速圆柱齿轮传动中，四点接触球轴承主要作为推力轴承使用。这种情况下，其径向需要放开，使之不承受径向载荷。

（一）角接触球轴承的承载能力

在角接触球轴承中，由于接触角的存在，使之可以承受比较大的轴向载荷（相对于深沟球轴承而言）以及相应的径向载荷。其受力路径如图3-28所示。

单列角接触球轴承只能承受单向轴向载荷。如果需要承受双向轴向载荷，则需要与其他轴承配合使用，或者两个角接触球轴承配对使用。

双列角接触球轴承可以承受双向轴向载荷。其受力类似于两个单列角接触球轴承的配对使用。

一般在没有特别指定的情况下，角接触球轴承的接触角默认为40°。除此之外，根据不同工况需求，也有其他接触角的角接触球轴承。接触角越大，其承受轴向载荷的能力就越大。

四点接触球轴承只能承受双向的轴向载荷，不能承受径向载荷，因此在安装时应避免造成运行时的径向受力。

（二）角接触球轴承的配对使用

当两个角接触球轴承配对使用时，这个组合就可以承受双向的轴向载荷或者某个单向的更大载荷。但是，并非任意两个角接触球轴承并列布置就可以变成配对的角接触球轴承使用。一般情况下，两个轴承的端面需要进行特殊的加工，从而保证两个轴承并排夹紧后的轴承内部留有合适的预载荷。因此，通常如果需要两个角接触球轴承配对使用，则需要向轴承厂家说明，以提供可以配对使用的轴承，同时在使用时轴承配对表面必须相对，不可装反。

也有一些厂家提供通用配对角接触球轴承，这类轴承两个端面都经过特殊加工，可以任意组合形成配对。

角接触球轴承配对使用的方式有面对面、背对背、串联等方式，如图3-29所示。

不同厂家通用配对的角接触球轴承加工情况不同，因此如果需要知道两个通用配对角接触球轴承配对后的内部预载荷（预游隙），则必须参考相应的轴承型录或者咨询厂家。

从图3-29中可以看出：

1）串联的角接触球轴承其单向承载能力扩大，但这个组合依然不可以承受相反方向的轴向载荷。

2）背对背配对安装的角接触球轴承可以承受两个方向的轴向力以及径向力。此时，两个轴承受力线相交于轴线距离较远的两个位置，因此整个支撑点的抗倾覆力矩比较大，支撑的刚性更好。

3）面对面配对安装的角接触球轴承可以承受两个方向的轴向力以及相应的径向力。此时，两个轴承受力线相交于轴线距离较近的两个位置，因此整个支点的抗倾覆力矩较小。

对于双列角接触球轴承（见图3-30），其内部受力相当于两个背对背安装的单列角接触球轴承，因此可以承受双向的轴向载荷以及相应的径向载荷，并且其支撑刚性较好，抗倾覆力矩较大。

（三）角接触球轴承的转速能力

角接触球轴承的内部滚动接触与深沟球轴承类似，因此具有较高的转速能力。又由于角接触球轴承运行时所有滚动体都承受载荷，系统刚性更好，所以角接触球轴承的转速能力甚至可以优于深沟球轴承。因此，有些高转速场合，会使用施加过预紧的角接触球轴承替代深沟球轴承，来获得更高的转速能力。

对于配对使用的角接触球轴承，配对之后其总体转速能力下降为单个角接触球轴承的80%左右。不同的品牌厂商可能给出不同的推荐值，可以咨询厂家获得准确值。

（四）角接触球轴承常见后缀

与接触角相关的后缀见表3-28。

与配对相关的后缀见表3-29。

与保持架相关的后缀见表3-30。

角接触球轴承如果有不同的精度等级会在后缀中标注，例如P5、P6等。

四、圆锥滚子轴承

圆锥滚子轴承的滚动体是圆锥形状，是齿轮箱中常用的一种轴承，如图3-31所示。这种轴承滚道的圆锥面使得它特别适用于由轴向载荷和径向载荷构成的复合载荷工况。由于可以选择接触角，因此对于特殊的复合载荷可以找到合适的圆锥滚子轴承承担。

圆锥滚子轴承有单列、双列以及多列等不同的设计。

圆锥滚子轴承一般会通过两个轴承彼此调整使用，这样可以控制和调整分布到滚子上的载荷，从而使齿轮轴的刚度以及引导得到优化，同时提高寿命。这种配合使用类似于角接触球轴承的配对使用，只不过很多时候圆锥滚子轴承不一定并列放在一起应用。

圆锥滚子轴承通常在齿轮箱中用于以下场合：

1）斜齿圆柱齿轮箱。

2）锥齿轮箱及圆锥-圆柱齿轮箱。

3）蜗轮蜗杆齿轮箱。

（一）圆锥滚子轴承的承载能力

圆锥滚子轴承内部滚动体的分布与径向平面呈一定夹角，同时轴承内部的滚动体也是圆锥形状，其结构如图3-32所示。

圆锥滚子轴承外圈滚道母线与水平线的夹角（或者其法线与垂直线的夹角）为其接触角，如图3-33所示。图中 α 为圆锥滚子轴承的接触角，接触角越大，圆锥滚子轴承承受轴向载荷的能力就越强。

从圆锥滚子轴承的结构上不难看出，其滚动体与滚道之间是线接触，与球轴承相比其接触面积更大，因此可以承受更大的载荷。得益于其非常高的承载能力，在深沟球轴承、角接触球轴承承受复合载荷能力不足的情况下，通常会使用圆锥滚子轴承。

当圆锥滚子轴承承受径向载荷时，由于其内部结构的原因，会产生一个轴向载荷。这个轴向载荷必须由另一个轴承承担。当两个圆锥滚子轴承配合使用时，就会出现类似于角接触球轴承一样的背对背安装和面对面安装形式，分别如图3-34和图3-35所示。

从图3-35中可以看出，面对面使用的圆锥滚子轴承其接触线与轴线之间的两个交点间距较远，因此整个轴系统具有很好的抗倾覆力矩性能和刚性。

圆锥滚子轴承也有配对使用的情况。在齿轮箱的应用中，对于大齿轮副（轴径>90mm）及性能要求很高的场合，齿轮箱壁刚度如果不足，应使用配对的圆锥滚子轴承。轴承内部的轴向力可以在配对轴承之间相互抵消，以适应工况需求。

成对使用的圆锥滚子轴承面对面配置时，通常用于可以使用预置轴向游隙及安装时避免调整的情况。

圆锥滚子轴承对偏心载荷十分敏感。其内圈、外圈之间的允许角度误差仅为几弧分。

（二）圆锥滚子轴承常用后缀

SKF圆锥滚子轴承后缀见表3-31。

FAG圆锥滚子轴承后缀见表3-32。

五、调心滚子轴承

调心滚子轴承结构如图3-36所示，轴承内部有两列鼓状滚动体，其外圈为球面滚道，因此保证了这类轴承具有自调心能力。调心滚子轴承在轴弯曲变形及轴与轴承室（箱体）之间存在对冲误差时的应用中很有优势。

调心滚子轴承在圆柱齿轮箱、锥齿轮箱、行星齿轮箱中广泛应用。

调心滚子轴承也有一些不同的内部设计：一种是有锥度内孔的调心滚子轴承；另一种是为便于润滑，在调心滚子轴承外圈两列滚子之间开放了补充润滑孔；还有就是部分品牌的部分调心滚子轴承提供带密封的轴承设计。

（一）调心滚子轴承的承载能力

调心滚子轴承内部是两列可以调心的滚子运行在球面滚道之上，具有较大径向载荷承载能力，同时具备双向的轴向载荷承载能力。

由于调心滚子轴承是两列滚子承载，所以相较于单列圆柱滚子轴承，其径向载荷承载能力更大。相应地，其滚动体滚动发热量更高，散热更不利，内部润滑更困难，高速运行下滚子离心力更大，因此其转速能力相对圆柱滚子轴承更低。

调心滚子轴承由于其内部的滚动体和滚道的形状，导致其具有良好的调心性能，可以适应一定程度的载荷不对中。

（二）调心滚子轴承的常用后缀

与游隙相关的后缀与ISO 5753-1:2009要求一致，可参考表3-24。

与保持架相关的后缀见表3-33。