轴承游隙和精度的神话

一、为什么径向游隙和公差不是一回事

围绕轴承的精度、制造公差以及滚道和滚珠之间的内部游隙或“游隙”水平之间的关系存在一些混淆。在此工程师应该注意什么。

第二次世界大战期间，在苏格兰的一家军工厂，一位名叫 Stanley Parker 的鲜为人知的人提出了真实位置的概念，即我们今天所知的几何尺寸和公差 (GD&T)。帕克注意到，尽管一些为鱼雷制造的功能部件在检查后被拒绝，但它们仍在继续生产。

经过仔细检查，他发现问题出在公差测量上。传统的 XY 坐标公差创建了一个方形公差带，该区域排除了零件，即使它占据了方形角之间的弯曲圆形空间中的一个点。他随后在一本名为“图纸和尺寸”的书中发表了有关如何确定真实位置的发现。

如今，这种理解有助于我们开发具有一定程度游隙或松动的轴承，也称为内部游隙，或更具体地说，径向和轴向游隙。径向游隙是垂直于轴承轴线测量的游隙，轴向游隙是平行于轴承轴线测量的游隙。

这种游隙从一开始就被设计到轴承中，以允许轴承在各种条件下支撑载荷，同时考虑到温度膨胀以及内圈和外圈之间的配合如何影响轴承寿命等因素。

具体来说，间隙会影响噪声、振动、热应力、挠度、载荷分布和疲劳寿命。与外环或外壳相比，在使用过程中预计内环或轴会变得更热和膨胀的情况下，需要更大的径向游隙。在这种情况下，轴承中的游隙将会减小。相反，如果外圈比内圈膨胀更多，游隙就会增加。

在轴和外壳之间存在不对中的系统中需要更高的轴向游隙，因为不对中会导致内部游隙较小的轴承快速失效。更大的间隙还可以让轴承应对稍高的推力载荷，因为它引入了更高的接触角。

工程师实现轴承内部游隙的正确平衡非常重要。过紧且游隙不足的轴承会产生过多的热量和摩擦，从而导致滚珠在滚道中打滑并加速磨损。同样，间隙太大也会增加噪音和振动并降低旋转精度。

间隙可以通过使用不同的配合来控制。工程配合是指两个配合零件之间的间隙。通常将其描述为孔中的轴，表示轴与内圈之间以及外圈与外壳之间的松紧程度。它通常表现为松配合、间隙配合或紧配合、过盈配合。

内圈和轴之间的紧密配合对于将其保持在适当的位置并防止不必要的爬电或滑动非常重要，这些爬电或滑动会产生热量和振动并导致退化。

然而，当球轴承内圈膨胀时，过盈配合会减少球轴承的间隙。在具有低径向游隙的轴承中，壳体和外圈之间类似的紧密配合将压缩外圈并进一步减小间隙。这将导致负内部间隙——有效地使轴大于孔——并导致过度摩擦和早期故障。

目的是当轴承在正常条件下运行时实现零操作游隙。然而，实现这一目标所需的初始径向游隙可能会导致滚珠打滑或滑动的问题，从而降低刚性和旋转精度。可以使用预加载来消除该初始径向游隙。预紧是一种在轴承安装后通过使用紧靠内圈或外圈安装的垫圈或弹簧将永久轴向载荷施加到轴承上的方法。

工程师还必须考虑这样一个事实，即更容易减少薄截面轴承的间隙，因为环更薄且更容易变形。作为小型和微型轴承的制造商，建议其客户必须更加小心轴与轴承座的配合。对于薄型轴承，轴和轴承座的圆度也更为重要，因为不圆的轴会使薄环变形并增加噪音、振动和扭矩。

对径向和轴向游隙的作用的误解导致许多人混淆了游隙和精度之间的关系，特别是由更好的制造公差产生的精度。

有些人认为高精度轴承应该几乎没有间隙并且旋转应该非常精确。对他们来说，松散的径向游隙感觉不太精确，并且给人低质量的印象，即使它可能是故意设计为具有松散游隙的高精度轴承。例如，我们过去询问过一些客户为什么他们想要更高精度的轴承，他们告诉我们他们想要“减少游隙”。

然而，公差确实可以提高精度。大规模生产出现后不久，工程师们意识到，制造两种完全相同的产品既不实际也不经济，即使有可能的话。即使所有制造变量保持相同，一个单元与另一个单元之间总会存在微小差异。

如今，这已成为可允许或可接受的容忍度。球轴承的公差等级，称为 ISO（公制）或 ABEC（英寸）等级，规定了允许偏差和覆盖测量，包括内圈和外圈尺寸以及圈和滚道的圆度。等级越高，公差越紧，轴承组装后的精度就越高。

通过在使用过程中在安装与径向和轴向游隙之间取得适当的平衡，工程师可以实现理想的零操作间隙，并确保低噪音和精确旋转。通过这样做，我们可以消除精度和游隙之间的混淆，就像斯坦利·帕克彻底改变了工业测量一样，从根本上改变了我们看待轴承的方式。

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