深入了解滚动轴承的公差和配合

任务描述与要求

图6 - 2 所示为小齿轮轴部分装配图，小齿轮轴要求具有较高的旋转精度，轴承尺寸为内径为50 mm，外径为110 mm，额定动负荷Cr = 32 000 N，轴承承受的当量径向负荷Pr = 4 160 N。试用类比法确定轴承的类型和精度等级、负荷情况、轴颈和外壳孔的公差带代号，确定孔、轴的形位公差值和表面粗糙度参数值，并分别标注在装配图和零件图上。

图6-2　小齿轮轴部分装配图　

任务知识准备

一、滚动轴承概述

滚动轴承具有摩擦力小、消耗功率小、启动容易、更换简便等优点，应用广泛。了解滚动轴承内外径公差、公差带、负荷类型等基本概念，掌握滚动轴承的公差与配合标准及滚动轴承的精度设计的基本方法，是合理选用滚动轴承的配合的基础。

1. 滚动轴承的组成及分类

滚动轴承一般是由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，其构造如图6 - 3 所示。

按滚动体的不同，滚动轴承可分为球轴承（双列角接触球轴承、调心球轴承、双列深沟球轴承、推力球轴承、深沟球轴承、角接触球轴承）和滚子轴承（圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力调心滚子轴承、圆柱滚子轴承、推力圆柱滚子轴承、滚针轴承）。其中，单列深沟球轴承如图6 - 4 所示。

图6-3　滚动轴承的组成　

图6-4　单列深沟球轴承　

按承受外载的不同，滚动轴承可分为向心轴承、径向接触轴承（α = 0°）、向心角接触轴承（0°＜α≤45°）、推力轴承、轴向推力轴承（α = 90°）、向心推力轴承。其中，向心轴承、圆锥滚子轴承、角接触球轴承和推力球轴承的构造如图6 - 5 所示。

图6-5　按轴承外载分类　

（a）向心轴承；（b）圆锥滚子轴承；（c）角接触球轴承；（d）推力球轴承

2. 滚动轴承的安装形式

在图6 - 2 中，滚动轴承的外圈与箱体上的轴承座配合，内圈与旋转的轴颈配合。通常外圈固定不动，因而外圈与轴承座为过盈配合；内圈随轴一起旋转，内圈与轴也为过盈配合。考虑到运动过程中轴受热会变形延伸，一端轴承应能够做轴向调节，调节好后应轴向锁紧。

3. 滚动轴承的结构特点

滚动轴承是一种标准件，有内、外两种互换性：滚动轴承与外壳孔及轴颈的配合属于光滑圆柱体配合，其互换性为完全互换；而内、外圈滚道与滚动体的装配一般采用分组装配，其互换性为不完全互换。因此，滚动轴承的精度要求很高。

小提醒　

相关滚动轴承的国家标准有：GB/T 275—2015、GB/T 307.1—2005、GB/T 307.2—2005、GB/T 307.3—2005、GB/T 307.4—2012。滚动轴承的国家标准不仅规定了滚动轴承本身的尺寸公差、旋转精度（跳动公差等）、测量方法，还规定了可与滚动轴承相配的外壳孔和轴颈的尺寸公差、几何公差和表面粗糙度。

二、滚动轴承公差与配合

1. 滚动轴承的公差等级

根据GB/T 307.4—2012 规定，滚动轴承按尺寸公差与旋转精度分级。向心轴承（圆锥滚子轴承除外）分为0、6、5、4、2 五级，圆锥滚子轴承分为0、6X、5、4、2 五级，推力轴承分为0、6、5、4 四级。从0 级到2 级，轴承精度依次增高。

P0 级为普通精度，在机器制造业中的应用最广，它用于旋转精度要求不高的机构中。例如，卧式车床变速箱和进给箱，汽车、拖拉机变速箱，普通电动机、水泵、压缩机和涡轮机中，除P0 级外，其余各级统称高精度轴承，主要用于高的线速度或高的旋转精度的场合。特别是在各种金属切削机床上，P6～P2 级滚动轴承应用非常广泛，具体可参见表6 - 1。

表6-1　机床主轴轴承精度等级

2. 滚动轴承的内径、外径公差及特点

对轴承内径（d）与外径（D）规定了两种公差：一种是d 与D 的最大值和最小值的公差；另一种是轴承套圈任一横截面内量得的最大直径dmax、Dmax 与最小直径dmin、Dmin 的平均值dm、Dm 的公差。

滚动轴承为标准部件，因此轴承内径与轴颈的配合应为基孔制，轴承外径与外壳孔的配合应为基轴制。但这种基孔制和基轴制与光滑圆柱接合又有所不同，这是由滚动轴承配合的特殊需要所决定的。

轴承内圈通常与轴一起旋转，为防止内圈和轴颈的配合产生相对滑动而磨损，影响轴承的工作性能，要求配合面间具有一定的过盈，但过盈量不能太大。如果作为基准孔的轴承内圈仍采用基本偏差为H 的公差带，轴颈也选用光滑圆柱结合国家标准中的公差带，这样在配合时，无论是过渡配合（过盈量偏小）还是过盈配合（过盈量偏大）都不能满足轴承工作的需要。若轴颈采用非标准的公差带，则又违反了标准化与互换性的原则。为此规定内圈基准孔公差带位于以公称内径d 为零线的下方。因而这种特殊的基准孔公差带与各种轴公差带构成的配合的性质，相应地比用这些轴公差带的基本偏差代号所表示的配合性质有不同程度的变紧。

滚动轴承内径与外径的公差带如图6 - 6 所示。

轴承外圈因安装在外壳孔中，通常不旋转，考虑到工作时温度升高会使轴膨胀，从而产生轴向移动，因此两端轴承中有一端应是游动支承，可使外壳与外壳孔的配合稍为松一点，使之能补偿轴的热胀伸长量，否则轴产生弯曲会被卡住，影响正常运转，如图6 - 7 所示。为此规定轴承外圈公差带位于公称外径D 为零线的下方，与基本偏差为h 的公差带相类似，但公差值不同。

图6-6　滚动轴承内径与外径的公差带　

图6-7　轴热胀弯曲　

滚动轴承的内圈和外圈皆为薄壁零件，在制造与保管过程中极易发生变形（如变成椭圆形），但当轴承内圈与轴或外圈与外壳孔装配后，如果这种变形不大，极易得到纠正。所以对滚动轴承套圈任一横截面内测得的最大与最小直径平均值对公称直径的偏差只要在内、外径公差带内，就认为合格。为了控制轴承的形状误差，滚动轴承还规定了其他的技术要求。

3. 轴颈和外壳孔公差带的种类

轴承内径和外径公差带在制造时已确定，因此，它们与轴颈、外壳孔的配合要由外壳孔和轴颈的公差带决定，故选择轴承的配合也就是确定轴颈和外壳孔的公差带。国家标准所规定的轴颈和外壳孔的公差带可参看图6 - 8 和图6 - 9。

图6-8　轴承与轴颈配合常用公差带关系　

图6-9　轴承与外壳孔配合常用公差带关系　

轴承内径与轴颈的配合比基孔制同名配合紧一些，g5、g6、h5、h6 轴颈与轴承内径的配合已变成过盈配合，k5、k6、m5、m6 已变成过盈配合，其余也都有所变紧。

轴承外径和外壳孔的配合与基轴制的同名配合相比，虽然尺寸公差有所不同，但配合性质基本相同。

轴承的配合是特殊的，与一般的孔、轴或基孔、基轴都不同，内径上是要按基孔制来配合相应的轴，在装配图上可以只标记轴的尺寸来表示配合，同样轴承座上只标记孔的尺寸来表示配合，省略了轴承座公差带代号。例如，某装配图上某滚动轴承的标注为φ 60R6。

三、滚动轴承配合的选择

正确地选择滚动轴承的配合，对保证滚动轴承的正常运转，延长其使用寿命关系极大。为了使轴承具有较高的定心精度，一般在选择轴承两个套的配合时，都偏向紧密。但要防止太紧，因内圈的弹性胀大和外圈的收缩会使轴承内部间隙减小甚至完全消除并产生过盈，不仅会影响正常运转，还会使套圈材料产生较大的应力，以致降低轴承的使用寿命。

选择轴承配合时，要全面地考虑各个主要因素，应以轴承的工作条件、结构类型和尺寸、精度等级为依据，查表确定轴颈和外壳孔的尺寸公差带、几何公差和表面粗糙度。后面表6 - 2～表6 - 8 适用于以下情况：

（1） 轴承精度等级为P0、P6 级；

（2） 轴为实体或厚壁空心件；

（3） 轴颈处外壳孔材料为钢和铸铁；

（4） 轴承应具有基本组的径向游隙，另有注解除外。

1. 查表确定轴承配合的主要依据

1）轴承套圏与负荷方向的关系 (www.xing528.com)

（1） 轴承套圈相对于负荷方向静止。此种情况是指方向固定不变的定向负荷（如齿轮传动力、皮带拉力、车削时的径向切力）作用于静止的套圈。如图6 - 10（a）所示不旋转的外圈和图6 - 10（b）所示不旋转的内圈皆受到方向始终不变的F 的作用。减速器转轴两端轴承外圈、汽车与拖拉机前轮（从动轮）轴承内圈受力就是典型的例子，此时套圈相对于负荷方向静止的受力特点是负荷集中作用，套圈滚道局部容易产生磨损。

（2） 轴承套圈相对于负荷方向旋转。此种情况是指旋转负荷（如旋转工件上的惯性离心力、旋转镗杆上作用的径向切削力等）依次作用于套圈的整个滚道上，此时套圈相对于负荷方向旋转的受力特点是负荷呈周期作用，套圈滚道产生均匀磨损。

图6-10　轴承套圈与负荷的关系　

（a）定向负荷、内圈转动；（b）定向负荷、外圈转动；（c）旋转负荷、内圈转动；（d）旋转负荷、外圈转动

（3） 轴承套圈相对于负荷方向摆动。当由定向负荷与旋转负荷所组成的合成径向负荷作用在套圈的部分滚道上时，该套圈便相对于负荷方向摆动。如图6 - 10（c）和图6 - 10（d）所示，轴承套圈受到定向负荷Fr 和旋转负荷Fc 的同时作用，二者的合成负荷将由小到大、再由大到小地周期性变化。

如图6 - 11 所示，当Fr＞Fc 时，合成负荷就在弧︵AB 区域内摆动，不旋转的套圈则相对于负荷方向摆动，而旋转的套圈则相对于负荷方向旋转。当Fr＜Fc 时，合成负荷沿着圆周变动，不旋转的套圈就相对于负荷方向旋转，而旋转的套圈则相对于负荷方向摆动。由上述分析可知，套圈相对于负荷方向的状态不同（静止、旋转、摆动），负荷作用的性质亦不相同：相对静止状态呈局部负荷作用，相对旋转状态呈循环负荷作用，相对摆动状态则呈摆动负荷作用。一般来说，受循环负荷作用的套圈与轴颈（或外壳孔）的配合应选得较紧一些，而承受局部负荷作用的套圈外壳孔（或轴颈）的配合应选得松一些（既可使轴承避免局部磨损，又可使装配拆卸方便），承受摆动负荷的套圈与承受循环负荷作用的套圈在配合要求上可选得相同或选得稍松一点。

图6-11　摆动负荷　

2）负荷的大小

选择滚动轴承与轴颈和外壳孔的配合还与负荷的大小有关。在GB/T 275—2015 中，根据当量径向动负荷P 与轴承产品样本中规定的额定动负荷C 的比值大小，分为轻、正常和重负荷三种类型（见表6 - 2），选择配合时，应逐渐加紧。这是因为在重负荷和冲击负荷的作用下，为了防止轴承产生变形和受力不匀引起配合松动，随着负荷的增大，过盈量应选得大些，承受变化负荷应比承受平稳负荷的配合选得较紧一些。

表6-2　当量径向动负荷P 的类型

3）径向游隙

轴承的径向游隙分为第2 组、基本组、第3 组、第4 组、第5 组，游隙的大小依次由小到大。

游隙大小必须合适。过大不仅会使转轴发生较大的径向跳动和轴向窜动，还会使轴承产生较大的振动和噪声；过小会使轴承滚动体与套圈产生较大的接触应力，使轴承摩擦发热而降低寿命，故游隙大小应适度。

在常温状态下工作的具有基本组径向游隙的轴承（供应的轴承无游隙标记，即基本组游隙），按表选取轴颈和外壳孔公差带一般都能保证有适度的游隙。但如果重负荷轴承内径选取过盈量较大的配合（见表 6 - 3 中注③），为了补偿变形引起的游隙过小，则应选用大于基本组游隙的轴承。

表6-3　安装向心轴承和角接触轴承的轴颈公差带

续表

4）其他因素

（1） 温度的影响。

因轴承摩擦发热和其他热源的影响而使轴承套圈的温度高于相配件的温度时，内圈轴颈的配合将会变松，外圈外壳孔的配合将会变紧，当轴承工作温度高于100 ℃时，应对所选用的配合适当进行修正（减小外圈与外壳孔的过盈，增加内圈与轴颈的过盈）。

（2） 转速的影响。

对于转速高又承受冲击动负荷作用的滚动轴承，轴承与轴承外壳孔的配合应选用过盈配合。

（3） 公差等级的协调选择。

轴承和外壳孔公差等级应与轴承公差等级协调。如P0 级轴承配合轴颈一般为IT6，外壳孔则为IT7；对旋转精度和运动平稳性有较高要求的场合（如电动机），轴颈为IT5 时，外壳孔选为IT6。

对于滚针轴承，当外壳孔材料为钢式或铸铁时，尺寸公差带可选用N5（或N6）；为轻合金时可选用N5（或N6）等略松的公差带。当轴颈尺寸公差有内圈时，选用k5（或j6）；无内圈时选用h5（或h6）。

滚动轴承与轴颈和外壳孔的配合，常常需要综合考虑上述因素，用类比法选取。其中安装向心轴承和角接触轴承的轴颈公差带、安装向心轴承和角接触轴承的外壳孔公差带、安装推力轴承的轴颈公差带和安装推力轴承的外壳孔公差带分别如表6 - 4～表6 - 6 所示。

表6-4　安装向心轴承和角接触轴承的外壳孔公差带

表6-5　安装推力轴承的轴颈公差带

表6-6　安装推力轴承的外壳孔公差带

2. 轴颈和外壳孔的几何公差与表面粗糙度

轴颈和外壳孔的几何公差与表面粗糙度的选择可参考表6 - 7 和表6 - 8，必须强调：为避免套圈安装后产生变形，轴颈、外壳孔应采用包容原则，并规定更严格的圆柱度公差；轴肩和外壳孔肩端面应规定端面圆跳动公差。

表6-7　轴颈和外壳孔的几何公差（摘自GB/T 275—1993）

表6-8　轴颈和外壳孔的表面粗糙度（摘自GB/T 275—1993）

任务实施

任务回顾

如图6 - 2 所示，小齿轮轴要求较高的旋转精度，轴承尺寸为内径50 mm、外径110 mm，额定动负荷Cr = 32 000 N，轴承承受的当量径向负荷Pr = 4 160 N。确定轴承的类型和精度等级，并确定负荷情况、轴颈和外壳孔的公差带代号，并确定孔、轴的形位公差值和表面粗糙度参数值，并分别标注在装配图和零件图上。

任务实施

1. 精度等级的确定

直齿圆柱齿轮减速器结构简单，属于普通机械，但小齿轮轴旋转精度要求较高，因而选用6 级深沟球轴承可以满足使用要求及经济性。

2. 负荷情况的确定

由题意给定条件，可算得Pr = 4 160/32 000 Cr = 0.13Cr，属于正常负荷，根据减速器工作时的情况，轴承有时会承受冲击载荷。

3. 公差配合的确定

本轴承承受定向负荷的影响，轴承内圈与轴一起旋转，外圈安装在部分式壳体中，因此，内圈相对于负荷方向旋转，外圈相对于负荷方向静止。查表6 - 3 选轴颈公差带为φ 50k5（基孔制配合），查表6 - 4 选外壳孔公差带为φ 110J7（基轴制配合）。由于该轴旋转精度要求较高，故选用提高一个标准公差等级J6 较为恰当，即φ 110J6。由于轴承是标准件，因而在装配图上只需标出轴颈和外壳孔的公差带代号。轴颈和外壳孔的标注如图6 - 12 所示。

图6-12　轴颈和外壳孔的标注　

4. 形位公差的确定

轴颈和外壳孔的公差带确定以后，为了保证轴承的工作性能，还应对它们分别规定形位公差，因为确定轴承精度等级为6 级，查表6 - 7 得圆柱度公差值：轴颈为2.5 μm，外壳孔为6.0 μm；端面圆跳动公差值：轴肩为8 μm，外壳孔肩端面为15 μm，如图6 - 12 所示。φ 50k5为了保证轴承与轴颈的配合性质应采用包容要求的零形位公差，φ 110J6 为了保证轴承外圈与外壳孔的配合性质应采用最大实体要求的零形位公差，标注如图6 - 12 所示。

5. 表面粗糙度的确定

按照经济加工精度，轴颈为IT5 级精度，粗糙度公差值为0.4 μm；外壳孔6 级精度，查表6 - 8 得表面粗糙度公差值为1.6 μm，应采取磨削加工。按照经济加工精度，对于轴肩端面，查表6 - 8 得粗糙度公差值为1.6 μm，外壳孔端面粗糙度公差值为3.2 μm，应采用车削，如图6 - 12 所示。