【轴承的分类】深度解析：从结构到应用的全方位视角
轴承作为机械设备中至关重要的基础零部件，承载着转动与支撑的核心功能。其种类繁多，结构各异，正是这种多样性，使得它们能够适应从高速旋转到重载低速，从洁净无尘到极端恶劣环境的各种工况需求。理解轴承的分类，是工程师正确选型、优化设备性能、确保机械系统可靠运行的基石。
一、轴承分类的“是什么”与“为什么”？
1. 什么是轴承分类？
轴承分类，是指根据其工作原理、结构特点、承受载荷方向、滚动体形状、应用场合等不同维度，将纷繁复杂的轴承产品进行系统性划分和归纳的过程。这不仅仅是一个理论上的划分，更是指导实践应用，快速定位所需轴承类型的重要工具。
2. 为什么要对轴承进行分类？
- 优化选型：不同的机械设备对轴承的性能要求千差万别。通过分类，可以快速锁定适用于特定工况（如载荷大小、转速高低、温度范围、安装空间、精度要求）的轴承类型，避免盲目选择。
- 性能匹配：每种轴承类型都有其独特的结构优势和性能特点。分类有助于理解这些特点，从而选择能够最大限度发挥设备效能，同时确保轴承自身寿命的匹配方案。
- 故障诊断与维护：了解轴承的分类有助于工程师在出现故障时，根据故障现象和轴承类型，更准确地判断故障原因，并采取相应的维护措施。
- 标准化与生产：统一的分类标准有利于轴承的标准化设计、生产、检测和全球贸易。
- 技术交流：为行业内的技术交流、文献查阅和经验分享提供了统一的语言和框架。
二、轴承的常见“如何”分类方法与主要类型
轴承的分类方法有很多，我们可以从不同的角度来剖析。
1. 按“工作原理”或“运动方式”分类
这是最基础也是最重要的分类方法，将轴承分为两大类：滑动轴承和滚动轴承。
- 滑动轴承 (Plain Bearings)
是什么：滑动轴承是指在工作时，轴颈与轴承衬之间发生相对滑动摩擦的轴承。它们通常不包含滚动体，而是依靠在轴颈与轴承座之间形成的油膜或固体润滑剂来减小摩擦和磨损。其结构通常比较简单，主要由轴承座、轴承衬（轴瓦）和润滑系统组成。
怎么工作：在液体润滑（如油膜）作用下，轴颈在轴承孔内浮起，避免金属直接接触，实现液体摩擦。在固体润滑下，则依靠固体润滑剂的低摩擦特性。
为什么选择它：
- 承载能力强：通常能够承受更大的冲击载荷和重载。
- 运转平稳、噪音低：由于没有滚动体，运行更为平稳安静。
- 结构简单，径向尺寸小：在一些径向空间受限的场合具有优势。
- 抗冲击能力好：对冲击载荷有较好的吸收能力。
哪里使用：广泛应用于重型机械、水轮机、大型电机、内燃机曲轴、轧钢机、压缩机等需要承受重载、冲击载荷或要求高阻尼的场合。
多少种：按润滑方式可分为液体摩擦滑动轴承（如油膜轴承、水润滑轴承）、气体摩擦滑动轴承和固体摩擦滑动轴承。按结构可分为整体式、剖分式、可调式等。
- 滚动轴承 (Rolling Bearings)
是什么：滚动轴承是在轴和轴承座之间装有滚动体（如钢球、滚子），通过滚动体的滚动运动来支撑旋转部件，从而减小摩擦的轴承。它们通常由内圈、外圈、滚动体和保持架组成。
怎么工作：轴颈和轴承座之间通过滚动体进行滚动接触，将滑动摩擦转换为滚动摩擦，从而大幅降低摩擦阻力。
为什么选择它：
- 摩擦阻力小：启动摩擦和运行摩擦都显著低于滑动轴承。
- 传动效率高：能量损耗少。
- 标准化程度高，互换性好：便于安装、拆卸和维护。
- 径向尺寸相对较小：便于结构紧凑化设计。
- 对润滑剂消耗少，易于密封：通常终身润滑或定期少量润滑即可。
哪里使用：几乎所有类型的旋转机械设备，如汽车、机床、电机、泵、风机、家用电器、航空航天设备、精密仪器等。
多少种：滚动轴承内部又可根据多种维度进行细致分类，种类最为繁多，是本文章后续重点阐述的部分。
2. 按“承受载荷方向”分类（主要针对滚动轴承）
轴承承受载荷的方向是其最重要的设计依据之一。
- 向心轴承 (Radial Bearings)
是什么：主要用来承受与轴线垂直方向的载荷，即径向载荷。这类轴承的滚动体通常排列在与轴线平行的方向上。
怎么承载：其内外圈滚道和滚动体的设计，使其能够有效地将径向载荷传递到轴承座。
哪里使用：广泛应用于各种需要支撑旋转轴的场合，如电机、泵、齿轮箱、风机等。
多少种：包括深沟球轴承、圆柱滚子轴承、调心球轴承、调心滚子轴承等。
- 推力轴承 (Thrust Bearings)
是什么：主要用来承受沿轴线方向的载荷，即轴向载荷。其滚动体通常排列在与轴线垂直的平面上。
怎么承载：其独特的结构，如推力盘和滚动体，专门设计用于抵抗推力（轴向力），防止轴在轴向移动。
哪里使用：常用于立式电机、钻床工作台、螺旋桨轴、水泵轴等需要承受重轴向载荷的设备。
多少种：包括推力球轴承、推力滚子轴承（推力圆柱滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承）等。
- 向心推力轴承 (Angular Contact Bearings)
是什么：能够同时承受径向载荷和单向或双向轴向载荷的轴承。其内圈和外圈滚道在轴向相对位移，使得滚动体与滚道之间形成一定的接触角。
怎么承载：通过接触角将径向载荷和轴向载荷同时传递。接触角越大，承受轴向载荷的能力越强。
哪里使用：机床主轴、汽车差速器、风力发电机、高精度传动装置等。
多少种：包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承等。
3. 按“滚动体形状”分类（主要针对滚动轴承）
滚动体的形状直接决定了轴承的承载能力、精度和适用性。
- 球轴承 (Ball Bearings)
是什么：滚动体为球形。球与滚道呈点接触。
怎么承载：点接触的特点使得球轴承摩擦小、转速高，但承载能力相对较低，抗冲击性不如滚子轴承。
为什么选择它：适用于轻到中等载荷、高速旋转的场合，以及对摩擦阻力要求较低的应用。
哪里使用：深沟球轴承（电机、家用电器）、角接触球轴承（机床主轴）、推力球轴承（立式泵）。
- 滚子轴承 (Roller Bearings)
是什么：滚动体为滚子，滚子可以是圆柱形、圆锥形、球面形或针形。滚子与滚道呈线接触。
怎么承载：线接触的特点使得滚子轴承承载能力强，抗冲击性好，但摩擦相对较大，转速一般低于球轴承。
为什么选择它：适用于重载、冲击载荷，以及对刚性要求较高的场合。
哪里使用：圆柱滚子轴承（大型电机、机床主轴）、圆锥滚子轴承（汽车轮毂、齿轮箱）、调心滚子轴承（轧钢机、振动筛）、滚针轴承（摩托车曲轴、汽车变速箱）。
4. 按“是否具有调心能力”分类（主要针对滚动轴承）
轴承的调心能力是指其适应轴和轴承座之间角度偏差的能力。
- 调心轴承 (Self-aligning Bearings)
是什么：具有自动调整轴线偏差能力的轴承。其外圈滚道通常是球面，或内圈滚道是球面，允许内圈与外圈之间存在一定的角度偏差。
怎么工作：当轴因安装误差、轴变形或轴承座变形而产生角度偏差时，滚动体可以在球面滚道上自由滚动，从而自动调整，避免轴承内部产生过大的附加应力。
为什么选择它：适用于轴承座孔与轴的中心线对中困难、易发生轴变形或安装误差的场合。
哪里使用：农业机械、建筑机械、纺织机械、轧钢机等。
多少种：调心球轴承、调心滚子轴承。
- 非调心轴承 (Non-self-aligning Bearings)
是什么：不具备或仅具备很小调心能力的轴承。其内外圈滚道一般都是圆柱形或圆锥形。
为什么选择它：通常结构相对简单，承载能力高，精度好，但对安装精度要求严格。
哪里使用：深沟球轴承、圆柱滚子轴承、角接触球轴承等。
5. 按“滚子列数”分类（主要针对滚动轴承）
- 单列轴承 (Single Row Bearings)
是什么：只有一个滚子列的轴承。
哪里使用：大多数通用轴承都是单列，如深沟球轴承、圆柱滚子轴承。
- 双列轴承 (Double Row Bearings)
是什么：有两个滚子列的轴承。通常可以承受更大的载荷，有时也用于承受双向轴向载荷。
哪里使用：双列深沟球轴承、双列角接触球轴承、双列圆锥滚子轴承、调心滚子轴承。
- 多列轴承 (Multi Row Bearings)
是什么：有两个以上滚子列的轴承，通常用于承受极重载荷。
哪里使用：如四列圆锥滚子轴承常用于轧钢机。
6. 按“尺寸大小”分类
根据轴承的几何尺寸，可分为微型轴承、小型轴承、中型轴承、大型轴承和特大型轴承。这个分类更多是生产和应用中的习惯性划分，对性能选择的影响相对较小，但关系到安装空间和制造工艺。
7. 按“特殊结构或材料”分类
除了上述通用分类外，还有一些根据特殊需求和设计而产生的轴承类型。
- 带座轴承：将滚动轴承与轴承座集成在一起的单元，方便安装和替换。
- 直线轴承：用于实现往复直线运动的轴承。
- 磁力轴承：利用磁场力实现非接触支撑，无摩擦、高转速，但成本高昂。
- 陶瓷轴承：滚动体或内外圈采用陶瓷材料，具有耐高温、耐腐蚀、绝缘、轻质等特点，但抗冲击性差。
- 塑料轴承：以工程塑料为主要材料，具有自润滑、轻质、耐腐蚀、无噪音等特点，但承载能力有限。
- 混合轴承：内圈、外圈为钢，滚动体为陶瓷，结合了钢的韧性和陶瓷的优点。
三、轴承分类与“哪里”应用实例
以下详细列举一些常见轴承类型及其典型的应用场景，展示其分类与应用之间的紧密关联：
1. 深沟球轴承 (Deep Groove Ball Bearings)
- 主要特点：结构简单、制造成本低、运行可靠、维护方便。主要承受径向载荷，也能承受少量双向轴向载荷。摩擦系数小，转速限制高。
- 典型应用：
- 家用电器：洗衣机、吸尘器、空调风机、电风扇等，对成本和噪音有较高要求。
- 电机和泵：普通工业电机、水泵、小型压缩机，需要高效稳定运行。
- 汽车：发电机、水泵、起动电机、变速箱副轴等。
- 电动工具：手电钻、角磨机、电锯等。
- 办公设备：打印机、复印机、传真机等，对平稳性和低噪音要求高。
2. 圆柱滚子轴承 (Cylindrical Roller Bearings)
- 主要特点：滚子与滚道线接触，径向载荷能力大，刚性好，适用于重载和高速。内圈或外圈可分离，便于安装和拆卸。纯径向载荷型，一般不能承受轴向载荷（带挡边结构除外）。
- 典型应用：
- 大型电机和发电机：支撑转子，承受重径向载荷。
- 机床主轴：提供高刚性和高精度支持。
- 齿轮箱：承受高扭矩和径向冲击。
- 轧钢机：重型设备，要求极高的径向承载能力。
3. 圆锥滚子轴承 (Tapered Roller Bearings)
- 主要特点：内外圈滚道和滚子均为圆锥形，且各锥面母线交于轴承轴线上的一点，可同时承受径向载荷和单向轴向载荷。承载能力大，刚性好。可以进行预紧调整以提高刚度。
- 典型应用：
- 汽车轮毂：同时承受车辆的重力（径向）和转弯时的侧向力（轴向）。
- 差速器：变速箱中的关键部件。
- 减速机：承受混合载荷。
- 冶金机械：如轧机，需要高承载能力和调整能力。
4. 调心滚子轴承 (Spherical Roller Bearings)
- 主要特点：外圈滚道为球面形，内圈有两条滚道，滚子呈鼓形或对称球面形。具有优异的调心性能，能够补偿轴和轴承座的同轴度误差和轴的挠曲变形。径向载荷能力和轴向载荷能力（双向）都非常大。
- 典型应用：
- 振动筛：工作环境恶劣，轴线容易发生偏斜。
- 轧钢机：重载且可能存在不对中现象。
- 造纸机械：长轴容易产生挠曲。
- 风力发电机：主轴承受复杂载荷和可能的变形。
- 建筑机械：如起重机、挖掘机等。
5. 角接触球轴承 (Angular Contact Ball Bearings)
- 主要特点：滚动体与内外圈滚道接触线与径向平面呈一定角度，可以同时承受径向载荷和单向（单列）或双向（双列或配对）轴向载荷。接触角越大，承受轴向载荷的能力越强。精度高，转速高。
- 典型应用：
- 机床主轴：要求高精度、高刚性和高速。
- 精密仪器：如精密齿轮箱、泵、压缩机。
- 汽车差速器：承受径向和轴向的复合载荷。
- 航空航天：对精度和可靠性要求极高。
6. 推力球轴承 (Thrust Ball Bearings)
- 主要特点：只能承受纯轴向载荷，且对径向载荷非常敏感。通常由座圈、轴圈和带球的保持架组成。
- 典型应用：
- 立式泵：泵轴承受向下的重力。
- 螺旋桨轴：承受巨大的轴向推力。
- 钻床工作台：承受工件和钻头的轴向力。
- 汽车转向机构：支撑转向柱，承受驾驶员的转向力。
四、轴承选型需要考虑的“多少”因素？
在实际应用中，轴承的正确选择并非仅仅是依据其基本分类就能完成的，还需要综合考量诸多因素。工程师在进行轴承选型时，通常会考量以下“多少”个关键因素：
- 载荷类型和大小：
- 径向载荷、轴向载荷、复合载荷？（决定选用向心、推力或向心推力轴承）
- 载荷大小是轻、中、重？（影响轴承类型和尺寸，如滚子轴承通常比球轴承承载能力强）
- 载荷是恒定、变动、冲击？（冲击载荷需要更高韧性和抗冲击能力的轴承）
- 转速：
- 是高速、中速还是低速？（高速需要低摩擦系数的轴承，如深沟球轴承、角接触球轴承；低速重载可能更适合滑动轴承或滚子轴承）
- 是否存在启动/停止频繁？
- 精度要求：
- 是否需要高旋转精度、低跳动？（影响轴承的精度等级选择，如P4、P2级）
- 是否需要稳定的轴向定位？
- 刚性要求：
- 设备对轴的挠度或位移是否有严格限制？（滚子轴承通常比球轴承刚性更好，也可通过预紧提高刚性）
- 工作温度：
- 是常温、高温还是低温？（高温可能需要特殊材料或润滑剂，如陶瓷轴承或高温润滑脂；低温则需考虑材料的脆性）
- 环境条件：
- 是否有污染（灰尘、水、腐蚀性介质）？（影响密封形式的选择，如带密封圈/防尘盖的轴承，或不锈钢/陶瓷轴承）
- 是否有振动或冲击？（影响轴承的结构强度和疲劳寿命）
- 是否有电流通过？（需要绝缘轴承或陶瓷轴承）
- 安装和拆卸要求：
- 是否需要方便安装和拆卸？（如分离式轴承、带紧定套的调心滚子轴承）
- 安装空间是否受限？（影响轴承的结构和尺寸选择）
- 润滑方式：
- 是脂润滑、油润滑还是固体润滑？（影响轴承的内部结构和密封选择）
- 使用寿命：
- 设备预期运行寿命是多少？（根据额定寿命计算所需轴承类型和尺寸）
- 经济性：
- 在满足性能要求的前提下，成本是否可控？（不同类型和品牌的轴承价格差异显著）
选择轴承并非孤立决策，而是工程系统设计的一部分。所有上述因素相互关联，需要在综合权衡后做出最优选择。
五、如何“怎么”区分滚动轴承与滑动轴承的性能特点？
滚动轴承和滑动轴承各有优劣，在选择时需要清楚它们的“怎么”样区分，以及各自在哪些方面具备优势：
1. 摩擦特性
- 滚动轴承：将滑动摩擦转化为滚动摩擦。其摩擦系数很小（一般为0.001～0.005），启动和运行摩擦力都低，能量损耗少。但高速运行时，滚动体和保持架的搅油阻力会增加摩擦力。
- 滑动轴承：在良好润滑条件下，通过油膜实现液体摩擦或半液体摩擦，摩擦系数也较小（一般为0.001～0.008）。但在启动、停止或边界润滑条件下，摩擦力显著增大，甚至出现干摩擦。
2. 承载能力
- 滚动轴承：通常适用于中等以下载荷。对于重载，需要选择尺寸较大的滚子轴承，但其承载面积相对有限。
- 滑动轴承：具有更大的承载面积，因此能够承受更大的冲击载荷和重载，特别是在低速重载工况下表现优异。
3. 转速限制
- 滚动轴承：摩擦力小，散热较好，在合适润滑下可实现高速甚至超高速运转。
- 滑动轴承：高速运行时，油膜的稳定性成为关键。当速度过高，油膜可能被破坏，导致磨损加剧。但特殊设计的气体轴承和磁力轴承可以达到极高转速。
4. 运行精度
- 滚动轴承：在制造精度允许范围内，其径向和轴向跳动精度较高，能提供精确的旋转。
- 滑动轴承：在液体润滑的条件下，轴颈在油膜中“浮动”，其径向跳动精度取决于油膜的刚度和厚度，通常不如滚动轴承的机械精度高，但可以通过液压支承提供极高精度（如精密机床主轴）。
5. 寿命与维护
- 滚动轴承：寿命通常由疲劳寿命决定，具有可预测性。标准化程度高，易于更换，维护相对简单。许多带密封轴承可实现终身免维护。
- 滑动轴承：寿命主要受磨损影响，通常寿命较长。但需要持续的润滑供应，一旦润滑失效，磨损会迅速加剧甚至抱轴。维护可能涉及轴瓦更换和润滑系统管理。
6. 尺寸和重量
- 滚动轴承：在相同承载能力下，通常径向尺寸较大。
- 滑动轴承：在相同承载能力下，径向尺寸相对较小，轴向尺寸通常较大。结构可以更紧凑。
7. 噪音与振动
- 滚动轴承：由于滚动体运动和保持架的振动，运行过程中可能产生一定的噪音和振动，尤其是在高速或存在缺陷时。
- 滑动轴承：通常运行非常平稳、安静，具有良好的阻尼特性，能够吸收振动，适用于对噪音和振动有严格要求的场合。
综上所述，轴承的分类是一门实践性很强的学问。它不仅描绘了轴承世界的广阔与多样，更揭示了每种轴承类型背后独特的设计哲学和应用价值。通过对轴承分类的深入理解，工程师们能够更精确地匹配设备需求，从而创造出更高效、更可靠、更持久的机械系统。
