轴承（机械）

木制滚柱形式的滚动轴承的发明是非常古老的，可以在轮子发明之前。

尽管有人声称埃及人曾在雪橇下使用树干形式的滚子轴承，^[2]但这只是现代人的猜测。^[3]在杰胡蒂霍特普（Djehutihotep）墓^[4]发现的画中描绘了埃及人在液体润滑的滑道内使用雪橇移动巨大的石块，这个滑道就构成了一个滑动轴承。同时发现的还有手钻轴承图纸。^[5]

最早发现的滚动轴承是一个木制滚珠轴承，它支撑着意大利内米湖罗马内米号船残骸上的旋转工作台。沉船的年代可以追溯到公元前40年。^[6][7]

列奥纳多·达·芬奇（Leonardo da Vinci）在1500年左右的直升机设计中包含有滚珠轴承的图纸。这是首次在航空航天设计中使用轴承。然而，阿戈斯蒂诺·拉梅利（Agostino Ramelli）是第一个发布滚子和推力轴承草图的人。^[2]滚珠轴承和滚子轴承存在的一个问题是滚珠或滚柱的相互摩擦会造成额外的摩擦，将滚珠或滚柱封装在保持架内可减少这种摩擦。捕获的或笼状的滚珠轴承最初是由伽利略（Galileo）在17世纪提出的。

17世纪40年代中期，钟表学家约翰·哈里森（John Harrison）为他的H3航海计时器发明了第一个实用的笼式滚柱轴承。这种轴承只用于非常有限的振荡运动，但哈里森（Harrison）在真正旋转应用时间调节器时钟中也使用了类似的轴承。

1.1 工业时代

第一个现代滚珠轴承专利授予了英国发明家和钢铁大师菲利普·沃恩（Philip Vaughan），他于1794年在卡玛森发明了第一个滚珠轴承。这是现代第一个滚珠沿着轴组件凹槽运行的滚珠轴承设计。^[8]

轴承在新生的工业革命中发挥了举足轻重的作用，它使新的工业机器能够高效运转。例如，用于固定轮子和轮轴，通过使轮子转动时摩擦力作用在较短的距离上，大大减少了拖动物体时的摩擦力。

第一批滑动轴承和滚动元件轴承是木制的，紧接着是青铜。在历史上，轴承由许多材料制成，包括陶瓷、蓝宝石、玻璃、钢、青铜、其他金属和塑料（例如尼龙、聚甲醛、聚四氟乙烯和UHMWPE），这些材料现在都在使用。

手表制造商使用蓝宝石滑动轴承生产“珠宝”手表，以减少摩擦，从而实现更精确的计时。

即使是基础材料也能有很好的耐久性。例如，木制轴承至今仍能在旧钟或水磨中看到，在水磨中，水提供冷却和润滑。

1869年8月3日，巴黎自行车机械师朱尔斯·苏瑞雷（Jules Suriray）获得了径向滚珠轴承的第一项专利。1869年11月，在世界第一次巴黎-鲁昂自行车公路赛中，詹姆斯·马龙（James Moore）所骑的获胜自行车上就安装了这种轴承。^[9]

1883年，FAG的创始人弗里德里希·费希尔（Friedrich Fischer）开发了一种通过合适的生产机器铣削和研磨等尺寸和精确圆度的滚珠的方法，并为创建独立的轴承行业奠定了基础。

滚珠轴承的现代自动对准设计归功于滚珠轴承制造商SKF的斯文·温奎斯特（Sven Wingquist），他的这一设计在1907年获得了瑞典第25406号专利。

亨利·铁姆肯（Henry Timken）是19世纪马车制造业的远见卓识者和创新者，他在1898年为圆锥滚子轴承申请了专利。第二年，他成立了一家公司来生产其创新的专利产品。一个多世纪以来，该公司发展成为各种类型的轴承，包括特殊钢和一系列相关产品的生产和服务。

埃里希·弗兰克（Erich Franke）于1934年发明了钢丝滚道球轴承并获得专利。他关注点在于将横截面尽可能减小从而可以集成到封闭设计中。第二次世界大战后，他与格哈德·海德里希（Gerhard Heydrich）共同创立了Franke & Heydrich KG公司（今天的Franke GmbH），以推动线材轴承座圈的开发和生产。

理查德·斯特里贝克（Richard Stribeck）对滚珠轴承钢的广泛研究^[10][11] 表明，常用100 Cr6（AISI 52100）的 冶金术^[12]显示了摩擦系数是压力的函数。

毕肖普-怀斯卡弗（Bishop-Wisecarver）的联合创始人巴德·怀斯卡弗（Bud Wisecarver）于1968年设计v形槽轴承导向轮并于1972年获得专利。这是一种由外部和内部90度v形角组成的直线运动轴承。^[13]

20世纪80年代初，太平洋轴承公司的创始人罗伯特·施罗德（Robert Schroeder）发明了第一种双材料滑动轴承，其尺寸可与线性滚珠轴承互换。这种轴承有一个金属外壳（铝、钢或不锈钢）和由一层薄粘合剂层连接一层特氟隆基材料。^[14]

今天，包含旋转部件的许多应用中都会使用滚珠轴承和滚子轴承。例如包括牙科钻头中的超高速轴承、火星探测车中的航空轴承、汽车上的齿轮箱和车轮轴承、光学对准系统中的挠性轴承、自行车轮毂和坐标测量机中使用的空气轴承等。

迄今为止，最常见的轴承是滑动轴承。这种轴承使用带有润滑（通常为油或石墨）摩擦接触的表面。滑动轴承可能只不过是轴穿过的孔的支承面，或支承另一个孔的平面（在这些情况下，不是分立器件）；它也可以是熔融到基底上的轴承金属层（半分立器件），或者是可分离的套筒形式（分立器件）。通过适当的润滑，滑动轴承通常以最低的成本提供完全可接受的精度、寿命和摩擦。因此，滑动轴承的使用十分广泛。

然而，在不同的应用中需要相匹配的轴承来提高效率、精度、服务间隔、可靠性、操作速度、尺寸、重量以及购买和操作机器的成本。因此，有许多具有不同的形状、材料、润滑、工作原理的轴承。

至少有6种常见类型的轴承，每种轴承的工作原理不同：

• 滑动轴承，由在孔中旋转的轴组成。有几种具体的样式：衬套、轴颈轴承、套筒轴承、来福轴承、复合轴承；
• 滚动元件轴承，其中滚动元件放置在转动座圈和固定座圈之间，防止滑动摩擦。有两种主要类型：
  • 滚珠轴承，其中滚动元件是球形滚珠；
  • 滚子轴承，其中滚动元件为圆柱形、锥形和球形滚柱；
• 宝石轴承，一种滑动轴承，其中一个轴承表面由超硬玻璃宝石材料制成，如蓝宝石，以减少摩擦和磨损；
• 流体轴承，一种非接触轴承，其中负载由气体或液体（即空气轴承）支撑；
• 磁性轴承，其中负载由磁场支撑；
• 弯曲轴承，其中运动由弯曲的负载元件支撑。

轴承允许的常见运动有：

• 径向旋转，例如轴旋转
• 线性运动，例如抽屉
• 球形旋转，例如球窝接头
• 铰链运动，例如门、肘、膝盖

减少轴承摩擦对效率、减少磨损、促进高速下的长期使用以及避免轴承过热和过早失效十分重要。从本质上说，轴承可以通过形状、材料或在表面之间引入流体或通过用电磁场分离表面来减少摩擦。

• 形状：通常通过使用球体或滚子，或通过形成弯曲轴承获得优势。
• 材料：利用所用轴承材料的性质。（例如使用低表面摩擦的塑料。）
• 通过流体：利用低粘度的一层流体，例如润滑剂或加压介质来防止两个固体部分接触或者通过减小它们之间的法向力。
• 通过磁场：利用电磁场，如磁场，来防止固体部分接触。
• 气压：利用气压来防止固体零件接触。

也可以在同一个轴承中使用这些方法的组合。一个典型例子是用塑料保持架将滚子/滚珠分开，通过它们的形状和光洁度来减少摩擦。

轴承设计因所需支撑力的大小和方向而异。力主要是径向力、轴向力（推力轴承）或垂直于主轴的弯矩。

不同类型的轴承有不同的运行速度限制。速度通常被指定为最大相对表面速度，单位是英尺/秒（ft/s）或米/秒（m/s）。旋转轴承通常以产品DN来描述性能，其中D是轴承的平均直径（通常以毫米为单位），N是以每分钟转数为单位的转速。

通常来说，轴承类型之间有相当大的速度范围重叠。滑动轴承通常只能处理较低的速度，滚动元件轴承更快，然后是流体轴承，最快的是磁性轴承，磁性轴承最终受到克服材料强度的向心力的限制。

当一些应用从不同方向向轴承施加载荷时，随着所施加载荷的变化，轴承仅接受有限的间隙或“晃荡”。运动的一个来源是轴承中的空隙或“间隙”。例如，12毫米孔中的10毫米轴有2毫米间隙。

允许的间隙因用途而异。例如，独轮车车轮支持径向和轴向载荷。轴向载荷可以是数百牛顿左右的力，在变化的载荷下，车轮摆动10毫米是可以接受的。相反，车床可以使用由旋转轴承固定的滚珠丝杠将刀具定位到0.002毫米。轴承在任一方向上支持数千牛顿的轴向载荷，并且必须在该载荷范围内将滚珠丝杠保持在0.002毫米。

第二个运动来源是轴承本身的弹性。例如，滚珠轴承中的滚珠就像坚硬的橡胶，在负载下会从圆形变形为稍微扁平的形状。轴承的座圈也是有弹性的，球压在上面会产生轻微的凹痕。

轴承的刚度是指被轴承分开的零件之间的距离如何随着施加的载荷而变化。对于滚动轴承，是指由滚珠和轴承座圈的应变。对于流体轴承，则是指流体压力如何随间隙变化（正确加载时，流体轴承通常比滚动元件轴承更硬）。

流体和磁性轴承

流体轴承和磁性轴承可以有无限的使用寿命。实际上，自1900年以来，水力发电厂中就有流体轴承支持高负载，几乎连续运行，并且没有磨损迹象。

滚动元件轴承

滚动元件轴承寿命由负载、温度、维护、润滑、材料缺陷、污染、搬运、安装和其他因素决定。这些因素都会对轴承寿命产生重大影响。例如，通过改变轴承在安装和使用前的储存方式，轴承的使用寿命可以显著延长。因为储存期间，即使轴承上的唯一载荷是其自身重量，振动也会导致润滑剂失效；^[15]这种造成的损害往往是振蚀。^[16]轴承寿命是具有可统计性的： 给定轴承的几个样品通常会显示出钟形的使用寿命曲线，少数样品显示出明显更好或更差的寿命。即使在宏观上看起来相同的地方，轴承寿命各不相同，因为微观结构和污染物差异很大。

10.1 L10寿命

轴承的寿命通常用“L10”寿命来描述（在美国以外，它可能被称为“B10”寿命）。 它是指10%的轴承由于典型疲劳 （而不是任何其他失效模式，如润滑不足、安装错误等）而预计失效的寿命。或者说，百分之九十的轴承仍在运行的寿命。轴承的L10寿命是理论寿命，并不代表轴承的使用寿命。轴承也使用C₀（静态载荷）值进行评级。这是作为参考的基本额定负载，而不是实际负载值。

滑动轴承

对于滑动轴承，一些材料的寿命比其他材料长得多。由于建造过程中使用了铁梨木，一些约翰·哈里森（John Harrison）钟表数百年后仍在运转，而他的金属钟表由于潜在的磨损很少运转。

挠性轴承

挠性轴承依赖于材料的弹性。挠性轴承反复弯曲一块材料。有些材料即使是在低载荷下，在反复弯曲后会失效。但是有效的材料选择和轴承设计会使挠性轴承寿命大大延长。

短寿命轴承

虽然一般希望轴承寿命足够长，但有时也不是必要的。哈里斯（Harris）在2001年提出了一种火箭发动机氧泵轴承，它能提供几个小时的寿命，远远超过所需的几十分钟的寿命。^[15]

复合轴承

根据定制的规格（背衬材料和聚四氟乙烯化合物），复合轴承无需维护即可运行长达30年。

摆动轴承

对于振动应用中使用的轴承，使用特定的方法计算L10。^[17]

10.2 外部因素

轴承的使用寿命受许多不受轴承制造商控制的参数影响：包括轴承安装、温度、暴露于外部环境、润滑剂清洁度和通过轴承的电流等。高频脉宽调制逆变器可以在轴承中诱导产生感应电流，而通过使用铁氧体扼流圈可以抑制感应电流的产生。

温度和微表面的形状将通过接触固体零件来决定摩擦力的大小。

某些元件和磁场减少摩擦，同时提高速度。

强度和机动性有助于确定轴承类型能够承受的负载量。

对准因素可能在磨损中起到破坏性作用，但可以通过计算机辅助信号和非摩擦轴承类型（如磁悬浮或空气场压力）来克服。

许多轴承需要定期维护以防止过早故障，但也有许多轴承几乎不需要维护。后者包括各种类型的流体和磁性轴承，以及密封轴承和终生密封的滚动元件轴承。这些密封能够防止污垢和润滑油进入。这些免于维护的轴承已经在实际中成功应用，然而在一些情况中也会有失败的案例。

无密封轴承通常有一个油嘴，用于油枪定期润滑；或是油杯，用于定期注油。在20世纪70年代之前，密封轴承还没广泛应用在机器上，因此加油润滑更加普遍。例如，汽车底盘过去需要“润滑工作”的频率几乎与机油更换的频率一样高，但今天的汽车底盘大多是终生密封的。从17世纪末到19世纪中叶，工业上依赖许多被称为加油工的工人经常用油桶加润滑油以润滑机器工。

现在的工厂机器通常都有润滑系统，其中中央泵通过润滑管线向机器的轴承表面、轴承轴颈、轴承座等各润滑点定期供应油或润滑油。这种润滑循环的时间和次数由机器的计算机控制，如可编程逻辑控制器（PLC）或数控系统（CNC），以及偶尔需要时的手动重写功能控制。这一自动化过程是所有现代数控机床和许多其他现代工厂机器的润滑方式。类似的润滑系统也用于非自动机器，在这种情况下，机器操作员应该每天泵一次（对于经常使用的机器）或每周泵一次润滑油。这些被称为一次性系统的主要卖点是： 只需拉动一个手柄就能润滑整个机器，而不是在机器周围的十几个不同位置安装十几个喷枪或油罐。

现代汽车或卡车发动机内的加油系统在概念上类似于上面提到的润滑系统，只是油是连续泵送的。大部分机油流入发动机缸体和气缸盖的通道，通过端口直接溢出到轴承上，并喷向其他地方以提供油浴。油泵只是不停地泵送，多余的油会通过安全阀不断地排回油槽。

在高循环工业操作中，许多轴承需要定期润滑和清洁。许多轴承也需要偶尔调整，如预载调整，以将磨损影响降至最低。

当轴承保持清洁和润滑良好时，轴承寿命通常要好得多。然而，许多情况下维护变得十分困难。例如，碎石机输送机中的轴承不断暴露在坚硬的磨粒中时。昂贵的清洁维护对轴承寿命的延长有限，因为一旦输送机恢复运行，轴承又会被污染。因此，可以采取一个良好的维护程序来经常润滑轴承，但不包含拆卸清洗轴承。频繁润滑的本质是通过用新的填料置换旧的（充满砂砾的）油或油脂来提供有限的清洁作用，而新的填料在被下一个循环置换之前会收集砂砾。

11.1 滚动元件轴承外圈故障检测

滚动元件轴承在当今工业中广泛使用，因此对这些轴承的维护成为专业维护人员的一项重要任务。由于金属与金属的接触，滚动元件轴承容易磨损，这会在外圈、内圈和滚珠中产生故障。由于经常处于高负载和高运行速度条件下，滚动元件轴承也是机器最脆弱的部件。滚动元件轴承故障的定期诊断对于工业安全和机器操作以及降低维护成本或避免停机时间至关重要。在外圈、内圈和滚珠中，外圈更容易出现故障和缺陷。

当滚动元件通过外座圈的缺陷处时，是否激发轴承部件的固有频率仍有讨论的余地。因此，我们需要识别轴承外圈固有频率及其谐波。轴承故障产生脉冲，并导致振动信号频谱中故障频率的强谐波。由于能量很小，这些故障频率有时会被频谱中的相邻频率掩盖。因此，在快速傅立叶变换分析期间，通常需要非常高的频谱分辨率来识别这些频率。自由边界条件下滚动轴承的固有频率为3千赫。因此，为了使用轴承部件谐振带宽方法在初始阶段就可以检测到轴承故障，应该采用高频范围加速度计，并且需要通过长持续时间来获取数据。故障特征频率只能在故障程度严重时识别，例如外环中存在孔。故障频率的谐波是轴承外圈故障的更敏感指标。对于更严重的缺陷轴承故障波形检测，频谱和包络技术将有助于分析这些故障。然而，如果在包络分析中使用高频解调来检测轴承故障特征频率，维修专业人员在分析中必须更加小心，因为谐振可能包含也可能不包含故障频率分量。

由于低能量、信号拖尾、循环平稳性等问题，使用频谱分析作为识别轴承故障的工具面临着很大的挑战。通常需要高分辨率来区分故障频率分量和其他高振幅相邻频率。因此，当采集信号用于快速傅立叶变换分析时，采样长度应该足够大，以在频谱中给出足够的频率分辨率。此外，将计算时间和内存保持在一定范围内并避免不必要的混叠可能会很困难。然而，通过估计轴承故障频率和其他振动频率分量及其由于轴速度、未对准、线路频率、齿轮箱等引起的谐波，可以获得所需的最小频率分辨率。

11.2 包装

一些轴承使用厚厚的润滑油进行润滑，润滑油被推入轴承表面之间的间隙，也称为填料。润滑油由塑料、皮革或橡胶垫圈（也称为压盖）固定，该垫圈覆盖轴承座圈的内外边缘，以防止润滑油溢出。

轴承也可以用其他材料包装。历史上，铁路车辆上的车轮使用套筒轴承，用浸过油的棉花或羊毛纤维的废料或松散碎片填充，然后使用实心棉垫。^[18]

11.3 环形涂油机

轴承可以通过一个松散地安装在轴承中心转轴上的金属环来润滑。这个环挂在一个装有润滑油的腔室里。当轴承旋转时，粘性粘附将油吸到环上和轴上，油在轴上迁移到轴承中进行润滑。多余的油被甩出并再次收集到油池中。^[19]

11.4 飞溅润滑

一些机器底部有一个润滑剂池，齿轮部分浸入液体中，或者曲柄杆在设备运行时可以向下摆动到润滑剂池中。旋转的轮子将油抛向周围的空气中，而曲柄棒拍打着油的表面，随机地将油溅到发动机的内表面上。一些小型内燃机特别包含特殊的塑料抛油轮，可以在机械装置内部随意分散油。^[20]

11.5 强制润滑

对于高速和大功率机器，润滑剂的损失会导致轴承快速发热和摩擦损坏。在肮脏的环境中，油也会被灰尘或碎片污染，从而增加摩擦。在这些应用中，可以向轴承和所有其他接触面连续供应新的润滑剂，多余的润滑剂可以收集起来用于过滤、冷却以备重复使用。压力加油通常用于大型复杂的内燃机中不能直接溅油的部分，如顶置阀组件。^[21]高速涡轮增压器通常还需要一个加压油系统来冷却轴承，防止轴承因涡轮的热量而燃烧。

11.6 复合轴承

复合轴承设计有自润滑聚四氟乙烯衬里（PTFE）和层压金属背衬。聚四氟乙烯衬里提供一致、可控的摩擦和耐用性，同时金属衬里确保复合轴承坚固耐用，能够在整个使用寿命中承受高负载和应力。它的设计也使它重量轻——只有传统滚动轴承的十分之一。^[22]

轴承有许多不同类型。能够减少摩擦，增加轴承负荷，增加动量积累和速度的新型设计正在测试中。