第四节 电机轴承游隙的选择

一、游隙的概念

轴承一圈固定，另一圈相对固定圈的移动距离就是轴承的游隙。如果这个移动是径向的，则这个移动距离就是径向游隙（对向心轴承而言，理论上的径向游隙是指外圈滚道直径减去内圈滚道直径，再减去2倍滚动体的直径）；如果这个移动是轴向的，这个游隙就是轴向游隙。如图2-8所示。

通常，各轴承生产厂家轴承型录里使用的游隙值，对于径向轴承（深沟球轴承、圆柱滚子轴承、球面滚子轴承等）而言，都是径向游隙；对于角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承而言，都是轴向游隙。

在第一章第一节中已经介绍，根据设计游隙的大小，将轴承游隙分成5组，分别用后缀符号C2、C0、C3、C4、C5表示。其中C0是普通游隙组别，C2组游隙小于C0组，其他数字越大游隙越大。

以上说的轴承游隙概念是指轴承的初始游隙（即单个轴承的游隙，如图2-8所示）。当轴承被安装在电机轴上和轴承室中并运行于稳定工况时的游隙是轴承的工作游隙。

二、工作游隙的概念和数值计算

一般而言，轴承圈和轴以及轴承室之间有一定的公差配合。通常一个圈为过盈配合（相对较紧），一个圈为过渡配合（相对较松）。以普通卧式内转式电机轴承为例，通常轴承内圈为过盈配合，轴承外圈为过渡配合。此时，会使轴承内圈直径有所增大，而轴承外圈直径基本不变。这样就会造成轴承内部径向游隙相较于初始径向游隙有一个减小量；另一方面，当电机运行于稳定工况时，电机达到稳定温升，由于转子发热通过转轴传导给轴承内圈，造成轴承内圈温度高于外圈温度，所以轴承内圈的热膨胀量就大于轴承外圈，由此又带来一部分轴承径向游隙的减少量。轴承处于正常工作状态时的游隙就是轴承的工作游隙。如图2-9所示。

轴承工作的径向游隙C_工作由初始径向游隙C_初始减去由于公差配合带来的径向游隙减少量ΔC_配合，再减去由于温度变化带来的径向游隙减小量ΔC_温度而得到，用公式表示为

C_工作=C_初始-ΔC_配合-ΔC_温度

实际上，对于球轴承，当施加一定载荷时，由于滚球与沟道的挤压作用，深沟球轴承的径向游隙将会有所增加，在规定的径向载荷下，深沟球轴承的径向游隙增量见表2-3。计算球轴承的工作径向游隙时，应对此增加值加以考虑。

三、工作游隙与轴承寿命的关系

轴承在电机轴上工作时，假定无轴向负荷，分布在轴下方的滚动体承受由轴传递来的径向负荷。此时这些分布着承受径向负荷的滚动体的区域就是负荷区。当电机轴承存在正工作游隙时，分布在轴承最上方的滚动体不承受径向负荷。这些分布着不承受径向负荷的区域叫作非负荷区。轴承理想的负荷区范围是轴承径向负荷方向大约150°的范围。如图2-10所示。

在径向负荷下：①轴承游隙过大，负荷区会变小，承载的滚动体数量变少，单个滚动体承载变大，轴承应力集中；②轴承游隙过小，负荷区会变大，承载的滚动体数量变多，影响轴承寿命。

对于普通径向轴承而言，图2-11所示为轴承工作游隙与轴承寿命的关系。从图2-11中可以看到，当轴承的工作游隙是一个比零略小的值时，轴承寿命达到最佳值。但是此时如果由于外界因素等导致轴承游隙进一步减小，轴承会迅速进入预负荷状态，将导致轴承寿命大幅度下降。在现实工况中就是轴承的“抱死”状态，轴承会迅速失效。

轴承的正常工作游隙若是一个比零略大的值，则当轴承游隙受到外界影响变小时，轴承内部游隙不至于进入抱死状态；相反地，当受到外界影响，轴承工作游隙变大时，轴承的寿命会有所降低，但是下降的速度不大，不至于让轴承迅速出现问题。实践也证明，比零略大的值是一个比较安全的工作游隙值。

四、轴承游隙的选择

电机设计人员在选用轴承时，对于向心轴承，需要让轴承工作于一个比零略大的工作游隙（对于角接触球轴承等轴向轴承，工作游隙为负值），而轴承由于温度和配合带来的游隙减小量在外界设计已经确定时就已经被固定下来，因此，实际就要选择一个合适的轴承初始游隙，以保证轴承在正常工作时的工作游隙是一个理想值。

轴承应用工程技术人员可以根据实际的轴承的初始游隙、公差配合、轴承预计的温度分布等，计算轴承的工作游隙。但对于电机设计人员而言，通常在电机中使用的轴承游隙就是C0（CN）组和C3组游隙的轴承。只有在特殊需求下才对游隙进行核算。由于轴承游隙有标准分组，所以校核的结果往往是通过调整公差配合来使工作游隙达到要求值（另一种方法是让轴承生产厂家定制某种初始游隙的轴承，通常这种做法可行性较差）。

对于C0组和C3组游隙的选择，不妨以前面关于轴承游隙与寿命的关系作为指导原则。通常而言，对于负荷重、转速高、温升高的场合，会更多地使用C3组游隙的轴承。

五、电机生产厂遇到的游隙选型典型问题

电机生产厂设计的电机采用圆柱滚子轴承和深沟球轴承搭配时（一柱一球结构或者两柱一球结构），通常由于负荷等原因，选择C3组游隙的圆柱滚子轴承及深沟球轴承。我们可以对比一下深沟球轴承及圆柱滚子游隙表（见附录1和附录2）。从表中不难发现，相同内径的圆柱滚子轴承的径向游隙较深沟球轴承的径向游隙大；圆柱滚子轴承的普通径向游隙几乎相当于深沟球轴承C3组的径向游隙。这样，如果在相同的温度、相似的配合的情况下，圆柱滚子轴承的工作游隙明显大于深沟球轴承工作游隙，这也是圆柱滚子轴承更容易出现滚动体进入负荷区的激振现象和出现啸叫声的原因（见第七章电机运行中的轴承噪声及振动分析相关内容）。所以，如果可以对圆柱滚子轴承选择小一组的初始游隙，或者C3L组的初始游隙，将会大大减少其啸叫声发生的比率。