3.1.1 轴承
按照摩擦副性质不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承。其中，滚动轴承主要有深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力球轴承、推力滚子轴承和回转支承等；滑动轴承主要有关节轴承、固体自润滑轴承和静压轴承等，如图3-1所示。
图3-1 轴承分类
1. 滚动轴承
滚动轴承是将运转的轴与轴承座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密机械元件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成，如图3-2所示。
图3-2 滚动轴承的组成及工作原理
轴承内圈一般装配在轴上，并与轴一起旋转；外圈一般装配在轴承座或支座上，起固定支承作用；内圈和外圈上均有滚动体滚动的滚道；滚动体借助于保持架均匀地分布在内圈和外圈之间，其形状、大小和数量直接影响滚动轴承的承载能力。滚动体类型有钢球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子和滚针等。滚动轴承内圈、外圈和滚动体通常采用高碳铬轴承钢制作，具有良好的淬透性和淬硬性，如GCr15SiMn或Cr18Mo。对于承受高冲击载荷和交变弯曲应力的轴承，其表面需要具有较高的硬度和耐磨性，心部具有良好的韧性，一般采用渗碳钢，如20CrNi2MoA、20Cr2Ni4A、16Cr2Ni4MoA等，零件表面经渗碳、淬火、回火等热处理后，表面硬度可以很高（≥HRC60），心部硬度则较低（HRC35～40）；或者采用耐高温轴承钢，如Cr4Mo4V、W18Cr4V等。此外，还可以采用淬火钢，如42CrMo、50Mn、5CrMnMo等，通过局部表面淬火处理获得较高硬度。若在腐蚀介质中使用，则需要采用不锈轴承钢（又称耐腐蚀轴承钢），常用的有1Cr18Ni9Ti、9Cr18、9Cr18Mo、0Cr17Ni7Al等。
保持架的主要作用是实现滚动体隔离并均匀分布，防止其相互间接触摩擦，同时引导滚动体旋转。与无保持架的满装球或滚子轴承相比，带保持架轴承的摩擦阻力较小，更适用于高速旋转。保持架形式主要有冲压、车制和注塑三种。大多数冲压保持架由一般碳素结构钢板、不锈钢板、黄铜板制造，如10#钢板、黄铜板H62等，具有较高的强度，多用于中小型轴承；车制保持架一般由钢、黄铜、铝铸造或锻造而成，如20#钢、30#钢、黄铜HPb59-1、铝ZL102等，其强度要比冲压保持架高，多用于较高转速的轴承；注塑保持架采用加玻璃短纤维增强的尼龙66材料经模压后制成，具有良好的弹性和自润滑性，可在润滑条件差的情况下运行。
滚动轴承一般采用脂润滑或油润滑方式。润滑剂的选择需要根据运行速度、温度及周围环境等多方面因素进行考虑。正常工作条件下，大部分滚动轴承都可以采用脂润滑方式，润滑脂不易泄漏，而且还有密封的作用；当转速或工作温度很高而不适合使用脂润滑，或需要把摩擦而产生的热或外热从轴承带走时，可采用油润滑方式。在雷达等电子设备中常用的润滑脂主要有2#锂基脂、长城润滑脂7007或7012、MOLYKOTE的BG20等，常用的润滑油有美孚SHC-629等。
部分滚动轴承还带有密封圈和防尘盖等，主要作用是将滚动轴承工作部分与外界隔离，使滚道、滚动体和保持架形成封闭的环状空间。密封圈材料以丁腈橡胶为主。
1）深沟球轴承
深沟球轴承结构简单、使用方便，内、外圈不分离，摩擦阻力小，适合高转速甚至极高转速运行。它主要用于承受径向载荷，也可承受一定的轴向载荷，一般在对安装、密封、配合没有特殊要求的部件中均可采用，在雷达等电子设备中，常用于伺服电动机输出轴、减速机轴系、汇流环、锁定装置、同步轮系等的旋转支承。深沟球轴承如图3-3所示。
图3-3 深沟球轴承
2）角接触球轴承
角接触球轴承能够同时承受径向和轴向载荷，可以在较高的运转速度下工作。轴向承载能力的大小随接触角的大小变化，接触角越大，所能承受的轴向载荷也越大，多用于高转速、高精度和轴向载荷较小的场合。由于单个角接触球轴承只能承受单个方向的轴向载荷，因此很多场合下常采用两个角接触球轴承相对或相向安装方式，这样可以具有较好的刚性，能够承受双向轴向载荷，同时也可以承受一定的倾覆力矩，在雷达等电子设备中，常用于调平腿、水铰链的回转支承结构中。角接触球轴承如图3-4所示。
图3-4 角接触球轴承
3）圆柱滚子轴承
圆柱滚子轴承大多属于可分离轴承，安装和拆卸都很方便。圆柱滚子与滚道呈线接触，能承受较大的径向载荷，适用于重载和冲击载荷，也适用于较高速旋转。该类轴承根据装用滚动体的列数不同，分为单列、双列和多列圆柱滚子轴承，在雷达等电子设备中，主要用在双轴天线座俯仰支承部位的活动端，用于补偿轴系因热胀冷缩变形及制造安装误差所引起的长度变化。圆柱滚子轴承如图3-5所示。
图3-5 圆柱滚子轴承
4）圆锥滚子轴承
圆锥滚子轴承内、外圈的滚道和滚子均为锥形，所有锥形表面的延伸线汇合在轴承线上的某一点，因此圆锥滚子轴承的滚子在滚道上的运动为纯滚动。圆锥滚子轴承属于分离型轴承，轴承内组件（滚子、保持架、内圈）和外圈可以分离，可以很方便地安装在轴颈和轴承座上。该类轴承特别适用于同时承受径向和轴向载荷的场合，轴向承载能力的大小取决于接触角α，即外圈滚道角度，接触角α越大，轴向承载力越大。由于单列圆锥滚子轴承只可承受单方向的轴向载荷，通常工程中采用两个相同结构的单列圆锥滚子轴承面对面或背对背安装，来承受双向轴向载荷，在雷达等电子设备中，主要用于双轴天线座俯仰支承部位的固定端。圆锥滚子轴承如图3-6所示。
图3-6 圆锥滚子轴承
5）调心滚子轴承
调心滚子轴承具有两列球面滚子，外圈有一个共用的球面滚道，内圈有两个滚道，与轴承轴线成某一角度，外圈滚道的曲率中心与轴承中心一致。调心滚子轴承是自调心的，不受轴与轴承座的不对中或轴变形挠曲的影响，可以补偿由此引起的同心度误差。该类轴承除承受径向载荷外，还可以承受双向轴向载荷及其联合载荷，承载能力大，同时具有较好的抗震动、抗冲击能力，在雷达等电子设备中，主要用于双轴类天线座结构的俯仰支承环节。调心滚子轴承如图3-7所示。
图3-7 调心滚子轴承
6）推力球轴承、推力滚子轴承
推力球轴承、推力滚子轴承都属于分离型轴承，均承受单向轴向载荷，不能承受径向载荷，也不能限制径向位移，可做单方向的轴向定位。其中推力滚子轴承的轴向承载能力更大一些，转速低一些，在雷达等电子设备中，主要用于重载调平腿结构的回转支承。推力球轴承、推力滚子轴承如图3-8所示。
图3-8 推力球轴承、推力滚子轴承
通用滚动轴承的主要指标有承载能力、旋转速度（高速性）、调心性、精度、刚度、可分离性等，各类轴承的工作性能比较见表3-1。
表3-1 轴承的工作性能比较
滚动轴承的特点是摩擦系数小，启动灵活；互换性好，便于维修和更换；润滑方便，润滑剂消耗少，便于密封，易于维护；可较方便地在高温或低温条件下使用；部分种类的轴承可通过施加预紧载荷提高轴承刚性；径向游隙较小，回转精度高。但滚动轴承径向尺寸较大，减震能力较差，高速时寿命低，噪声大。滚动轴承的应用比滑动轴承广泛得多，对于转速要求不高，冲击、震动要求不严的一般条件均能很好地适应。
7）回转支承
回转支承也称转盘轴承，是一种集支承、旋转、传动和固定于一体的特殊结构的大型轴承，可同时承受轴向力、径向力和倾覆力矩，通常自带安装孔、润滑油孔和密封装置，可满足各种工况条件下设备的不同需求，被广泛用于工程机械、风力设备、医疗器械、雷达等大型回转设备上。回转支承主要由内圈、外圈、滚动体、保持架（或隔离块）和密封圈等构成，如图3-9所示。
图3-9 回转支承
回转支承一般有以下三种安装方式：座式安装、立式安装和悬挂式安装，示意图如图3-10所示。
图3-10 回转支承安装方式示意图
与普通滚动轴承相比，回转支承一般具有径向尺寸大、轴向尺寸小、结构紧凑、承载能力大、维护方便等特点，但一般转速较低。在雷达等电子设备中，常用的回转支承有四点接触球轴承、双排异径球轴承、交叉滚子轴承和三排滚子轴承。
（1）四点接触球轴承。四点接触球轴承可以同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆载荷。在轴向载荷和倾覆载荷共同作用下，几乎所有的钢球均参与承载；当承受纯轴向载荷时，钢球与内、外圈滚道分别为单点接触。为应对各种工况条件下的不同轴向力、倾覆力矩和径向力组合，接触角可以做相应调整。该类轴承主要适用于以轴向载荷为主，倾覆力矩较小的场合，常用于较高转速及内、外圈安装基础刚度较差的回转结构中，按照是否带齿及齿的分布部位分为无齿式、外齿式和内齿式，分别如图3-11所示。
图3-11 四点接触球轴承的三种形式
（2）双排异径球轴承。双排异径球轴承可以同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆载荷。其中上排球主要承受轴向载荷和倾覆载荷，下排球主要承受反向倾覆载荷。因此，它的承载能力要大于四点接触球轴承，但摩擦阻力和高度尺寸要大于四点接触球轴承。该轴承适用于以轴向载荷为主、有较大倾覆力矩、轴承径向安装位置受限的场合。该结构对安装精度及轴承支承的轴向和径向变形敏感性最小，常用于转速较高、承载较大及内、外圈安装基础较差的回转结构中，按照是否带齿及齿的分布部位分为无齿式、外齿式和内齿式，分别如图3-12所示。
图3-12 双排异径球轴承的三种形式
（3）交叉滚子轴承。交叉滚子轴承可以同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆载荷。交叉滚子轴承的结构和应用与四点接触球轴承基本相同，只是滚动体由钢球变为滚子，滚动体与内、外圈的接触由点接触变为线接触，故承载能力增强，但磨损和摩擦力矩同时也增大。交叉滚子轴承中滚子的形状有两种，一种为圆柱滚子，另一种为圆锥滚子。由于圆锥滚子在滚道内做纯滚动，因此交叉圆锥滚子轴承较交叉圆柱滚子轴承有更高的旋转精度、更高的转速和较低的摩擦力矩。交叉滚子轴承常用于承受较大载荷、较低转速及内、外圈支承刚度较好的回转结构中，按照是否带齿及齿的分布部位分为无齿式、外齿式和内齿式，分别如图3-13所示。
图3-13 交叉滚子轴承的三种形式
（4）三排滚子轴承。三排滚子轴承可以同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆载荷，在相同外形尺寸条件下是承载能力最高的回转支承。该结构的轴向载荷和径向载荷分别由不同的滚子承受。其中，轴向载荷和倾覆载荷由轴线水平放置的两排滚子承受，径向载荷由轴线垂直放置的一组滚子承受。该轴承适用于大轴向载荷和倾覆力矩、有较大径向载荷、摩擦力矩要求不高的场合，常用于承受重载、慢速及内、外圈支承刚度较好的回转结构中，按照是否带齿及齿的分布部位分为无齿式、外齿式和内齿式，分别如图3-14所示。
图3-14 三排滚子轴承的三种形式
（5）薄壁非标定制轴承。在一些空间尺寸和质量要求苛刻而又同时承受轴向载荷、径向载荷和倾覆载荷的场合，由于空间限制，难以使用成对轴承支承，同时常规的回转支承在质量上也难以满足要求，因而需要定制轻量化的薄壁回转支承。根据具体应用场景结构形式进行定制，如图3-15所示，多为四点接触球结构，可以实现与安装支承结构一体化设计，安装可采用螺栓连接、过盈安装及压紧安装等方式。
图3-15 薄壁非标定制轴承
薄壁非标定制轴承的高度尺寸和壁厚系数已符合薄壁轴承标准，通过特殊的加工控制方法可以实现在较普通轴承质量有很大减小的情况下，承载能力和回转精度无明显降低，但相对普通轴承加工成型更为困难，对安装基础的刚度要求也更高。轴承内、外圈及滚动体多为高强度不锈钢9Cr18材质，可以适应高低温交变、霉菌、盐雾等恶劣环境。
四类常规回转支承的工作性能比较如表3-2所示。
表3-2 四类常规回转支承的工作性能比较
2. 滑动轴承
滑动轴承是在滑动摩擦下工作的轴承。由于滑动轴承本身具有一些独特的优点，使得它在某些特定场合仍占有重要地位。滑动轴承一般由耐磨材料制成，不分内、外圈，也没有滚动体，通常结构简单，制造容易，成本较低，能承载较大载荷，工作平稳、可靠，运转噪声小。
滑动轴承按承受载荷的方向可分为径向滑动轴承和推力滑动轴承；按润滑剂种类可分为油润滑轴承、脂润滑轴承、水润滑轴承、气体轴承、固体润滑轴承、磁流体轴承和电磁轴承；按润滑膜厚度可分为薄膜润滑轴承和厚膜润滑轴承；按轴瓦材料可分为青铜轴承、铸铁轴承、塑料轴承、宝石轴承、粉末冶金轴承、自润滑轴承和含油轴承；按轴瓦结构可分为圆轴承、椭圆轴承、三叶油轴承、阶梯面轴承、可倾瓦轴承和箔轴承。
在雷达等电子设备中，常用的滑动轴承有三种，即关节轴承、固体自润滑轴承及静压轴承。
1）关节轴承
关节轴承是接触面为球面的滑动轴承，也称球面轴承。关节轴承可按照不同的方式进行分类，按受力方向可分为向心、角接触和推力关节轴承；按外圈结构可分为整体型、单缝型、剖分型、镶垫型和装配槽型。向心关节轴承的基本结构如图3-16所示。
图3-16 向心关节轴承的基本结构
相比滚动轴承，关节轴承的结构简单、承载能力大，在机器人的关节、固定翼飞机的起落、机架、尾翼及直升机的旋翼系统中均有应用；相比其他滑动轴承，关节轴承能实现多角度的摆动，在冶金炼钢设备的回转台、转炉等设备上也有较多应用。
2）固体自润滑轴承
固体自润滑轴承是一种兼有金属轴承特点和无油润滑特点的滑动轴承，由金属基体承受载荷，特殊配方的固体润滑材料（石墨、二硫化钼、聚四氟乙烯等）起润滑作用，如图3-17所示。它具有承载能力高、耐冲击、耐高温和自润滑能力强等特点，特别适用于重载、低速、往复或摆动等难以润滑和形成油膜的场合，也不怕水冲和其他酸液腐蚀，在雷达等电子设备中，常用于液压缸支耳和天线支耳的转轴支承部位。
图3-17 固体自润滑轴承
PV值是衡量固体自润滑轴承磨损极限和使用寿命的重要指标，以承载压力P（N/mm2）和线速度V（m/s）的乘积PV（N/mm2·m/s）来表示。
式中，F为垂直承载载荷；d为轴承内径；L为轴承宽度；n为轴承的转速。
轴承内径d由所用轴的直径确定，轴承宽度L由轴承允许表面载荷确定，即L≥F/(Pd)。由此可见，增大轴承宽度可有效提升承载能力，降低表面载荷。但过大的轴承宽度会导致抗偏载能力和冷却效果降低，过早地损伤轴承。一般L/d=0.5～1.5。
3）静压轴承
静压轴承是一种油膜润滑轴承，依靠外部供油系统供给压力油，经过节流器，在轴承中形成承载油膜，将转动结构浮起。它在任何转速（包括静止）和重载情况下，都能使转动结构与轴承处于液体摩擦的状态，而且油膜的刚度很大，当外载荷发生变化时，油膜的变化量也很小。
一般静压轴承系统主要由轴瓦、转台、节流器和供油系统等组成。供油系统输出油压为Ps的高压油，分别通过与各油室串联的节流器进入各个油室，油压由Ps降为Pr，当油室压力Pr较小时，转台与轴瓦面紧贴，Pr将继续上升，直至浮起转台。静压轴承工作原理如图3-18所示。
图3-18 静压轴承工作原理
静压轴承具有摩擦力矩小、使用寿命长、转速范围宽、抗震性能好、回转精度高等特点，适用于各类精密重型机床、大型精密测控雷达等设备。但静压轴承需要一套供油系统，且压力油必须经过精心过滤，使用和维护成本较高。