轴承101:它们是什么，它们如何失败，以及为什么它们很重要

轴承是什么?

轴承的正式技术定义是:

1. 将两个部件之间的相对运动限制在总体设计中指定的范围内。
2. 减少这些运动部件之间的摩擦。

一个更简单的定义可以在“轴承”这个名字中找到:在给定的设计中设计为“承受”应力或载荷的支撑结构。

虽然轴承的原型用例是在轴上旋转的轴，但它们可以设计为促进许多不同的理想运动范围。线性轴承，例如(见下文)，允许线性而不是旋转运动，轴承元件沿轨道或杆移动。

执行此功能的部件的实际设计可以有很大差异。轴承的材料可以从木材到黄铜再到高级聚合物。一些轴承设计依赖于频繁润滑，而另一些轴承则在几乎可以润滑的环境中运行从来没有润滑(像太空一样)。一些轴承的设计是为了在长时间浸泡在水中时抗腐蚀，而另一些轴承则需要在钢铁制造厂的高热条件下运行。

今天，轴承是高度工程化的部件，用于高度特定的应用、环境危害、维护要求和价格点。

轴承基础知识

在旋转轴承的典型情况下，“轴颈”是轴与轴承表面接触的部分。在最简单的情况下，轴承不是一个离散的装置:轴颈只是在轴承表面滑动，承受任何摩擦、热和磨损产生的影响。虽然在要求不高的环境中使用，但在工业制造、航空航天和汽车等领域的现代应用要求的速度和条件下使用时，几乎没有减少摩擦的轴承设计将产生不可接受的热量和磨损量。

因此，在轴承设计中，一个巨大的必要性是减少摩擦，以提高轴承的性能特征和寿命。

可以添加几个额外的功能，以减少摩擦，首先润滑。传统上，这是通过初始和定期注入油脂或油来完成的。今天，一些设计将高级润滑剂嵌入轴承材料本身(参见下面的自润滑轴承)减少手动润滑需求。其他设计利用低摩擦材料，在正确的操作条件下根本不需要润滑。

第二种选择是添加滚动设计元素，以减少摩擦，同时保持所需的承重特性。基于此，轴承设计可以有效地分为两个高级别类别。

套筒/滑动轴承vs滚子轴承

1. 球和滚子轴承在这些设计中，一个滚动元件被放置在两个套筒之间:一个与轴颈接触的内套筒，一个与孔接触的外套筒。“球”是滚动元件最常见的形式，但这些也可以是滚子、齿轮或其他设计。滚动元件(通常是金属)本身将需要润滑-无论是定期或通过密封轴承设计(见下文)。
2. 套筒轴承(也称为“轴颈”或“滑动”轴承):在这种设计中，轴颈简单地滑过轴承表面，没有额外的机械元件。新的低摩擦，自润滑选项使套筒轴承适用于各种苛刻的应用，以前需要滚动元件设计。

关于平原v.平面轴承的说明:关于它们没有什么“平原”

您会注意到，许多行业资料将套筒/滑动轴承称为“plain”而不是“plane”，就像我们在三星提到的那样。

我们认为，这种区别有助于突出“滑动”轴承绝不是简单或低负荷应用的事实。

“平面轴承”术语侧重于轴承的几何特性，而不是底层机构的机械复杂性。低摩擦，自润滑塑料意味着滚动元件的存在不再是轴承潜在应用的硬指南。

轴承类型概述

平面轴承:套筒，轴颈，衬套

你可以把平面轴承看作是最简单形式的轴承:任何非滚动元件，在两个表面摩擦的地方被合并在一起平面方位。常见类型包括套筒轴承和法兰轴承(参见下文了解更多关于两者的信息)。

“轴颈轴承”、“套筒轴承”和“衬套”都是不同行业用于描述相同基本设计概念的大致等效术语。

滑动轴承

什么是套筒轴承?

套筒轴承是平面轴承中最简单的设计，由安装在轴和孔之间的光滑套筒组成。通常，某种液体或颗粒润滑剂将坐在轴颈和轴之间。

套筒轴承与衬套

“衬套”是一个密切相关的分类，有时可能会引起混淆。

衬套的正式定义是限制相对运动的薄套筒或管。但这与套筒轴承有什么不同呢?不一定。一些行业只是简单地使用术语“衬套”作为历史的怪癖。在一般情况下，我们发现套管总是指单组分套管。

套筒轴承应用

套筒轴承是一种通用部件几乎所有能想到的设计都采用了这种设计。举几个例子:

• 汽车-传动轴、连杆、销和曲柄部件
• 农业-附件、舵机上的连杆组件
• 越野-液压缸销用十字形轴承
• 海洋-驱动轴的稳定轴承
• 食品加工包装- - - - - -输送机以及灌装装置。

法兰轴承

这种设计增加了一个“法兰”或突出的边缘，作为定位机构，将附加的套筒固定在适当的位置。该法兰连接到垂直于轴承轴的安装表面。这种额外的支撑在高速、重载或广泛振动/移动的应用中至关重要。

推力轴承

在最简单的形式中，你可以把推力轴承看作一个简单的垫圈。形式上，推力轴承为轴向作用于轴的力提供轴承。一个典型的例子是飞机上的螺旋桨轴。

像其他轴承类型一样，止推轴承可以采用滚动元件，在环内支承滚珠或滚子。低摩擦塑料提供类似于它们在线性或旋转应用中所提供的好处:合适的材料可以承受轴向力，减少润滑需求。

线性轴承

什么是直线轴承?

线性运动轴承(有时称为“线性滑动”)沿确定的路径提供自由运动。

这种线性运动与本文前面描述的原型轴承设计的旋转运动形成对比。像旋转轴承一样，线性轴承可以非常简单——就像一个木制的桌子抽屉放在一个木制的滑轨上。但更复杂的线性轴承设计允许更少的摩擦，更快的运动，更精确的控制运动范围。

线性轴承的例子包括从书桌抽屉滑动到地震减震器，帮助保护建筑物免受地震。

线性轴承是如何工作的?

在最常见的安排中，轴承沿方形导轨或圆杆导轨运动。

轨道提供了一个轨道，线性轴承沿着轨道运动。这种钢轨的形状和设计可能会根据预期应用中的负载情况而有所不同。就像，例如，一个弯曲的火车轨道，这个轨道不需要在一条直线上。

安装在轨道上的轴承机构被称为“车厢”或“块”。车厢和轨道之间的接触点被称为“比赛”。

与旋转轴承一样，这两个部件之间产生摩擦。这种摩擦可以通过一些滚动元件、润滑和低摩擦/自润滑塑料套筒的组合来消散。

一般来说，我们在本文中探讨的所有轴承设计元素也适用于线性轴承，包括密封、润滑和自润滑选项。

例如，油浸青铜套筒是一种常见的低负荷设计;一个简单的例子是抽屉的滑出轨道。要求更高的应用程序开始需要更复杂的机制。一些线性轴承设计甚至在轴承前面包含一个雨刷机构，以清除轨道上的污垢和碎片，并限制污染。

线性轴承用于什么?

直线轴承的应用与旋转轴承的应用一样广泛。它们的范围从简单的家具抽屉到过山车和需要极其精确的运动调节的高性能机床。

法兰直线轴承

在这种设计中，一个小的肋状结构从轴承突出，与导轨上相应的缺口/压痕相吻合。这个法兰引导轴承沿轨道，同时限制接触点。

密封直线轴承

与其他轴承设计一样，直线轴承可以使用金属或橡胶进行密封。这种做法可以减少污染并防止润滑泄漏:请参阅下面的密封轴承。

密封轴承

密封轴承在制造过程中注入润滑，然后密封。它们的设计目的是:

• 防止润滑剂从轴承机构中逸出。
• 防止污染物进入轴承机构。

印章不一定是永久的。例如，许多轴承采用橡胶密封，在必要时可以很容易地拆卸以进行维护(润滑/清洗)。

与轴颈本身一样，轴承密封材料也需要根据压力、温度和使用寿命要求进行仔细校准。选择合适的密封材料和设计将最大限度地提高密封寿命。

密封轴承的用途是什么?

通常，密封轴承用于频繁再润滑是不切实际的，或灰尘/污垢污染是主要考虑因素的条件。

密封轴承vs开式轴承:何时使用密封轴承

开式轴承设计的主要优点是成本低，易于维护。

如果计划进行频繁的维护，那么密封设计的额外成本可能就不值得了。

然而，在其他环境中，如那些充满颗粒物质的制造操作，采用密封(或自润滑轴承)可能是一种必需品。

金属密封轴承

金属密封轴承通常是最便宜的密封轴承选择，但很难获得维护。

橡胶密封轴承

橡胶密封轴承通常比金属密封轴承更昂贵，但可以更容易地打开重新润滑。然而，它们不能在特别高的温度下工作。

聚合物密封轴承

与轴承本身一样，塑料聚合物(特别是聚四氟乙烯)正在为具有卓越性能特征的密封件开辟新的领域。

例如，与橡胶密封件相比，聚合物密封件可以承受更多的热量，同时与金属密封件相比，聚合物密封件具有更好的耐腐蚀性和耐化学性(这在任何应用中都很重要，因为苛刻的清洁化学品可能会破坏密封件的质量，影响其性能和寿命)。

轴承为什么会失效?

要真正理解轴承的选择，重要的是首先要了解它们是如何失效的。虽然基本功能总是相似的，但不同的轴承类型激增，因为不同的应用和操作环境对轴承施加的压力非常不同。

轴承过早失效是由于润滑不足、颗粒或腐蚀性污染、过载和安装不当等常见问题造成的损坏。这些问题的确切原因可能根据所使用的材料和操作环境而有很大差异。

同时，轴承故障/维护/更换的操作和成本影响在不同的应用程序中可能有很大差异。例如，对于一件必须每天停止检查的制造设备，频繁润滑或偶尔更换轴承可能不是问题。在这些情况下，更先进的解决方案所增加的成本可能没有什么好处。但对于另一个极端的应用(如卫星轴承)，可能需要在它们永远无法维持的条件下成功。

我们将在下面更详细地介绍可能导致轴承故障的关键因素。

在思考轴承失败时，这也是值得学习的要寻找哪些迹象来表明轴承正在准备失效。

环境对轴承的影响

上述讨论的失效模式的相对重要性可能会有很大差异，这取决于轴承的使用位置以及多长时间可以经济有效地更换或进行维护。

环境影响可以改变轴承的预期寿命高达90%。由于环境寿命差异如此之大，为正确的环境选择正确的轴承对于设计的最终性能和可靠性至关重要。

下面几个简明的例子说明了轴承需要如何仔细选择，以反映它们预计将运行的条件。

粉尘污染环境用轴承

环境，如钢铁厂，建筑工地，食品加工厂包括高水平的灰尘和其他物质，可以污染轴承。在这些环境中运行的轴承在采购时需要考虑到这种污染风险:从食物残渣到金属刨花等颗粒随着时间的推移而积累，会产生研磨性。这种磨损将影响轴承密封(随着时间的推移，让更多的颗粒和/或水进入)和轴承本身。

你可以在我们的文章中阅读更多关于在尘土飞扬的环境中使用轴承的信息。

肮脏环境轴承

以上讨论的粉尘污染变得更严重当更多的润滑脂积聚在轴承内。当润滑剂被污染时，它们散热和减少摩擦的能力急剧降低。在最好的情况下，缩短轴承寿命。在最坏的情况下，这种污染是导致计划外故障和停机的原因。

这使得润滑轴承的定期清洁至关重要，这是轴承的一个关键设计问题，难以接触，将不经常维护，或在太脏的环境中运行，以规定的间隔进行实际清洁。

虽然自润滑轴承可能仍然需要一定程度的润滑，但其减少的润滑需求为肮脏的操作环境创造了关键的维护优势

真空环境中的轴承

真空环境不仅会带来维护困难，而且会带来独特的故障模式。例如，在需要在真空中工作以消除润滑要求的设计中，塑料轴承通常是首选。但是真空使用的塑料需要仔细选择:一些塑料会出现漏气和颗粒脱落，在真空中不容易排出。

泄漏即故障:清洁的环境

任何需要定期润滑的轴承都有润滑剂污染周围环境的风险。当面临清洁运行的设计要求(源于ISO标准、政府法规或客户对可持续最佳实践的要求)时，泄漏有效地成为轴承故障的一种模式。考虑到这一风险，自润滑塑料轴承为在这些环境中清洁运行提供了重要优势。

轴承材料种类

木头轴承

木材可能不是你想到的制造轴承的第一种材料，今天它已经被降级为特殊应用。但木质轴承提供了有用的历史背景:它们说明，工程师们一直在仔细选择材料，以符合大部分有记录的历史的轴承性能标准。

有证据表明，早在4500年前，腓尼基船工就开始使用木制轴承作为舵。合适的木材是耐腐蚀的，使它们能够在水下应用中茁壮成长，如舵或螺旋桨轴。在旧世界，超硬木材Lignum Vitae是一个受欢迎的选择——它的天然油脂提供内置润滑，而其极高的密度有助于它在压力下保持稳定。后来，轴承制造商会用动物油浸渍木轴承，以达到类似的自润滑效果。

今天,复合材料在水下应用中比木材具有关键性能优势，但木制轴承是轴承材料经过精心挑选的理想机械性能的第一个例子。

青铜轴承

青铜是一种常用的材料，有各种不同的合金和成分——这种多样性使青铜成为轴承材料的流行选择，因为可以获得非常接近精确所需规格的材料。青铜轴承具有很强的冲击、冲击和耐腐蚀特性。

青铜轴承在安装和运行过程中都需要润滑，这可能使它们成为难以进行频繁维护的设计的糟糕选择。这种限制就是为什么用自润滑选项替换青铜轴承(见下文)对许多公司来说是一个有吸引力的建议。

不锈钢轴承

钢轴承是工业应用的常见传统选择，可以处理极高的负载和高转速。与其他钢牌号相比，不锈钢轴承具有更好的耐腐蚀性，但潜在的缺点仍然包括相对较高的重量和高噪音。

铸铁轴承

另一种常见的传统选择，铸铁轴承具有足够低的摩擦系数，可用于钢轴上。案件铁釉随着时间的推移，有助于减少磨损。

塑料轴承

自20世纪50年代出现以来，塑料轴承已经成为传统金属设计的越来越可行的替代品。这种替代方法的好处取决于所讨论的精确材料:不同塑料配方/成分之间的性能特征差异很大。

对于简单的模压塑料轴承，这种好处可能只是成本。但与金属和其他材料相比，先进的工程塑料聚合物和复合材料也具有真正的性能优势。由于具有较低的摩擦和自润滑能力(下文将详细介绍)，塑料聚合物允许平面轴承在许多历史上需要滚动轴承的应用中有效运行。

适用于轴承应用的常见塑料类型包括:

• 酚醛树脂由填料与酚醛树脂粘合而成的复合材料。优良的强度和耐腐蚀性;低热导率需要广泛的润滑。
• 缩醛树脂:在广泛的应用中，通常用于具有成本效益的轴承。
• 尼龙:运转安静，摩擦小，无润滑要求，但变形前最高温度相对较低。
• 超高分子量聚乙烯:耐磨、低摩擦，是缩醛/尼龙常用的高性能替代品。
• PTFE(聚四氟乙烯)这种合成的四氟乙烯含氟聚合物的商标名特氟龙(Teflon)通常被人们所熟知，它被广泛应用于各种各样的领域——例如涂覆不粘锅。

对于轴承来说，聚四氟乙烯不仅是一种有用的结构材料，而且是自润滑轴承的润滑介质(下文将详细介绍)。

有用的特性包括低摩擦系数、耐腐蚀性、低导电性、恐水性和广泛的耐受温度范围。

那么哪种塑料是最好的呢?与本文中讨论的其他轴承选择参数一样，这完全取决于应用。事实上，这些塑料可以相互混合，或与非塑料材料混合，以在性能、维护需求和成本方面产生所需的特性。

要详细了解三星不同塑料聚合物产品的性能，请查看我们的材料数据库。

塑料聚合物轴承的主要优点包括:

• 通过降低摩擦系数减少润滑要求。
• 增加了对灰尘、水和制造颗粒物等污染物的抗性。
• 提高耐腐蚀和防锈性能。
• 无油脂意味着更清洁的操作，更好的抗碎屑，更少的维护。
• 大大增加了使用寿命(通常比它所包含的设备的寿命更长)。
• 高卫生选项可用于行业特定需求/法规符合性(FDA, USP, 3A, ABS)。
• 在线性、振荡和旋转应用中灵活使用。

自润滑轴承

这些轴承有润滑剂，如聚四氟乙烯，石墨或硅集成在轴承本身的摩擦表面。当运动部件相互摩擦时，这种润滑剂会随着时间动态分散。

采用自润滑塑料聚合物轴承两种不同的机制输送润滑介质:

• 模糊系统:基于聚四氟乙烯或注入聚四氟乙烯的聚合物是涂抹系统的最常见的例子。润滑剂需要从聚合物中找到出路，并沉积到接触表面的微表面。这种沉积物形成了一层流体动力膜，提供了有效的润滑。
• 垃圾系统:这种方法依赖于聚合物本身的韧性(UHMW，铸造尼龙)来敲打松散的树脂微粒，这些树脂微粒有效地发挥了微型滚珠轴承的作用。这种方法通常效率较低，但在许多应用程序中仍然发挥着重要作用。

在频繁的再润滑不实用或成本过高的应用场合，在高摩擦环境中，或在传统液体润滑剂污染/泄漏风险太大的环境中，采用这些设计之一非常重要。

由于润滑不足是轴承故障的首要原因，停止润滑不仅简化了维护，而且极大地减少了在不可避免的维护间隔期间累积的过早磨损。油脂和其他润滑剂也会加剧污染问题，因为它们会帮助灰尘和污垢粘在轴承机构中，这是另一个长期磨损的驱动因素，自润滑选项可以消除。

自润滑轴承的主要优点

• 优异的耐腐蚀性和耐磨性。
• 由于减少润滑要求，降低维护成本。
• Lower-friction系数。
• 适用于高温/低温环境。
• 清洁，少油操作。

Rulon®

三星是Rulon的北美独家经销商，Rulon是一个基于聚四氟乙烯的塑料家族，专为轴承等苛刻应用的功能要求而设计。像其他塑料一样，它有各种各样的配方(事实上，超过300种)。

如需更深入了解Rulon和一些关键配方选项，请参阅我们的白皮书:

先进的自润滑金属背衬解决方案

更先进的方法，金属轴承设计允许自润滑能力，同时保留金属的一些理想的结构特征。

三星的TriSteel™例如，它由一种特殊的聚合物衬里和金属衬底组成。衬垫浸渍在烧结多孔青铜夹层中。这两种材料都可以根据应用精确指定。这种设计利用钢(镀锌/镀铜或不锈钢)作为结构和机械支撑，同时利用聚合物衬垫来改善磨损特性和自润滑。

了解更多关于TriSteel的信息产品网页或查看小册子。

复合轴承

复合轴承由多种材料组合而成，如纤维增强树脂或塑料。该复合材料可与聚四氟乙烯(PTFE)相结合，形成重量轻、自润滑的设计。

与金属轴承相比，复合材料轴承具有显著的重量优势。在这里阅读关于复合材料轴承的其他一些好处。复合材料本身可以定制，以满足特定的应用需求。复合衬垫可应用于金属衬垫以增加强度。

三星的CJ复合材料是基于复合轴承解决方案的一个很好的例子。本设计利用了多层结构。最内层由合成纤维/聚四氟乙烯层组成。第二层由环氧涂层高角度玻璃丝组成。最外层由环氧树脂涂覆的低角度玻璃丝组成。

这种结构允许轴承重量轻，强度高，抗疲劳，通常是非润滑的高负载/低速应用的理想选择。开云体育信誉CJ轴承具有优异的抗冲击和冲击载荷性能。它们也能够承受高度的轴不对中:复合墙的作用就像弹簧，轴承的壁截面越厚，给定负载的挠度就越大。

有关CJ复合轴承的更多信息，请查看我们的CJ网页或看看小册子。

为什么战略轴承选择是一个工程上的当务之急:三星的方法

本指南以一个反复出现的主题为中心(这只是当今市场上大量轴承选择的逻辑延伸):

轴承是一个关键的设计组件，在精心选择时工作最好，以反映对它们将有望实现的操作要求的详细理解。

无论您是在决定是否可以更换润滑密集型滚子轴承，还是选择采用哪种等级的聚合物，花时间进行真正知识渊博的轴承选择过程都可以带来真正的好处。

在三星，我们牢记这一事实:我们不仅仅对销售特定的材料或产品线感兴趣，而是对我们的客户采取真正的咨询方法。

我们致力于了解您的设计的具体功能需求、维护关注点和成本优先级。我们甚至知道从客户的草稿纸上绘制他们预想的应用程序!我们的评估不只是看材料:我们会仔细考虑预期应用的实际几何形状。

在此基础上，我们将材料和轴承设计与特定的工程问题相匹配。而且，如果我们的数百个聚合物或复合滑动轴承中的一个不正确，我们甚至有通过我们的增强材料部门(EMD)创建定制材料的独特功能开云体育网站。

如果您有兴趣了解更多关于塑料轴承的许多应用，查看我们超过140个应用案例研究的完整库。