第三节 电机轴承配置中的公差配合选择

前面的内容讨论了将电机轴承布置在轴上的各种方式，工程实际中电机设计人员还要根据轴承的实际情况对轴承与轴、轴承与轴承室之间的公差配合进行选择。轴承配置中的公差配合包括两部分内容，一个是尺寸公差，另一个是形状位置公差。

一、电机轴承及相关部件公差配合（尺寸公差）选择的原理和原则

用普通卧式安装内转子式电机为例，说明轴承和轴及轴承和轴承室之间的公差配合选择原则。其他情况可以以此类推。

当电机工作时，转子在电磁转矩的作用下旋转，转子轴通过配合拉动轴承内圈旋转，轴承内圈捻动滚动体在轴承外圈上滚动。安置在轴承室内的轴承外圈承受滚动体的滚动摩擦，但和轴承室之间不发生相对移动（宏观而言）。

（一）轴承内圈配合选择分析

对于轴承内圈而言，在运转过程中相对轴来说是被动旋转，同时轴承内圈还需要捻动滚动体滚动随之受到滚动体的阻转矩。轴的主动“拉动”是通过轴与轴承内圈之间的摩擦力实现的。这个摩擦力受到摩擦系数与正压力的影响。摩擦系数已定，那么正压力就是由轴承内圈与轴之间的配合以及轴承承受的径向负荷带来的。正是因为轴需要主动拉动轴承内圈，所以此处的配合多数选用紧配合（过盈配合）。如果轴与轴承内圈之间的摩擦力突破最大静摩擦力范围，则轴承内圈和轴之间就会发生相对滑动，这就是电机工程实际中遇到的轴承内圈跑圈现象。所以选择轴承内圈配合时，至少要使轴承内圈与轴的配合摩擦阻力足够大，大到不至于使轴承内圈跑圈的程度。

考虑到轴承所承受的负荷状态，在轴承的径向负荷方向，轴承内圈和轴的配合力以及径向负荷一同构成了轴与轴承内圈之间的正压力，此处静摩擦力很大；相反，在径向负荷反向，此时轴承内圈和轴之间的配合力与径向负荷方向相反，此处正压力变小，最大静摩擦力最小。为避免轴承内圈跑圈，必须增加配合带来的正压力（加紧配合），使之不产生相对滑动。这种情况，越大的径向负荷就会越明显。因此在推荐轴与轴承内圈配合时，负荷越大，推荐的配合就会越紧（可参照表3-2）。

更深入地，如果考虑径向负荷同向与反向的正压力差异，也就会了解轴的正压力在径向负荷同向和反向两个方向上存在差值，此差值会引起静摩擦力的不同。试想，如果轴承内圈径向负荷反向的正压力无法产生阻止轴承内圈跑圈的最大静摩擦力，那么此时这部分轴承内圈就会产生沿运动方向的滑动。如果此时正压力同向并未发生轴承内圈跑圈（正压力足以产生阻碍相对运动的摩擦力），那么，作为一个整体的轴承内圈，则会产生内部的推拉张力，此张力的累积，就会使轴承内圈在轴上发生蠕动。以此类推，读者可以深入思考轴承内圈在轴上蠕动时的工作状态。此部分内容较深入，此处提及仅作参考，并不展开。有兴趣的读者可以参阅相关轴承分析资料。

再考虑电机的运行工况：当电机运行处于变速状态（起动、停机、改变转动方向），轴与轴承内圈之间的摩擦力拖动轴承内圈与轴同步旋转、变速，因此需要更大的正压力以实现更大的静摩擦力，这需要更紧的配合，以保证轴承内圈和轴之间不出现相对滑动（跑圈）。另外，对于振动较大的场合，轴承内圈与轴之间的径向负荷处于不稳定状态，同样需要更紧的配合，以避免轴承内圈跑圈。

（二）轴承外圈配合选择分析

对于轴承外圈而言，滚动体在滚道上的滚动使轴承外圈受到一个沿着转动方向的滚动摩擦力；同时轴承外圈和轴承室之间的摩擦力提供阻力，使轴承外圈静止在轴承室内不旋转。由于滚动摩擦力很小，因此轴承外圈和轴承室之间所需要的保持不相对滑动的最大静摩擦力与轴承内圈和轴之间相对静止所需要的静摩擦力相比较小。所以，通常而言，轴承外圈和轴承室的配合选择较轴承内圈与轴配合松一些的配合。

轴承承载时，轴承滚动体仅在负荷区的轴承外圈上滚动。负荷区轴承外圈与轴承室之间的正压力来源于径向负荷以及与其配合所产生的径向力。轴承外圈外表面的滑动摩擦抵抗轴承外圈滚道上的滚动摩擦所需要的正压力不会很大，一般而言，径向负荷的正压力已经足以提供这个静摩擦力；另一方面，非负荷区轴承滚动体和轴承滚道之间并不会产生负荷，也不会产生沿滚动方向的滚动摩擦力，所以轴承外圈也不需要与轴承室发生静摩擦（配合）阻碍轴承外圈跑圈。而在这种情况下，负荷越大，负荷区就越大，负荷区正压力也越大，负荷区轴承外圈提供的静摩擦力也越大。这样，径向负荷本身就自动地调节了防止轴承外圈跑圈的阻力。因此不需要考虑调整轴承外圈和轴承室之间的配合来保证轴承外圈不跑圈。换言之，对于外圈静止负荷的情形，负荷的大小不应该成为影响轴承外圈配合选择的最主要的因素。

1.对于振动冲击负荷

这种工况下，轴承外圈和轴承室的接触本身就不是一个恒定的接触，其接触力也不是一个相对接触表面稳定的正压力。因此不能依赖径向负荷本身为轴承外圈提供足够正压力来产生防止轴承外圈跑圈所需的最大静摩擦力。在这种情况下，就需要加紧配合，从而通过配合的正压力防止轴承外圈跑圈。所以在选择轴承外圈配合时，如果负荷振动，那么所需要的配合就会越紧。

2.考虑不同轴承类型

对于球轴承而言，使轴承外圈产生滚动方向运动趋势的滚动摩擦是由点接触滚动实现的；对于圆柱滚子轴承而言，滚动摩擦是线接触实现的。显然，圆柱滚子轴承比球轴承的滚动摩擦力越大，同时使轴承外圈产生滑动的力也越大。因此，对于电机而言，通常圆柱滚子轴承的外圈配合比球轴承紧。圆柱滚子轴承通常使用在中型电机中，因此在一些推荐表格里直接备注了中型电机、小型电机等。

3.对于小型铝壳电机

一般的小型铝壳电机，其转子自重很小，通常使用的是深沟球轴承。当电机运行于稳定温度时，铝壳电机轴承室内径的热膨胀比轴承外圈直径的热膨胀大一倍。此时防止轴承外圈跑圈的静摩擦力多半都由径向负荷带来的正压力产生。往往这种电机的径向负荷又很小，因此经常会出现轴承外圈跑圈现象。电机生产厂家有时会选紧一级的配合，但是，这样又给安装带来了不便。因此，这里建议使用O型圈（见本章第二节相关内容）。

可以更深入地考虑，在轴承外圈和轴承室之间的摩擦力足以阻碍轴承外圈跑圈时，如果加入对轴承刚性的思考，情况会有微妙的变化。在轴承滚动体和轴承滚道接触的地方，轴承滚道受到的向前的滚动摩擦力大，在不接触的地方没有力。微观地看轴承外圈，其受到了局部的向前推动的滚动摩擦力。而组成外圈本身在这些力的影响下发生微观的压缩和伸张。在这些力的影响下，轴承外圈和轴承室之间会出现微观的蠕动（像蠕虫一样伸张、收缩着前行）。这也是我们见到运行良好的轴承有时其外圈依然有颜色变深和小幅度蠕动腐蚀趋势的原因。关于这部分内容的深入分析，此处仅做提示，不展开。请有兴趣的读者参考相关的轴承分析资料。

4.对于立式电机

前已述及，电机轴承外圈和轴承室之间的摩擦是阻碍轴承外圈跑圈的重要因素。但是对于立式电机而言，如果没有外界的径向负荷，轴承外圈和轴承室之间就不会有足够的正压力以形成摩擦力阻止外圈跑圈。因此在立式电机中通常建议轴承外圈与轴承室选择相对于卧式电机紧一个级别。有时候还需要使用O形圈等防止外圈跑圈的额外措施。

5.对于外转式电机

对于外转式电机，轴承内圈外圈受力状况与内转式相反，因此选择原则也需要做相对调整。

通常情况下，旋转的轴承圈是紧配合；非旋转的轴承圈是过渡配合（内转子式电机的轴承内圈和外转子式电机轴承外圈是旋转圈，因此是紧配合；其相对应的另一个轴承圈为过渡配合）。

（三）电机轴承公差配合的选择建议

一般而言，轴承是标准件，因此要实现上述的配合就需要对轴以及轴承室的公差进行选择。具体的选择建议可以参见表3-2和表3-3（表中，P为当量负荷，单位为N；C为额定动负荷，单位为N）。

二、电机轴及轴承室的形状位置公差

电机轴及轴承室的形状位置公差（简称形位公差），对电机轴承的最终影响十分大。形位公差不良会引起各种电机轴承的问题。

电机轴承部位的形位公差不良带来的最大影响就是电机的噪声问题（在第七章电机运行中的轴承噪声与振动分析相关内容有详细阐述，该部分同时也给出了电机噪声的测量方法和相关标准）。

另外，有些电机轴承跑圈现象出现之后，通过直接测量相关部件尺寸公差未发现超差时，就应该对形位公差进行测量和判断。

关于电机轴承部位形位公差的选择可以参考表3-4（其中“特殊需求”指相对于运行精度或者均衡支撑而言。参见图3-34）。