18.1.1 滚动轴承：结构与分类
基本结构与材质
滚动轴承（Bearing）在日常生活中非常常见，比如滑板车的轮子这类承力转动的地方。其基本功能是降低转动部位的摩擦，提高效率，以及支承轴及轴上零件，并保持轴的旋转精度。显而易见的是，轴承有着能够发生相对转动的内圈和外圈。除了这两部分，拆开后能看到内部还有滚动体（最常见的是一个个小滚珠）和保持架。这就是轴承的四个基本组成部分。除此之外很多轴承都有防尘盖，将滚动体保护起来。
外圈、内圈、滚动体、保持架
图片来源：NSK官网
滚动体的作用是将内外圈之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，是滚动轴承最核心的部件。滚珠的形状、大小和数量可以直接影响轴承的承载能力。保持架的作用很简单，就是让这些滚动体在运动过程中不会相互碰触，且使其呈沿圆周呈均匀分布，优化整体的负载状况。在内圈和外圈上都开有凹槽滚道，和滚动体表面相契合，降低接触应力，并限制滚动体轴向移动。
常见滚动体类型（分为球和各种滚子）
滚动轴承的内外圈、滚动体材质一般为高碳铬轴承钢（GCr15）或渗碳轴承钢（G20Cr2Ni4A）制成，热处理后硬度一般不低于60HRC。经过150°C回火处理后，硬度在120°C工作条件下不会下降。保持架分两种，冲压保持架由低碳钢板冲压制成，而实体保持架则由铜/铝合金或塑料切削制成。
此外，也有其他材质的轴承，如POM/PA/PEEK等工程塑料以及全陶瓷轴承。塑料轴承质量轻、不生锈，部分可耐高温，且可自润滑，满足了不能运用润滑油的工程状况需要，如：食品机械、医疗设备等。陶瓷轴承（Si3N4、ZrO2、Al2O3等）的耐腐蚀性使得其可以工作在一些特殊的化工设备中，其电磁绝缘性也使得其被广泛应用在核磁共振设备以及半导体制造设备当中。陶瓷轴承的缺点就是抗冲击性能较差。
三个基本特性
公称接触角
轴承滚动体受力作用线与垂直于轴承轴线平面的夹角。公称接触角越大，越能够承受轴向载荷。如下图所示，比较容易理解。
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公称接触角α
游隙：
通俗点来说，内圈和外圈的中心轴线和端面不可能完全重合，而是有一定的游动空间，这个很小的间隙就是游隙。游隙直接影响支承运转精度、轴承内载荷分布、振动和噪声以及支承刚度，是一个至关重要的指标。
轴承游隙对寿命的影响
图片来源：SKF官网
后续对轴承进行安装、调整时都会使得轴承的游隙发生变化，如过盈配合会使得径向游隙减少；轴承在工作时，外载和温度变化也会导致轴承的变化。在大部分情况下，轴承需要一定程度的游隙。然而，在某些情况下，可能需要预紧，即负游隙。总之，游隙有非常复杂的影响因素，想要获得非常理想的游隙需要一套严谨的工程办法。
轴承游隙对寿命的影响
偏差角
内外圈滚道轴线之间的相对倾斜率为偏差角。轴承允许的偏差角越大，调心能力（弥补同轴度误差的能力）越强。
分类
滚动轴承按照滚动体类型可分为球轴承和滚子轴承两大类。而按照公称接触角（可以承受载荷的方向）分为下面两大类：
-
向心轴承：主要承担径向载荷，公称接触角 0°≤ α ≤45°
-
推力轴承：主要承担轴向载荷，公称接触角 45°≤ α ≤90°
深沟球、角接触球、推力球以及圆锥滚子轴承
常见轴承类型（加粗为我们最常用的轴承）：
| 轴承类型 | 类型代号 | 额定动载荷比 | 一般特性 |
|---|---|---|---|
| 调心球轴承 | 1 | 0.6~0.9 | 承载能力较小，主要承受径向载荷，可承受少量轴向载荷，不宜承受纯轴向载荷；调心性好，可补偿同轴度误差 。 |
| 调心滚子轴承 | 2 | 1.8~4 | 承载能力较大，主要承受径向载荷，可承受任一方向轴向载荷，不宜承受纯轴向载荷；调心性好，可补偿同轴度误差。 |
| 圆锥滚子轴承 | 3 | 1.5~2.5 | 能承受单向轴向载荷，一般成对使用。 |
| 推力球轴承 | 5 | 1 | 承载能力较低，单向推理球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，双相可以承受两个方向；不能承受径向载荷！ |
| 深沟球轴承 | 6 | 1 | 承载能力较低，主要承受径向载荷，同时也可承受一定的轴向载荷，摩擦系数小，极限转速高；最最常用的一种轴承。 |
| 角接触球轴承 | 7 | 1~1.4 | 承载能力较大，可同时承受轴向载荷，与径向载荷，可承受纯轴向载荷；单个使用时只能承受一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时会引起附加轴向力，一般成对使用使得轴向力相平衡。极限转速高。 |
| 推力圆柱滚子轴承 | 8 | 1.7~1.9 | 承载能力较大，可承受单向轴向载荷。 |
| 圆柱滚子轴承 | N/NU/NJ | 1.5~3 | 径向承载能力较大，不可承受轴向载荷。 |
更多参考： NSK文档:滚动轴承综合样本.pdf
轴承选择时候的考量
载荷的方向、大小和性质
选择轴承时最首要也是最直观的要素。在做设计时，需要思考每个部位需要承受载荷的方向与大小。如果不承受径向载荷，只是做支撑，可以用推力球轴承或者推力滚针轴承（更节约轴向空间）。RM机器人有一些部位既承受径向载荷，也承受轴向载荷（通常轴向载荷较小），大部分情况选用深沟球轴承就已经能够满足要求。对一些轴向载荷更大的情况，就需要用到角接触球轴承了（一般成对安装），如连接云台与底盘的yaw轴轴承，在飞坡落地时会受到比较大的轴向/径向冲击和倾覆力矩。另外圆锥滚子轴承也可以起到类似的作用。
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角接触球轴承
前文中没有介绍到一种特殊的交叉滚子轴承，在上交2020开源步兵的云台Yaw轴处使用。交叉滚子轴承内部采用圆柱滚子或者圆锥滚子在单一的滚道上十字交叉相互排列，使得单个轴承就可以很好地承受轴向双向与径向的载荷以及倾覆力矩。与传统轴承相比，交叉滚子轴承刚度提高了3~4倍，同时尺寸又能够进行薄壁化、小型化，在工业机器人或者加工中心上广泛应用。但由于其价格十分昂贵，故我们不常使用。
交叉滚子轴承
刚度要求
一般滚子轴承刚度大，球轴承刚度较小。角接触球轴承和圆锥滚子轴承通过预紧可以提高支承刚度。
转速要求
一般轴承的工作转速需要低于极限转速。深沟球、角接触球、圆柱滚子轴承的极限转速比较高；推力轴承的极限转速就比较低。
支承限位要求
支承形式有固定、单向限位以及游动。这一点详见后面的轴系设计。在RM机器人中少见大轴向载荷的情况。
调心性能
在同轴度较低或轴的挠度较大时，应采用调心性能好的轴承。
安装与拆卸
采用内外圈可以分离的轴承便于拆卸，如圆锥滚子轴承、滚针轴承。