在任何旋轉機械中，力量很少純粹地朝一個方向作用。泵葉輪沿軸向推動流體，同時在徑向支撐軸的重量；螺旋齒輪傳動產生分離力和推力；車輛輪轂軸承必須在支撐底盤重量的同時吸收轉彎推力。未能正確描述這些力量——並選擇一種在運動學上能夠支撐它們的軸承類型——會導致過度磨損、過熱和災難性故障。本文澄清了徑向和軸向負載之間的區別，並提供了一種系統的方法來將力的方向映射到最合適的軸承配置上。.
1. 定義徑向和軸向負載
- 徑向負載 (Fr) 垂直於軸中心線作用。它可以來自軸的重量、皮帶張力、齒輪分離力或不平衡。徑向力量試圖將軸推向側面。.
- 軸向負載 (Fa) , 也稱為推力負載，平行於軸中心線作用。常見來源包括螺旋槳推力、螺旋齒輪力、傾斜輸送機和泵或渦輪中的壓力差。軸向力量試圖沿著軸向移動軸。.
在實際應用中，大多數情況結合了這兩個負載組件。工程分析必須量化 Fr 和 Fa 在整個工作週期中的名義值——包括啟動-停止、過載和瞬態條件——然後才能進行任何選擇。.
2. 軸承類型如何對負載方向作出反應
滾動軸承設計用來接受基於其滾道和滾動元件幾何形狀的特定負載方向。選擇與負載向量不兼容的類型是一個基本錯誤，無法通過過度增大來補償。.
| 軸承類型 | 純徑向承載能力 | 軸向承載能力（單方向） | 軸向承載能力（雙方向） | 備註 |
|---|---|---|---|---|
| 深溝球軸承 | 優秀 | 中等 | 中等（雙向） | 最具多功能性的選擇；在非常高的速度下，軸向承載能力會減少。. |
| 圓柱滾子軸承（NU/N設計） | 非常高 | 無 | 無 | 除非配備導向唇，否則無法承受軸向負載（NJ、NUP 設計提供有限的單向軸向定位）。. |
| 角接觸球軸承 | 良好 | 高（單向） | 僅在成對排列中（面對面、背對背或串聯）。. | 接觸角（15°、25°、40°）決定軸向容量比。. |
| 錐形滾子軸承 | 高 | 非常高（單向） | 需要成對以承受雙向軸向負載。. | 高效容納合併負載；本質上可分離以便於安裝。. |
| 球面滾子軸承 | 非常高 | 中等（雙向） | 已經是雙向的。. | 偏差容忍度是一個主要的額外好處。. |
| 推力球軸承 | 無 | 高（單向） | 雙排設計的雙向。. | 專為軸向負載設計；不得承受徑向負載。. |
| 推力圓柱形/球面滾子軸承 | 無 | 極高（單向） | – | 用於重型純推力應用，如擠出機或垂直軸。. |
| 四點接觸球軸承 | 限制的徑向容量 | 高（雙向） | 已經是雙向的。. | 在某些應用中，通過替換兩個角接觸軸承來節省空間。. |
上表形成初始過濾矩陣：軸承類型必須在物理上能夠處理應用中存在的負載方向。只有在通過此過濾器後，才能進行壽命和靜態安全計算。.
3. 組合負載和等效動態負載
當存在徑向和軸向負載時，這兩個組件結合成一個 等效動態負載 P，可以與軸承的目錄動態負載額定值 C 進行比較。ISO 281 定義了徑向軸承的一般公式：
P = X · Fr + Y · Fa
因素 X（徑向因素）和 Y（軸向因素）取決於軸承類型，並且至關重要的是取決於比率 Fa / Fr。承受小軸向力的深溝球軸承與在主導推力負載下的同一軸承行為非常不同。製造商目錄提供詳細的表格，為不同接觸角和間隙等級指定 X 和 Y。主要的選擇理念是：
- 當 Fa / Fr 很小 （主要是徑向），深溝球軸承或圓柱滾子軸承可能是最佳選擇。.
- 當 Fa / Fr 中等到高, 時，角接觸球軸承或錐形滾子軸承變得必要，以有效承載軸向組件。.
- 當 Fa / Fr 非常大 （幾乎純推力），必須引入專用推力軸承，並且必須由單獨的徑向軸承提供徑向支撐。.
此比率不僅定義了軸承類型，還定義了所需的接觸角。對於角接觸軸承，40°的接觸角可以承載約兩倍於同一尺寸的15°軸承的軸向負載——代價是較低的速度能力。錐形滾子軸承由於其錐角本質上提供了高的力比。.
4. 應用驅動的選擇示例
案例 A – 電動機（水平，V帶驅動）
- 帶張力產生一致的徑向拉力；轉子不會在推力下軸向定位。.
- 推薦類型： 驅動端的深溝球軸承用於承受合併負載能力；非驅動端的圓柱滾子軸承（NU）允許熱軸膨脹，同時承受純徑向負載。.
案例 B – 螺旋齒輪減速器輸出軸
- 螺旋驅動產生巨大的軸向推力，並與齒輪分離的徑向負載一起作用。.
- 推薦類型： 配對的錐形滾子軸承以背對背或面對面方向排列，以處理高合併負載並提供剛性軸定位。或者，使用一個球面滾子推力軸承來承受純推力部分，加上一個圓柱滾子軸承以提供徑向支撐。.
案例 C – 垂直泵浦帶葉輪向下推力
- 啟動時的向上液壓推力，穩定運行時的向下推力；徑向負載最小。.
- 推薦類型： 配對的角接觸球軸承（通常為 40° 接觸角）安裝以接受雙向推力，並由上方的深溝球軸承支撐以提供徑向穩定性。在較大的泵中，優先使用雙向推力球軸承或球面滾子推力軸承。.
案例 D – 頂部輸送機小車輪
- 來自重量的純徑向負載；側向導向力最小且間歇性。.
- 推薦類型： 深溝球軸承具有 C3 間隙和接觸密封，以適應輕微的軸偏移並防止污染物進入。只有當徑向負載需求超過球軸承的靜態容量時，才使用圓柱滾子軸承。.
5. 負載方向的特殊考量
- 雙向軸向負載 只有在軸承設計允許的情況下，才能由單一軸承類型承受（例如，深溝球軸承、雙排角接觸軸承、四點接觸軸承、球面滾子軸承）。否則，必須配對兩個單向軸承並預加載以消除內部間隙並避免球滑動。.
- 短期負載 由懸臂力造成的不均勻軸向和徑向分佈會在軸承組中產生。在這些情況下，兩個軸承之間的距離（間距）及其負載能力必須一起計算——單一超大軸承很少能解決短期問題。.
- 速度和潤滑與負載選擇相互作用。. 高速可能排除錐形滾子軸承，因為離心效應對滾子組的影響。即使原始負載數字有利於滾子軸承，角接觸球軸承或混合陶瓷深溝球軸承可能是唯一的選擇。.
6. 對應負載方向的軸承類型逐步檢查清單
- 確定所有力向量 在正常運行、啟動、關閉和過載期間作用於軸上的力。.
- 將力分為徑向和軸向分量, ，並計算每個運行階段的最大 Fr 和 Fa。.
- 確定主導負載模式： 純徑向、純軸向、徑向-軸向結合，或與顯著的力矩結合。.
- 過濾軸承類型 使用能力表（第 2 節）；消除任何無法物理適應軸向或徑向要求的類型。.
- 計算等效動態負載 P 使用適當的 X 和 Y 因子，根據所需的壽命 L10 選擇軸承尺寸。.
- 驗證靜態安全性 對於峰值衝擊或靜態負載，使用靜態等效負載 P0 和靜態負載額定值 C0。.
- 審查次要因素： 速度、溫度、潤滑、不對中和配合。如有必要，調整間隙等級或更改類型——例如，如果無法保證軸對中，則替換為球面滾子軸承。.
結論
徑向和軸向負載不是可互換的數字；它們決定了可以使用的軸承類型。忽視軸向分量會導致僅設計用於徑向力的軸承出現推力引起的故障，而在需要錐形滾子軸承的地方使用深溝球軸承會導致壽命縮短和剛度差。通過嚴格匹配負載方向和力比 Fa / Fr 與軸承的運動學架構，工程師創建出符合性能和耐用性目標的穩健旋轉組件。.