滾動軸承徑向游隙標準的演變

張博文，奚強，杜曉宇，章元軍

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039；4.西安交通大學 經濟與金融學院，西安 710061)

游隙是滾動軸承配合的一個重要技術參數，影響軸承的載荷分布、振動噪聲、溫升、使用壽命和機械運轉精度等性能。游隙過大，承載滾動體數減少，接觸應力增大，軸承承載能力降低，軸承運轉精度降低，振動和噪聲增大，使用壽命減小；游隙過小，軸承摩擦加劇，溫度升高，使用壽命降低，甚至使軸承在運轉中發生抱軸咬死現象。軸承游隙分為徑向游隙和軸向游隙，二者均有相關標準，下文對滾動軸承徑向游隙標準的演變過程進行介紹。

1 一般軸承徑向游隙標準

1.1 采用前蘇聯標準

我國最早的滾動軸承徑向游隙相關標準頒布于1958年,該標準為局頒標準汽37—1958《向心球和滾子軸承徑向游隙》，其技術內容大部分采用前蘇聯標準。1961發布了局頒標準汽37—1961《單列向心球軸承的原始徑向游隙》和《單列向心球軸承的原始徑向游隙 輔助組4,5,6,7和8》，這2個標準中將單列向心球軸承的徑向游隙分為檢查徑向游隙(在規定的檢查載荷作用下測得的徑向游隙)和計算徑向游隙(無載荷時的徑向游隙)。《單列向心球軸承的原始徑向游隙》規定了內徑為2.5～180 mm的單列向心球軸承基本組(0組)以及輔助組(1～3組)的徑向游隙值；《單列向心球軸承的原始徑向游隙 輔助組4,5,6,7和8》規定了內徑為 2.5～80 mm單列向心球軸承輔助組(4～8組)的徑向游隙值。除游隙值外，標準也給出了徑向游隙的標注和測量方法，標注規則為：對于徑向游隙為基本組的軸承，不標注游隙代號；對于精度為普通級，游隙為1組、2組和3組的軸承，軸承的游隙組別代號標注在精度等級代號右邊；其他軸承游隙組別代號標注在精度等級代號左邊。

以局頒標準汽37—1958為基礎，同時參考局頒標準汽37—1961，1968年制定了機械部標準Q/Z 6—1968《單列向心球軸承 徑向游隙》以及Q/Z 7—1968《單列向心短圓柱滾子軸承 徑向游隙》。與汽37—1961相比，Q/Z 6—1968和Q/Z 7—1968擴大了尺寸范圍、修改了徑向游隙的標注方法并刪掉了游隙的計算公式。

汽37—1961中僅規定了內徑為 2.5～180 mm軸承的徑向游隙，而國內批量生產的軸承內徑已達到340 mm，而國外(如捷克和前東德)游隙標準的尺寸范圍達到500 mm。為滿足生產和使用要求，Q/Z 6—1968將尺寸范圍擴大到內徑為2.5～450 mm，其中內徑為2.5～180 mm的軸承的檢查游隙與測量載荷與前蘇聯標準OH2—1957一致，對于內徑為200～450 mm的軸承，國內當時沒有合適的檢測儀器，故只列出了無載荷時的檢查游隙值，其游隙值與前東德和捷克的標準一致。Q/Z 6—1968在附錄中規定了軸承的計算游隙值，游隙值并未采用汽37—1958和汽37—1961的標準，而是根據ISO/R 201—1961 Radial ball bearings—Radial clearance給出了內徑為 2.5～180 mm軸承的計算游隙值，而內徑為200～450 mm軸承的計算游隙值則根據ISO/R 201—1961中所列數值的相互關系推算。為了驗證該標準中檢查游隙值的合理性，對國內外單列向心球軸承的徑向游隙進行實測對比，國外軸承游隙比國內要大，其中SKF，FAG和RIV(意大利)公司的軸承尤為明顯。國內外軸承的實際游隙與該標準游隙的對比見表1。

表1 國內外軸承實際游隙與Q/Z 6—1968標準的對比

由表1可知，國內直屬軸承廠以及國外軸承公司的實測游隙基本符合標準，國內地方軸承廠由于缺少徑向游隙測量儀器，實測游隙與標準有一定差異。對于軸承內徑為 2.5～180 mm(前蘇聯標準OH2—1957與ISO/R 201—1961未給出內徑為200 mm以上軸承的游隙)范圍內的基本組游隙值，該標準與前蘇聯OH2—1957標準完全一致，與ISO R201—1961相比，在相同測量載荷下的基本組游隙，除個別尺寸段的最小或最大游隙值有1 μm的差別外，二者其他尺寸段的基本組游隙一致。

對于軸承徑向游隙的組別代號和標注方法，國際上沒有統一的規定，徑向游隙組別代號主要有2種形式，前東德、日本以及FAG,SKF等公司采用字母C并在其后添加阿拉伯數字來表示輔助組游隙代號，基本組游隙在標注中一般省略，未規定相應的代號；而一些國外、國際標準中直接使用阿拉伯數字來表示徑向游隙組別代號，見表2。為便于標準的推廣，Q/Z 6—1968參考ISO/R 201—1961中代號的規定，將基本組的組別代號規定為0，輔助組的代號為2,3,4。

表2 國外、國際標準中徑向游隙的組別代號

世界各國對徑向游隙代號的標注主要有2種形式，前西德、前東德、瑞典、瑞士以及日本等國家的標注方法為：徑向游隙為基本組時不標注游隙代號，游隙為輔助組時將代號標注在軸承基本代號右邊，而捷克和前蘇聯的標注方法為：徑向游隙為基本組時不標注游隙代號，游隙為輔助組時將代號標注在軸承基本代號左邊。Q/Z 6—1968中對標注的規定與第2種標注方法基本一致，僅增加了軸承為G級精度時，應同時標注出精度等級代號G與徑向游隙組別代號這一規定。

1.2 采用國際標準

1981年，國際標準化組織ISO/TC 4正式發布了ISO 5753—1981 Rolling bearings-Radial clearance，我國在等效采用該國際標準的基礎上增加了部分內容， 1984年通過了國家標準GB/T 4604—1984《滾動軸承 徑向游隙》。ISO 5753—1981中規定了向心球軸承、調心球軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承和調心滾子軸承的徑向游隙，其游隙值主要參考了ISO/R 201—1961，ISO/R 465—1965 Self aligning roller bearings—Radial clearance，ISO/R 1038—1969 Cylindrical roller bearings—Radial clearance和ISO/R 1646—1970 Self-aligning ball bearings—Radial clearance，這4項標準規定了4個組別的徑向游隙，依次為2組、基本組、3組和4組，而在實際生產中有時需要選用比第4組更大的游隙，故而在ISO 5753—1981中增加了第5組游隙，游隙值主要根據國外標準以及一些國外公司樣本得來。ISO 5753—1981中調心滾子軸承、圓柱滾子軸承和調心球軸承的前4組徑向游隙仍與ISO/R 465—1965,ISO/R 1038—1969,ISO/R 1646—1970中的規定一致，而向心球軸承的徑向游隙與ISO/R 201—1961有較大改動，ISO/R 201—1961中規定了向心球軸承徑向游隙的制造極限值和接收極限值，而ISO 5753—1981中僅給出了一種游隙值作為接收極限。ISO/R 1038—1969中規定了內徑d<200 mm的圓柱孔圓柱滾子軸承的徑向游隙，每一組游隙又分為可互換與不可互換兩欄，對于前者，套圈混雜配對之后仍采用該游隙值，對于后者，軸承配套交貨時采用該游隙值。同一尺寸段的圓柱孔圓柱滾子軸承不可互換一欄的游隙范圍比可互換一欄要窄，其最小值比可互換一欄的最小值大10 mm或15 mm，其最大值比可互換一欄的最大值小10 mm或15 mm(內徑為24～30 mm軸承游隙的不可互換一欄最大值比可互換一欄小5 mm)。ISO 5753—1981將圓柱孔圓柱滾子軸承徑向游隙的尺寸范圍擴大至內徑為450 mm。在當時國際上并沒有成熟的滾針軸承徑向游隙標準，僅FAG公司的樣本中規定了NA結構(有內外圈和保持架)滾針軸承的徑向游隙采用圓柱滾子軸承不可互換一欄的游隙值，前西德將這一規定作為意見提交至ISO/TC 4并采納。

ISO 5753—1981中沒有規定徑向游隙的標注，原因是各國對標注的規定差異較大，若統一規定，不便于實際生產的使用，我國國家標準GB/T 4604—1984在采用此國際標準的基礎上，增加了對徑向游隙標注的規定，游隙的組別代號與JB/T 2351—1978《球軸承 徑向游隙》、JB/T 2353—1978《滾子軸承 徑向游隙》標準以及國外公司樣本的對比見表3。

表3 國內外標準中徑向游隙的代號

除游隙標注外，GB/T 4604—1984還在ISO 5753—1981的基礎上增加了對雙列圓柱滾子軸承游隙的規定。當時ISO/TC 4對該類軸承的游隙還沒有形成統一的意見，也沒有對應的ISO標準，國外標準中也僅DIN 620—1968中有相關內容，DIN 620—1968將此類軸承的游隙分為C1，C2，0，C3，C4共5個組別，其游隙值根據單列圓柱孔圓柱滾子軸承的游隙確定，僅在后者的基礎上加寬了游隙帶。FAG,SKF公司采用了DIN 620—1968對雙列圓柱滾子軸承游隙的規定，FAG公司還增加了C5組游隙。雖然樣本中對各個組別的游隙值均做了規定， FAG公司在圓錐孔雙列圓柱滾子的制造中只采用C1組游隙，而SKF公司除通常按C1組游隙制造外，也可按C2組游隙制造。JB/T 2353—1978中將雙列圓柱滾子軸承的游隙分為3個組別，依次為2組、0組和3組，其第3組游隙值與DIN 620—1968,FAG和SKF的C2組游隙值基本相同，第0組游隙的最大值與后者C1組的最大值相差不多，但最小值比后者C1組的最小值要小。而第2組游隙值與當時FAG和SKF的圓柱孔圓柱滾子軸承C1組游隙近似，游隙的范圍較窄，這就要求滾子和滾道必須有較高的精度等級，在設計和工藝上都合適，故GB/T 4604—1984采用了DIN,FAG和SKF的C1，C2組游隙值，以附錄形式列于標準中。

1991年，ISO/TC4對ISO 5753—1981進行了修訂并發布了ISO 5753:1991，此次修訂中圓柱滾子軸承(單列)的游隙改動較大，首先是取消了該類軸承可互換與不可互換的區別，前西德等國提出：圓柱滾子軸承套圈雖然可互換，但軸承裝在不同設備的軸或外殼內，沒有相應的措施保證可互換性，并且在使用中并不能改善機械的性能，要求軸承可互換反而會帶來對套圈分組生產和分選測量的大量額外工作，增加生產成本，此次修訂對圓柱滾子軸承的徑向游隙重新進行了規定，采用一種游隙值替代原來的可互換和不可互換2種游隙值，在此過程中，前西德提供了詳細的游隙值計算說明材料，日本、英國和美國也提出了自己的建議，ISO/TC4綜合各國意見最終決定第2～4組游隙值采用前西德的建議，第5組游隙采用英國的建議。新標準中的游隙值比ISO 5753—1981中可互換的游隙范圍窄，比原不可互換的游隙范圍寬，而且仍適用于滾針軸承。另外，ISO 5753:1991將原國際標準中的向心球軸承改為深溝球軸承，因為外球面球軸承也屬于向心球軸承但是其游隙規定在ISO 9628中，同時根據中國等6個國家的意見，將尺寸范圍擴大至1 250 mm。除此之外，還將已經失去使用意義的基本組改為N組。

1994年，我國等效采用了ISO 5753:1991并轉化為我國國家標準GB/T 4604—1993。雖然ISO 5753:1991將基本組改為N組，我國仍將基本組規定為0組，原因是若使用N組，必將影響軸承的標注，可能與公差等級代號標注矛盾。此外GB/T 4604—1993沿用了GB/T 4604—1984中的規定，而ISO 5753:1991中未規定機床用雙列圓柱滾子軸承徑向游隙。GB/T 4604—1984已經實施多年，生產廠家和用戶已經廣泛采用和認同雙列圓柱滾子軸承的游隙值，根據生產廠家要求，本部分內容未進行修改。德國標準DIN 5412/4也沿用了DIN 620/4—1968中雙列圓柱滾子軸承徑向游隙這一部分內容，FAG公司在實際生產中也一直采用著這2項標準中的游隙值。此外，有關標注的內容GB/T 4604—1993中不再列出，而是在代號方法標準中進行規定。

2001年，ISO/TC4對ISO 5753:1991進行了確認，之后我國修改并采用了該國際標準，并于2006年發布了GB/T 4604—2006。與GB 4604—1993相比，除標準格式外，主要修改了徑向游隙的定義以及滾針軸承的徑向游隙。GB/T 4199—2003對徑向游隙的定義進行了規定，GB/T 4604—2006引用了這一定義。由于重系列滾針軸承已淘汰，相關標準也已作廢，故本標準刪除了有關重系列滾針軸承的敘述。

2009年，ISO/TC4對ISO 5753:1991進行了修訂，將標準分為2部分：ISO 5753-1:2009 Rolling bearings—Internal clearance—Part 1:Radial internal clearance for radial bearings和ISO 5753-2:2009 Rolling bearings—Internal clearance—Part 2:Axial internal clearance。ISO/TC4根據各成員國意見，在ISO 5753:1991的基礎上增加了圓柱孔和圓錐孔長弧面滾子軸承、圓錐孔圓柱滾子軸承的徑向游隙值，擴大了深溝球軸承、調心球軸承、圓柱滾子軸承和滾針軸承的尺寸范圍。

長弧面滾子軸承最早僅SKF公司生產，后來INA，FAG和Timken公司也陸續開始生產，所以有必要在標準中規定其徑向游隙值。當時SKF公司將圓柱孔長弧面滾子軸承的徑向游隙分為C1組、C2組、常規組、C3組、C4組和C5組6個組別，圓錐孔長弧面滾子軸承的徑向游隙分為C2組、常規組、C3組、C4組和C5組5個組別，在此基礎上，ISO 5753 1:2009中圓柱孔長弧面滾子軸承的徑向游隙刪去了C1組，保留了其他5個組別，圓錐孔長弧面滾子軸承的徑向游隙分組與SKF公司一致，在游隙值上，ISO 5753 1:2009與SKF公司基本一致，徑向游隙的最小值比SKF小，最大值比SKF大。

根據英國等成員國的建議，ISO 5753 1:2009擴大了一些軸承的內徑尺寸范圍(表4)，以滿足市場需求。

表4 ISO 5753新舊標準尺寸范圍對比

2012年，我國等同采用了ISO 5753 1:2009并轉化為國家標準GB/T 4604.1—2012，與GB/T 4604—2006相比，刪除了原標準附錄A機床用雙列圓柱滾子軸承徑向游隙，原因是該部分內容已列入GB/T 27559—2011《滾動軸承 機床主軸用圓柱滾子軸承》。此外，GB/T 4604.1—2012中將基本組組別代號由原來的0組改為N組，已與國際標準一致。

2 外球面球軸承徑向游隙標準

國家標準GB/T 4604.1—2012中的徑向接觸溝型球軸承徑向游隙并不包含外球面球軸承，原因是雖然外球面球軸承基本結構形式與深溝球軸承類似，但其安裝方式與深溝球軸承有較大差異，其徑向游隙值一般比相同尺寸的深溝球軸承要大。早在1991年，軸承行業專門制定了標準JB/T 5304—1991，規定了圓柱孔和圓錐孔外球面球軸承的2組、基本組和3組3個組別的徑向游隙值。其中圓柱孔外球面球軸承基本組徑向游隙的最小值以GB/T 4604—1984表1中基本組的平均游隙為基礎確定，基本組徑向游隙最大值為GB/T 4604—1984表1中3組的最大值；2組、3組分別與GB/T 4604—1984表1中的0組、4組游隙值一致。而圓錐孔外球面球軸承的基本組、2組、3組徑向游隙分別與GB/T 4604—1984表1中4組、基本組、5組游隙值一致。2007年，根據當時外球面球軸承的生產需要，將JB/T 5304—1991修訂為JB/T 5304—2007，增加了對兩端平頭結構外球面球軸承以及非標外球面球軸承徑向游隙的規定。

國際標準ISO 9628:1992 Rolling bearings—Insert bearings and eccentric looking collars—Bouodary dimensions中僅規定了2系列圓柱孔外球面球軸承的N組和3組徑向游隙值，2006年對該標準進行了修訂，擴大了尺寸段。

2010年，我國在JB/T 5304—2007的基礎上制定了GB/T 25766—2010《滾動軸承 外球面球軸承 徑向游隙》。標準中沿用了JB/T 5304—2007中對圓柱孔和圓錐孔外球面球軸承的2組、基本組和3組游隙值的規定，僅將組別代號基本組改為0組。除此之外，刪去了對兩端平頭結構外球面球軸承游隙的規定。

3 結束語

1958年至今，徑向游隙標準經歷了多次修訂(表5)，標準適用的軸承類型由最初單一的單列向心球軸承發展到現在的多種類型，尺寸范圍也逐漸增大，適用范圍越來越廣。隨軸承行業的發展，軸承的類型、工況越來越多樣化，尺寸范圍也越來越廣，這些都會影響到游隙的選取。風力發電機偏航變槳軸承若采用正游隙則會因為沖擊載荷而影響壽命，故而一般選擇零游隙或負游隙。而對于同樣應用于風力發電機的發電機組主軸軸承，除雙列圓錐滾子軸承(45°接觸角)采用零游隙或負游隙外，其他結構多采用正游隙。1代、2代轎車輪轂軸承一般采用正游隙，但3代轎車輪轂軸承由于其結構特點，多采用負游隙。

表5 滾動軸承徑向游隙標準發展歷程

今后滾動軸承徑向游隙的標準在修訂時，應考慮以下幾點：首先是增加軸承類型，以滿足生產需求，雖然目前一些結構或工況特殊的軸承在其設計手冊或產品標準中給出了游隙值，但仍應有一個相對完整、成系列的規定，以指導和引領行業發展；其次是擴大各類型軸承的尺寸范圍，使各尺寸的軸承產品在選擇游隙時有據可依；還要增加對負游隙的規定，目前一些產品標準中僅說明應采用負游隙，但對具體的游隙值未作出規定。