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关于轴承预紧模式和轴承刚度问题

发布时间:2021-11-26 15:26:02

  轴承是机械旋转的重要组成部分,其刚度和工作温度将直接影响机械运行中的轴承效率。为了提供轴承的旋转精度,增加轴承装置的刚度,降低机器工作时轴的振动,通常使用预加载滚动轴承,如机床主轴轴承。
轴承刚度是产生单位变形所需的力。
  滚动轴承的弹性变形很小,这在大多数机器中是不能考虑的。然而,在一些机器中,如机床主轴,轴承刚度是一个重要因素,在这种情况下,一般应选择圆柱滚子轴承和圆锥滚子轴承。由于这两种轴承在载荷作用下与滚道成直线接触,因此弹性变形小,刚度好。各种轴承也可以预加载,以增加支撑刚度。如角接触球轴承和圆锥滚子轴承,为了防止轴振动和增加支承刚度,在安装过程中经常预先施加一定的轴向力,使它们相互压缩。当然,预紧力不宜过大,这样会导致轴承摩擦增大,温度升高,影响轴承的使用寿命。
  所谓“预紧”是指在安装过程中以某种方式在轴承中产生并保持轴向力,以消除轴承中的轴向间隙,并在滚动体与内外环接触处产生变形。
  由于预紧力的作用,滚动体与内外环的接触面积会产生弹性变形,接触面积会增加,参与承载力的滚动体数量会增加。滚动元件可能在超过180度的范围内参与受力,有时甚至所有滚动元件可能在360度的范围内受到应力。这当然比几个滚动元件好,而且可以承受更多的负载。从以上讨论可以看出,当预加载轴承在相同载荷下时,其接触变形肯定小于未预加载轴承,因此可以提高轴承的支承刚度,同时可以补偿轴承在使用中的一定磨损。
  预紧轴承在工作载荷作用下,内外环的径向和轴向相对位移比未预紧轴承大为减小。对于带有定位预紧力的圆锥滚子轴承,预紧力由于挡边和滚子端面的磨合而减小,因此磨合一段时间后轴承温度相应下降。预紧力越大,压路机和加强筋磨合引起的温降越大。在恒压预加载下,即使发生磨合,轴承间隙(预加载)和轴向负载的实际水平也不会改变,因此轴承温度保持不变。
滚动轴承的预紧方法:
  1.定位预紧:组合轴承或预置内外环垫片的间距保持不变,使轴承能适当预紧。
由于轴承工作状态和外部环境的影响,轴承座尺寸和轴承零件也会相应变化,从而影响轴承的预紧状态。预加载有利于提高轴承的刚度,但应注意预加载对轴承性能的影响。
  2.恒压预压:是利用螺旋弹簧、蝶形弹簧等弹性元件,使轴承在支承中得到适当的预压。恒压预紧时,轴承在正常工况下的运动不会影响预紧力,但轴承的刚度等级较低,因此适用于高速旋转场合,但不适用于要求高刚度的轴承应用,可能发生轴承方向改变或不确定的冲击载荷。
  1.预载的影响
  随着预紧力的增加,轴承的径向、轴向和角向刚度略有增加,但影响很小。与定位预压相比,这对恒压预压的影响更为显著。原因是预紧力的增加使内外环接触角增大,同时也使接触载荷增大,从而使径向、轴向和角刚度增大。然而,预紧力引起的接触载荷和接触角的变化小于转速和零件位移引起的接触载荷和接触角的变化,因此对轴承刚度的影响是有限的。这也是定位预载变化小于恒压预载变化的原因。
  2.滚道曲率半径的影响
  随着内外滚道曲率半径的增大,径向、轴向和角向刚度均减小,但这种影响很小,只是在定位预载作用下刚度的变化稍明显,这是由于滚道曲率半径的增大和接触变形的增大所致。因此,曲率半径对刚度的影响可以忽略。
  3.球数的影响
  在定位预加载条件下,随着钢球数量的增加,径向、轴向和角向刚度略有增加。但在相同的预载荷下,接触载荷随着球数的增加而减小。
  在恒压预压条件下,随着钢球数量的增加,径向刚度略有增加。当转速增加到一定值时,轴向刚度和角刚度减小,但变化很小。这是因为在恒压预压条件下,虽然内圈的接触载荷减小,但内圈的接触角随着钢球数的增加而减小。这导致径向刚度增加,而轴向刚度和角刚度降低。
  因此,当钢球数量增加时,预载应相应增加。只有当接触载荷相同时,才能通过增加滚珠的数量来增加轴承的刚度。
  4.球径的影响
  在定位预加载条件下,随着钢球直径的增大,径向、轴向和角向刚度略有增加。钢球直径的增大使钢球的离心力增大,外圈的接触角减小,内圈的接触角增大,但同时内外环的接触载荷增大。这导致轴承刚度增加。定位预压下,离心力变化对接触载荷的影响较小,因此球径变化对刚度的影响很小。
  在恒压预压条件下,随着钢球直径的增大,径向刚度增大,轴向刚度和角向刚度减小,但影响不大。这是因为钢球直径的增大增大了钢球的离心力,内外环的接触角减小,外圈的接触载荷增大,而内圈的接触载荷基本相同,所以径向刚度增大,而轴向刚度和角刚度略有减小。
  因此,减小钢球直径不仅可以提高速度性能,而且不会降低刚度性能。实践证明,减小小球直径是主轴轴承的发展方向之一。
  5.初始接触角的影响
  在定位预压条件下,随着初始接触角的增大,径向刚度显著减小,轴向刚度和角刚度显著增大。这是由于初始接触角的增大,在相同的预载荷下,接触刚度的径向分量减小,轴向分量增大,接触载荷减小。
  在恒压预压条件下,随着初始接触角的增大,径向刚度显著减小;低速时,轴向刚度和角刚度增加,而高速时,没有变化。这是因为在恒压预压下,内圈和外圈允许轴向位移,为了保持力平衡,外圈接触角几乎接近0,初始接触角对外圈接触角没有影响。同样,随着初始接触角的增大,在相同的预载荷下,接触载荷减小。
  因此,在定位预加载下增加初始接触角可以提高轴向刚度和角刚度,而在恒压预加载下增加初始接触角可以降低径向刚度。

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