6 轴承的预紧与轴向位移 6. 定位预紧与定压预紧在承受载荷时, 为了尽量减小轴承位移, 便对机床主轴, 双曲面齿轮轴等的轴承施加预紧, 从而提高轴承的刚度 对轴承进行预紧, 通常有以隔圈等定位的方法 ( 定位预紧, 见图 ) 和以弹簧定压的方法 ( 定压预紧, 见图 2) 定位预紧对提高刚度的效果已录入产品样本中, 如图 所示, 施加, 则承受外力 ( ) 时产生的轴向位移为 定位预紧曲线图是按照相对的 2 套轴承 A B 的位移曲 轴承 A 轴承 A 图 定位预紧 弹簧 轴承 B 轴承 B 预紧力 弹簧位移曲线 轴承 A 的位移曲线 ( ) 由于弹簧刚度比轴承小得多, 故而, 呈现出几乎平行于横坐标的直线 线绘制而成的 相反, 定压预紧曲线图则是以预紧弹簧的位移曲线 ( 变为直线 ) 代替轴承 B 的位移曲线, 相 轴向位移图 4 定压预紧曲线图 对于轴承 A 的位移曲线绘制而成的 图 4 表示定压预紧曲线图 由于弹簧的刚度一般比轴承小得多, 故而, 弹簧的位移曲线是一 图 2 定压预紧 例 722A 条与横坐标基本平行的直线 因此, 通过定压预 紧提高刚度, 基本上就等于对单套轴承预先施加载荷 来提高刚度 图 5 是对轴承 722A 采用预紧法提高刚度进行对比的实例 轴承 B 的位 移曲 线 a 轴承 A 的位移曲线 轴向位移 98 N { kgf} 定压预紧 98 N { kgf} 定压预紧 预紧力 轴向位移图 定位预紧曲线图 图 5 不同预紧方式的刚度比较 4 4
6.2 定位预紧后轴承的载荷与位移将一组相同型号的球轴承或圆锥滚子轴承 2 套以上并为一组安装, 发挥功能, 叫组合轴承 组合轴承最常用的类型是单列角接触球轴承, 主要用于机床主轴等场所要求承载并尽量减少轴承位移的情况 双列组合分为背靠背 面对面及并列组合 种, 其组合代号分别为 DB DF DT( 见图 ) DB 及 DF 组合, 可以承受双向 DB 组合比 DF 组合作用点距离更远, 故而, 广泛应用于承受力矩载荷的情况 DT 组合虽然只能承受单向, 但 2 套轴承能平等分摊, 故而, 用于单向载荷较大的情况 在 DB 及 DF 组合轴承中, 通过预先加载和调整, 对组合轴承的预紧水平进行优选, 就能尽量将内 外圈的径向及轴向位移减少至所需范围之内 再者, 单凭 DT 组合并不能完成预紧 的大小, 可以利用图 图 5 改变轴承间隙 进行调整, 按大小标准分段 微载 (EL), 轻载 (L), 中载 (M), 重载 (H) 故而, 在需要严格控制轴的跳动与载荷引起的位移时, 广泛采用 DB DF 组合轴承 列组合也分为 种, 其代号分别为 DBD DFD DTD( 见图 2) 此外, 还有采用四列组合或五列组合的 组合轴承大都预紧以后使用, 的大小, 将会影响到因旋转引起的轴承温升 启动力矩 旋转力矩 噪声及轴承寿命等, 预紧必须适度, 切忌施加过大的 单列角接触球轴承承受 时, 其 通常可用下式求得 2/ =c () 式中,c 取决于各种轴承外型尺寸常数 图 是双列 DB 组合, 图 4 及图 5 是 列 DBD 组合的预紧曲线图 如图 所示, 当轴向紧固组合轴承内圈时,A B 轴承分别产生 A 与 B 位移, 内圈之间的游隙就将失去, 这是施加了 的状态 当外加 作用于该预紧轴承 A 侧时,A 侧进一步朝轴向位移,B 侧则减小等量的位移,A B 两侧的位移分别为 A =A +, B =B 即, 考虑预紧在内加于 A 侧的外力是包含 ( + ), 加于 B 侧的则是 ( ) A 侧 DBD B 侧 DB DF DT 图 2 列双联 DFD 图 2 列组合轴承 A 侧轴承位移曲线图 变位 DTD B 侧轴承位移曲线图变位 + A =A + B =B A B A B A 侧 B 侧 图 2 列 DB 组合轴承预紧曲线图 42 4
在预紧时,A 侧必须具备满足寿命要求及速度条件能够经受 ( + ) 的承载容量 见 6. 节表 ~ 表 7 方向 AA 侧 表 位移 A + + ' 在图 4 中, 当 加于轴承 AA 侧时, B 侧 B ' AA 侧 B 侧轴承的位移及如表 所示 表 2 在图 5 中, 当 加于轴承 A 侧时, A 侧 BB 侧的轴承位移及如表 2 所示 方向 A 侧 BB 侧 位移 A + B + ' ' 78C,78A 双列 DB 组合及 列 DBD 组合型轴承与大小相关的和轴向 位移的关系, 如图 6~ 图 所示 AA 侧 B 侧 a B 侧 套轴承的位移曲线 a AA 侧 2 套轴承位移曲线 AA 侧 套轴承位移曲线 A 侧 a BB 侧 BB 侧 2 套轴承位移曲线 BB 侧 套轴承位移曲线 A 侧 套轴承的位移曲线 a aa ab aa aa a ab ab a aa ab aa aa a ab ab a aa ab aa ab a a AA 侧 B 侧 A 侧 BB 侧 图 4 列 DBD 组合轴承预紧曲线图 ( 加于 AA 侧时 ) 图 5 列 DBD 组合轴承预紧曲线图 ( 加于 A 侧时 ) 44 45
78C DBD( 加 A 侧时 ) 图 6 图 8 78C DBD( 加 AA 侧时 ) 备注图中载荷位移曲线上所示的 l 表示消失的位置, 当比它更大时, 反推力一侧的轴承将不承受载荷 图 7 46 47
78A 78A DB 78A DBD( 加 A 侧时 ) 78A DBD( 加 AA 侧时 ) 图 9 图 备注图中载荷位移曲线上所示的 l 表示消失的位置, 当比它更大时, 反推力一侧的轴承将不承受载荷 图 48
6. 组合角接触球轴承的平均 角接触球轴承, 广泛使用于磨床 铣床 高 速车床等的主轴之中 因不同用途随意选择合适的,NSK 特将其分为微预紧 轻预紧 中预紧 重预紧 4 档 这 4 档应用于 DB DF 等组合轴承时, 其分别用代号 EL L M H 表示 接触角为 5 及 的组合角接触球轴承广泛使用于机床主轴中, 其平均及 ( 测量值 ) 的平均值如表 表 7 所示 另外, 测量时, 采用的测量载荷如表 所示 作为机床主轴及其它用途中广泛使用的 JIS5 级及以上级别的高精度组合轴承, 对保证的作了规定 轴与内圈, 轴承座孔与外圈的配合目标值, 参见表 2 再者, 对于轴承座孔与外圈的配合, 轴承装于固定端时取目标游隙的下限, 装于自由端时取其上限 选择指标时, 磨床主轴或加工中心主轴轴承等通常采用轻 微预紧 ; 要求刚度较高的车床主轴轴承, 通常采用中预紧 轴承的, 采用过盈配合时, 会大于表 表 7 所示数值 但如过大, 则会使轴承温度过高 从而引起咬粘 ( 俗称烧伤 ), 故而, 在配合时, 此点应引起足够的重视 表 的测量载荷 轴承公称外径 D (mm) 超过到 * 5 2 2 * 包括 mm 5 2 2 表 2 配合的目标值单位 测量载荷 24.5 98 96 轴承代号 79C 79C 792C 79C 794C 795C 796C 797C 798C 799C 79C 79C 792C 79C 794C 795C 796C 797C 798C 799C 792C 表 轴承 79C 系列的与的平均值 微预紧 EL 轻预紧 L 中预紧 M 重预紧 H 7 8.6 2 2 9 9 24 4 5 5 6 6 75 45 45 45 95 5 4 2 2 备注 栏内的数值为测量值 5 5 69 78 2 2 5 2 2 2 29 29 29 2 2 2 2 4 29 59 78 5 2 2 29 29 4 64 74 78 88 2 6 22 2 2 2 28 59 78 2 5 2 2 29 59 59 69 98 98 98 27 47 57 77 2 7 6 8 22 2 26 27 6 5 4 9 6 内径 d 或外径 D (mm) 轴与内圈 轴承座孔与外圈 超过到目标过盈量目标游隙 8 8 5 2 2.5 2.5 2 6 2 6 5 8 8 2 2 5 5 8 8 4 8 9 4 2 4 2 5 5 5 5
表 4 轴承 7C 系列的预载荷与的平均值 表 5 轴承 72C 系列的预载荷与的平均值 轴承代号 微预紧 EL 轻预紧 L 中预紧 M 重预紧 H 轴承代号 微预紧 EL 轻预紧 L 中预紧 M 重预紧 H 7C 7C 72C 2 2 4 29 59 69 2 5 2 4 6 72C 72C 722C 4 9 9 29 69 2 5 2 2 8 22 2 7C 74C 75C 4 24 29 2 29 59 69 2 5 2 4 5 29 6 22 72C 724C 7C 24 4 2 69 78 5 2 2 6 2 4 29 28 27 76C 77C 78C 6 6 78 2 2 2 29 6 7 59 28 726C 727C 728C 6 75 2 5 2 29 2 29 59 78 98 5 7 79C 7C 7C 75 75 2 5 5 2 4 9 2 69 78 98 4 729C 72C 72C 45 29 6 7 54 59 78 8 8 8 57 9 72C 7C 74C 45 2 29 4 54 54 74 8 8 47 2 9 8 722C 72C 724C 95 22 245 2 44 22 2 2 9 8 8 2 4 2 86 2 6 2 5 7 9 75C 76C 77C 45 95 95 29 4 4 4 78 9 98 2 57 86 96 9 2 2 725C 726C 727C 27 295 45 2 4 54 59 69 2 27 2 7 67 2 7 2 45 2 75 8 6 5 78C 79C 72C 245 27 27 备注 栏内的数值为测量值 54 54 8 9 8 8 8 27 7 6 7 2 5 2 5 2 55 8 728C 729C 722C 44 8 2 备注 栏内的数值为测量值 78 88 98 29 6 86 2 6 2 5 7 8 7 4 2 4 7 9 7 52 5
表 6 轴承 7A 系列的预载荷与的平均值 表 7 轴承 72A 系列的预载荷与的平均值 轴承代号 微预紧 EL 轻预紧 L 中预紧 M 重预紧 H 轴承代号 微预紧 EL 轻预紧 L 中预紧 M 重预紧 H 7A 7A 72A 2 22 24 6 72A 72A 722A 2 22 24 6 7A 74A 75A 2 4 28 29 42 47 5 72A 724A 7A 5 2 26 5 44 58 4 65 84 2 2 76A 77A 78A 5 5 5 9 2 22 42 46 64 7 76 726A 727A 728A 5 5 5 8 4 44 6 66 7 9 27 47 2 79A 7A 7A 5 5 5 2 48 5 88 8 27 27 2 2 2 729A 72A 72A 5 5 5 45 48 8 8 67 2 2 26 86 2 6 2 65 5 72A 7A 74A 5 5 5 27 27 9 98 8 7 47 2 6 2 2 722A 72A 724A 5 5 5 55 8 67 86 2 65 2 75 4 92 5 5 75A 76A 77A 5 28 76 78 8 77 86 2 2 2 6 4 24 725A 726A 727A 8 8 8 2 75 2 65 4 5 4 22 4 2 5 79 78A 79A 72A 备注 栏内的数值为测量值 78 8 84 2 45 2 55 2 75 92 4 2 4 5 5 5 728A 729A 722A 6 7 备注 栏内的数值为测量值 67 67 67 2 2 2 4 4 22 5 5 5 98 6 67 7 65 5 54 55
m N sin 6.4 单列向心球轴承的轴向位移 (m +δ N )sinα=m sinα + m sin a 对接触角为 α 的向心球轴承施加 时, 内圈沿轴向产生位移, 如图 所示, 内圈沟道曲率半径中心 O i 也会移动, 变为 O i, 此时接触角变为 α 设滚动体载荷 Q 方向的沟道及滚动体的弹性变形量为 δ N, 则由图 可得 (m +δ N ) 2 =(m sinα +δa) 2 +(m cosα) 2 δ N =m (sinα + δa ) 2 +cos 2 α m () 滚动体载荷 Q 与弹性变形量 δ N 之间的关系如下式所示 sin = m sinα +δa = sin α α +h m +δ N + δ N m 将式 代入, 则 sinα= sinα +h (5) (sinα +h) 2 +cos 2 α 将式 () (5) 代入式 (4), 即可求出轴承轴向 载荷 与轴向位移 的关系 : =K Z D w 2 (sinα +h) 2 +cos 2 α /2 (sinα +h) (sinα +h) 2 +cos 2 α (6) m r e r i D w r e O e O i O i r i m N m cos m N cos Q=K N δ N /2 (2) D pw a 式中,K N 由材料 尺寸 形状决定的常数 式中, K 由轴承材料 设计决定的常数 m =( r e + r i )D w =B D w D w D w D w 钢球直径 由式 () ( 2) 可得 Q=K N ( B D w ) /2 (sinα +h) 2 +cos 2 α /2 Z 钢球个数 α 初期接触角 ( 单列深沟球轴承 ) 可由 4.6 项 (96 页 ) 式 (5) 求出 其中,h= δa m = δa B D w 但是, 实际轴向位移会因轴 轴承座的壁厚 图 设 K N =K D w 则, B /2 2 Q=K D w (sinα +h) 2 +cos 2 α /2 () 材质及与轴的配合而不相同 因此, 有关此类装配条件下的轴向位移, 请向 NSK 咨询 Q Z Q sin 另外, 由图 2 可得施加于轴承的与 滚动体载荷的关系为 : D w =Z Q sin α (4) Z Q sin Q 再由图 得 图 2 56 57
图 表示单列深沟球轴承 62 及 6 原始接触角分别为 α =,, 5 时, 与轴向位移的关系 原始接触角越大, 轴承的轴向刚度越高,62 与 6 承受相等时的的差也越小 另外, α 取决于轴承沟道曲率半径与径向游隙 图 4 表示 72 系列轴承在原始接触角分别为 5 (C), (A), 4 (B) 时, 与轴向位移的关系 由于角接触球轴承的原始接触角较大, 如果 7 系列,7 系列轴承也采用同一接触角和内径代号, 就基本与 72 系列数值相同 对于角接触球轴承, 为了控制旋转精度并减小承受外加载荷时的弹性变形量, 大都采用组合轴承的形式, 并对其施加预紧 为了将承受外加载荷时的弹性变形量控制在必要限度以内, 在确定时就应了解变形量随承载变化的关系特性 承载与变形量的关系由 /2 式 (6) 可知 或 F 2/ a, 即轴向变形量 与 的 2/ 次方成正比 该的指数小于, 就意味着随着的增加, 轴向位移的幅度变小 ( 见图 4), 这就成为施加预紧 控制位移的根据 图 深沟球轴承的与轴向位移 数字 轴承内径代号 图 4 角接触球轴承的与轴向位移 58 59
6.5 圆锥滚子轴承的轴向位移圆锥滚子轴承与角接触球轴承一样, 也采用 2 套一组安装, 其使用与角接触球轴承相同 例如, 机床主轴轴承及汽车减速器齿轮轴承 其中,.77 K a = (sin ).9 Z.9.8 α L we.6 = {kgf} (sin ).9 Z.9.8 α L we 系列 系列 系列 等, 为了提高轴的刚度, 也都施加预紧 K a 是由轴承内部结构设计形式决定的常数, 了解与轴向位移的关系对施加预紧 圆锥滚子轴承的与轴向位移见图 安装轴承非常重要 圆锥滚子轴承本身的轴向位移,Palmgren 的实验公式 () 与实测值基本吻合 但是, 实际轴向位移会因轴 轴承座壁厚 材质以及与轴承的配合情况而不同 故而, 有关此类装配条件下的轴向位移, 请向 NSK 咨询 圆锥滚子轴承的位移量与的.9 次方成正比, 而球轴承则与其 2/ 次方成正比, 故而, 施加预紧控制位移的效果, 则是球轴承较大 圆锥滚子轴承如果盲目地加大预紧, 会造成发热 咬粘 ( 俗称烧伤 ) 缩短寿命等, 应特别注意 系列 Q.9 =.77.8 sinα L we Q.9 =.6.8 sinα L we () {kgf} 系列 式中, 内 外圈 (mm) α 接触角 = 外圈锥角的 /2( ), ( 见 65 页图 ) Q 滚动体载荷,{kgf} F Q = a Z sinα L we 滚子有效长度 (mm),{kgf} Z 滚子个数 图 圆锥滚子轴承的与轴向位移 式 () 可由式 (2) 表示 = K a.9 (2) 6 6