角接触球轴承的预紧技术

!产品设计与应用#角接触球轴承的预紧技术姜韶峰1,刘正士1,杨孟祥2(1.合肥工业大学,安徽　合肥　230009;2.洛阳轴承研究所,河南　洛阳　471039)摘要:介绍角接触球轴承预紧的类型及工作原理,给出了预紧选择原则和确定预紧力的计算方法。

对中低速组配轴承而言,其最小预紧力可根据轴承组配方式以及承受的额定外载荷确定。

关键词:角接触球轴承;主轴轴承;配置;预紧中图分类号:TH133.33 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2003)03-0001-04Preload Technique of Angular Contact B all BearingsJ I ANG Shao -feng 1,LI U Zheng -shi 1,Y ANG Meng -xiang 2(1.Hefei University of T echnology,Hefei 230009,China;2.Luoyang Bearing Research Institute ,Luoyang 471039,China )Abstract :The types and w orking principle of preload of the angular contact ball bearings are introduced ,the selection rules of the preload and calculation method of determining preload force are given.F or the medium and lower speed group match bearings ,the minimum preload force is determined by bearing group m ode and rating load.K ey w ords :angular contact ball bearing ;spindle bearing ;coupling ;preload 合适的预紧可以增加轴承的刚度、提高旋转精度、降低振动噪声、延长使用寿命。

机床主轴用角接触球轴承,由于常常处于高速轻载状态,适当的预紧可以防止轴承高速旋转时钢球发生公转打滑及陀螺旋转现象,减小钢球的自旋滑动。

从而减小轴承内部的摩擦和发热,延长轴承的使用寿命。

1　预紧的类型轴承的预紧方式有两种:径向预紧和轴向预紧。

径向预紧适用于圆柱滚子轴承,而角接触球轴承、圆锥滚子轴承和推力轴承通常采用轴向预紧方式。

角接触球轴承的轴向预紧可分为定位预紧(图1)和定压预紧(图2)两种。

定位预紧是通过预选定的内外圈隔套或垫圈使组配轴承内圈之间和外圈之间处于某一固定位置,从而使轴承获得合适的预紧。

定位预紧的轴承在使用过程中,其相对位置是不会改变的,由于工作温度的变化会引起轴及轴承座的尺寸以及收稿日期:2002-03-26作者简介:姜韶峰,男,合肥工业大学硕士研究生。

图1　定位预紧图2　定压预紧组配轴承间的定位部件尺寸发生变化,因此,直接影响到轴承预紧力的变化。

定压预紧是利用螺旋弹簧、碟形弹簧等预紧装置,使轴承得到合适的预紧。

由于弹簧的刚性一般比轴承的刚性小得多,因此,定压预紧轴承其相对位置在使用过程中会随转速及外载的变化而有所改变。

但预紧力的大小是由预紧装置本身决定的,所以,其值基本不变,并且也不受工作温度ISS N 1000-3762C N41-1148/TH 轴承Bearing 2003年第3期2003,N o.3 1～4　的影响。

2　预紧的工作原理定位预紧和定压预紧轴承的位移-载荷关系曲线如图3和图4所示。

图3　定位预紧轴承位移-载荷曲线图4　定压预紧轴承位移-载荷曲线图3中,假设轴承A 和B 的初始预载荷为F a 0,当外载荷F a 沿轴向作用于轴承A 的内圈时,轴承A 和B 的内、外圈相对位移均为δa 。

显然,轴承A 的载荷增加,而轴承B 的载荷则减小。

图4中,假设轴承A 和B 的初始预载荷为F a 0,外载F a 沿轴向作用于轴承A 的内圈,由于弹簧的刚度远小于轴承刚度,因此,可认为轴承B 的内、外圈无相对移动,即其预载荷保持不变,外载F a 完全由轴承A 承受。

在F a 作用下,轴承A 的内外圈相对位移为δa 。

显然,该值要大于图3中的δa 值,也就是说,定压预紧对提高轴系刚度并不有利,但对提高轴承的高速性能有益。

3　预紧的选择预紧方法和预紧力大小的选择对预紧效果的影响很大。

对机床主轴轴承来说,当要求高刚度时宜采用定位预紧;而当轴承处于高速运转状态时,为防止或减小滚动体的公转打滑以及陀螺运动,轴承应采用合适的定压预紧。

通常,轴承厂商对组配轴承规定了轻、中、重三种预紧力,通过控制轴承内、外圈的端面凸出量来达到实现轴承预紧程度的目的。

如上所述,轴承的预紧力越大,则刚度有所提高,但一定转速下轴承的温升也越高。

通常,机床主轴轴承的温升是有一定限制的,因此,预紧力的选择应遵循以下原则:机床载荷大,刚度要求高,转速较低或允许的温升较高时(如普通精度级机床),应选较大的预紧力;反之,则选较小的预紧力。

一般地说,重预紧用于低速、要求高刚度的场合,如齿轮和螺纹加工机床的分度轴;中预紧用于中等转速、中等载荷的外圆磨床、螺纹磨床、齿轮磨床、精密车床和加工中心等主轴;轻预紧用于高速、轻载或允许温升较低的精密、高精密机床主轴,如内圆磨床、坐标镗床、精密及高精密加工中心等。

以上分析只是宏观、定性的,合理的预紧力要根据经验和实践综合考虑加以确定。

4　预紧力的确定4.1　根据轴向载荷确定预紧力如果已知机床的额定轴向载荷,如额定轴向切削力,则可据此决定轴承的预紧力。

成组角接触球轴承的最小预紧力,就是在额定轴向载荷作用下,不受载一侧的轴承刚刚达到卸载。

根据赫兹弹性接触理论,点接触球轴承在外部轴向载荷F a 作用下的轴向变形δa 由下式计算:δa =c F a 2/3(1)式中　c由轴承材料、类型、结构和尺寸等决定的常量单套角接触球轴承可以承受径向和一个方向的轴向载荷,在径向载荷作用下,轴承内部产生一个沿轴向方向作用的分力,必须有另一相对的外力来平衡。

另外,为提高主轴系统的支承刚度,机床主轴轴承通常采用双联、三联,甚至更多联组配使用。

在轴承配置过程中,常见的是同类型、同尺寸、同规格的配置形式,即同组轴承的尺寸规格、接触角、精度等完全相同。

4.1.1　背靠背双联轴承(DB 型)图5所示为双联背靠背轴承预紧受力状态及位移2载荷关系曲线图。

图中F a 0为预载荷,δa 0A 和δa 0B 分别为F a 0作用时轴承A 和B 的位移(即凸·2·《轴承》2003.№.03出量),显然,δa 0A =δa 0B ,由图知,δa 0=δa 0A +δa 0B =2δa0A 。

Fa 为外部轴向载荷,在F a 作用下,轴承A 的载荷由F a 0变为F a 0+F a -F ′a ;轴承B 的载荷由F a 0变为F a 0-F ′a ,此时,轴承A 和B 的变形分别为:图5　DB 型轴承位移2载荷曲线δaA =δa 0A +δa 1(2)δaB =δa 0B -δa 1(3)式中,δa 1为外载F a 作用时,轴承组内外圈的相对位移量。

显然,δa 1随着F a 的增大而增大,当F a 增大到一定程度时,δa 1=δa 0B ,由(3)式知,δaB =0,即轴承B 完全卸载,再增大F a 值,轴承B 的钢球与套圈沟道就会处于脱离状态。

这时有如下关系:δaA =δa 0A +δa 1=δa 0A +δa 0B =2δa 0B (4)根据(1)式有,δaA =c F a 2/3,δa 0B =c F a 02/3,代入(4)式并整理、计算得:F a =2.83F a 0(5)或　F a 0=0.35F a(6)也就是说,一对背靠背双联角接触球轴承,其外加载荷最大不得超过预紧力的2.83倍。

换句话说,背靠背双联组配轴承的最小预紧力不得小于轴承外加额定轴向载荷的35%。

4.1.2　两个串联与第三个背靠背三联轴承(T BT型)图6为T BT 型配置轴承的受力状态及其位移2载荷关系曲线。

外载F a 作用于串联轴承AA 一侧,同上,当F a 增大到一定值时,δa 1=δa 0B ,轴承B 完全卸载,图6　T BT 型轴承位移2载荷曲线·3·姜韶峰等:角接触球轴承的预紧技术δaB=0,这时,δaA=δa0A+δa1=δa0A+δa0B(7)注意,此时δa0A≠δa0B,由于AA轴承共同承担预载荷F a0及外载F a,因此,两轴承应平分载荷,故有δaA =c(F a2)2/3(8)δa0A =c(F a02)2/3(9)对轴承B有,δa0B=c F a02/3(10)将(8)、(9)、(10)式代入(7)式得:c(F a2)2/3=c(F a02)2/3+c F a02/3整理得:F a0=0.24F a。

即对于三联组配T BT角接触球轴承,当外载作用于串联轴承一侧时,组配轴承的最小预紧力为额定轴向载荷的24%。

4.1.3　其他组配形式对其他形式的组配轴承,可根据组配结构及外载作用方向,按照上述方法,计算出组配轴承的最小预紧力与额定轴向载荷的对应关系。

例如四联轴承组配,三个串联与第四个背靠背,当外载作用于串联轴承一侧时,组配轴承的最小预紧力为额定轴向载荷的18%;四联轴承组配,两两串联再背靠背,则最小预紧力为额定轴向载荷的35%。

需要指出的是,成组轴承的预紧力并不一定等于单个轴承的预紧力,如图6中的轴承,轴承B 的预紧力即为F a0,而另一侧AA的单个轴承,其预紧力则为F a0/2。

4.2　高速角接触球轴承的预紧力4.2.1　定位预紧施加了定位预载荷的角接触球轴承高速旋转时,由于离心力的作用,球成楔子状进入内圈和外圈沟道之间,使预载荷增加。

另外,由离心力引起的轴承内圈沟道直径膨胀、轴承发热产生的内外圈温差以及球的膨胀等导致轴承内部游隙减小,更增加了预载荷值。

因此,应根据轴承内部零件的几何关系,从径向和轴向的几何平衡条件出发,推导出轴承旋转中的预载荷。

显然,该计算过程是非常复杂的。

在实际应用中,可以根据润滑方法、转速、额定工作载荷大小以及所积累的经验,经过反复试验才可得出最佳预紧力。

4.2.2　定压预紧定压预紧与定位预紧的情况一样,主轴高速旋转时,产生作用于球上的离心力、内圈的离心力导致自身膨胀以及内外套圈的温差等,引起轴承相对位置的微小变化由弹簧吸收。

显然,定压预紧对高速旋转性能有利,但对系统刚度不利。

4.2.3　可变预紧如前所述,轴承采用定位预紧,在高速旋转时,预载荷会增大。