确定预载荷

虽然确定预紧主要的因素是预载荷,但预紧除了可以用力来表示外,也可以用距离来表示。 根据不同的调整方法,预紧与轴承中的摩擦力矩也有间接的关系。
可以从一些成熟的设计中得出预载荷经验值,并应用到类似的设计中,以达到最佳的效果。 对于新的设计,SKF建议重新计算预载荷,并通过测试来验证其实际效果。 由于一般情况下,要精确地预计实际运行中所有的影响因素是很困难的,因此是有必要通过试验来校正预载荷。 能否精确地计算预载荷,是取决于假设的工作条件与实际情况的差异程度,如温度和相关零部件的弹性变形,而最关键的部件就是轴承座。
在确定预载荷时,应首先考虑轴承的刚性、工作寿命和运行可靠性之间的平衡,根据这些条件来计算出轴承所需的预载荷。 然后计算在安装时,调整轴承应使用的预载荷。 在安装轴承的时候,应在环境温度下进行,并不应让轴承承受任何工作载荷。
在正常的工作温度下,合适的预载荷取决于作用在轴承上的载荷。 对于能同时承受径向和轴向载荷的角接触球轴承和圆锥滚子轴承, 在径向载荷的作用下,轴承内会产生轴向力,而这个轴向力通常需要由另一个位置相反的轴承来承受。 如果内圈与外圈之间能有纯径向位移,表示只有沿轴承圆周一半的滚道(即半数的滚动体)在承受载荷,而轴承内产生的轴向力可根据以下公式计算:

Fa = 0.5 Fr/Y

式中的Fr是作用在轴承上的径向载荷(图1

有关圆锥滚子轴承的计算系数Y的值,可参见产品表。
当单个轴承在径向载荷Fr的作用下,如果要满足基本额定载荷的先决条件(轴承圆周一半的滚道在承受载荷),则必须要有一个相当于根据以上公式计算的外部轴向力Fa同时作用在轴承上。 如果外部轴向力小于以上的计算值,承受载荷的滚动体数目就会少于一半,轴承的承载能力就会相应减小。
当两个单列角接触球轴承或圆锥滚子轴承以背对背或面对面的方式配置时,每个轴承都必须承受由另一个轴承产生的轴向力。 如果配置中是使用两个相同的轴承,径向载荷作用在两个轴承的中心位置,且轴承配置调整至零游隙,载荷就会分布在半数的滚动体之上。 对于其它的载荷条件,尤其是在有外部轴向载荷作用的情况,可能需要对轴承进行预紧,以补偿承受轴向载荷的轴承因弹性变形而产生的游隙,以及载荷能更平均地分布在另一端无轴向载荷的轴承。
如前文介绍,预载荷还可以提高轴承配置的刚性。 但在考虑刚性时,应注意其不仅受到轴承弹性的影响,还有轴和轴承座的弹性、轴承圈采用的公差配合、以及所有承受载荷的部件,包括挡肩的弹性变形的影响。 所有这些对整个轴承系统的弹性有着很大的影响。 轴承的轴向和径向弹性取决于内部设计,即接触条件(点接触或线接触)、滚动体的数量和直径以及接触角度;接触角度越大,轴承的轴向刚性就越高。
如果在首次估算时,假设弹性与载荷是线性的关系,即有一个恒定的弹簧常数,那在相同的外部轴向力Ka图解1)的作用下,带预紧的轴承配置的轴向位移比没有预紧的轴承配置要小。 例如在一个小齿轮轴承配置中包括两个不同尺寸的圆锥滚子轴承A和B,其弹簧常数分别为cA和cB,并由一项预载荷为F0。如果外部轴向力Ka作用于轴承A,轴承B的载荷就会减小,则轴承A承受的额外载荷和轴承配置的轴向位移δa会小于没有预紧的轴承。 但是,如果外部轴向力
大于一定的数值

Ka = F0 [1 + (cA/cB)]

那作用在轴承B的轴向预载荷将会消失,在之后增加的载荷,轴承配置的轴向位移将与没有预紧的轴承配置相同,即完全由轴承A的弹簧常数决定。因此,要避免轴承A在承受外部轴向力Ka时而轴承B没有承受轴向载荷,所需的预载荷应为

F0= Ka cB/(cA + cB)
在预紧轴承配置中的作用力和轴向弹性位移之间的关系以及不同预载荷之下的情况,从预载荷/预紧距离图(图解2)。 可以更容易看出其之间的变化。图中包括相互靠着调整预紧的轴承的弹性曲线,并可以帮助了解以下的情况:
  • 预载荷和预紧距离之间的关系
  • 外加的轴向力Ka和轴承载荷之间的关系,以及由外力产生的弹性变形。
图3中,承受工作载荷导致的附加轴向力的轴承(轴承A)是由从左至右递增的曲线表示,而没有承受附加载荷的轴承(轴承B)是由从右至左递增的曲线表示。 曲线 1、2和3代表不同的预载荷(F01, F02 < F01和 F03 = 0)下的情况。 虚线表示轴承本身的变化,实线则表示轴承总的位置变化情况(与相关零部件连接在一起的轴承)。
使用图4就可能解释其互相之间的关系,例如在小齿轮轴承的配置(图2)中,轴承A是靠轴承B并通过轴和轴承座来进行调整预紧。 外部轴向力Ka(通过齿轮传递的轴向分力)叠加在预载荷F01之上(曲线1)上,其叠加方式使得轴承A承受附加载荷,而轴承B上的载荷减小。 轴承位置A的载荷定为FaA,而轴承位置B的载荷定为FaB
在外力Ka的影响下,齿轮轴会产生相当于δa1的轴向位移。取用较小的预载荷力F02(曲线2),则轴承B在外力Ka下刚好没有承受轴向载荷, 即FaB = 0 以及 FaA = Ka。 在这种情况下,齿轮轴的轴向位移量为δa2 > δa1。如果轴承配置中没有任何预紧(曲线3),齿轮轴的轴向位移会达到其最大值(δa3 > δa2)。
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