角接触球轴承系统或圆锥滚子轴承系统的预紧

在确定预紧时,应首先考虑轴承的刚性、使用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紧。 然后计算在安装时,调整轴承应使用的预紧力。 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其他载荷。
在正常的工作温度下,合适的预紧量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或圆锥滚子轴承。 在径向载荷作用下,这些轴承会产生轴向载荷合力,而这个力必须要由面向相反方向的另一个轴承来承受。 如果轴承内圈与外圈之间能有纯径向位移,则意味着有半数的滚动体在承受负荷。 轴承之间产生的轴向载荷合力取决于:
  • 对于单列角接触球轴承
    Fa = R Fr
  • 对于单列圆锥滚子轴承
    Fa = 0,5 Fr / Y

式中
Fa=轴向轴承载荷 (fig. 1)
Fr=径向轴承载荷 (fig. 1)
R
=内部接触情况的变量(→ Determination of axial forces)
Y
=计算系数(→ product table)

当单个轴承在径向载荷 Fr 的作用下,如果要完全达到基本额定载荷,则必须要有一个相当于载荷合力的(外部)轴向载荷Fa 作用在轴承上。 如果施加的外部载荷过轻,承受载荷的滚动体就会越少,轴承的载荷能力就会相应减小。
在一个轴承系统中,当两个单列角接触球轴承或两个圆锥滚子轴承以背对背或面对面的方式配置时,每个轴承配置都必须在一个方向承受轴向力。 这些轴承系统的游隙调整到接近零时,径向载荷由两个轴承平均分担,且每个轴承有一半滚动体加载荷。
对于其它条件,在有外部轴向载荷作用的情况下,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形变而产生的游隙。 预紧同样可以使载荷更加平均地分布在没有承受轴向载荷的轴承上。
预紧还可以提高轴承系统的刚性。 但应考虑刚性还受到轴和轴承座的弹性、轴和轴承座配合以及和紧靠轴承的所有其它组件(包括挡肩)的弹性变形的影响。 这些因素都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其内部设计、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等。 接触角越大,轴承在轴向的刚性就越高。
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 的作用下,带预紧的轴承系统的轴向位移比没有预紧的轴承系统要小(图表 1)。 小齿轮配置设计(图 2图 3)通常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。 两者均有一预紧力 F0。如果轴向力 Ka 作用在轴承 A,轴承 B 将不承受载荷,则轴承 A 承受的额外载荷会导致轴向位移 δa 小于轴承没有预紧时可能出现的位移。 然而,作用在轴 B 上的轴向载荷将会消失,在额外载荷作用下,轴承系统的轴向位移与没有预紧的轴承系统相同,这就意味着如果外部轴向力超过一定值,则完全由弹簧常数 cA 决定



要避免轴承 A 在承受轴向力 Ka 时,轴承 B 没有承受载荷,所需的预紧力应为



在预紧轴承系统中的载荷和轴向弹性位移之间的关系以及不同预紧之下的情况,从预紧/轴向位移图表(图表 2)可更容易理解。 图中包括相互靠着调整以应用预紧的轴承的弹性曲线,并可以帮助了解以下的情况:
  • 预紧轴承系统内预紧力和轴向位移之间的关系
  • 预紧轴承系统中外部轴向力 Ka 和轴承载荷之间的关系,以及由外部载荷产生的弹性变形
图表 2中,运行中所有承受外部载荷的部件由从左至右递增曲线表示,所有未承受载荷的部件由从右至左递增曲线表示。 曲线 1、2 和 3 表示不同的预紧力(F01、F02 < F01 且 F03 = 0)下的情况。 虚线表示单个轴承,而实线表示不同预紧力的总轴承系统(轴承和相关零部件)。
根据图表 2,还可解释部件之间的关系,例如在小齿轮配置设计(图 2)中,轴承 A 位于齿轮附近并根据轴承 B 进行调整提供预载荷。 外部轴向力 Ka (通过齿轮传递的轴向分力)迭加在预紧力 F01 (曲线 1)上,其迭加方式使得轴承 A 承受附加载荷,而轴承 B 上不承受载荷。 轴承 A 所能承受的载荷表示为 FaA,轴承 B 所能承受的载荷表示为 FaB。 在轴向力 Ka 的影响下,齿轮轴会产生相当于 δa1 的轴向位移。
取用较小的预紧力 F02(曲线 2),则轴承 B 在轴向力 Ka 的作用下刚好没有承受轴承载荷,这意味着 FaB = 0 和 FaA = Ka。 在这情况下,齿轮轴的轴向位移 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最大值(δa3 > δa2)。
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