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)03-0001-04PreloadTechniqueofAngularContactBallBearingsJIANGShao-feng1,LIUZheng-shi1,YANGMeng-xiang2(1.HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China;2.LuoyangBearingResearchInstitute,Luoyang471039,China)Abstract:Thetypesandworkingprincipleofpreloadoftheangularcontactballbearingsareintroduced,theselectionrulesofthepreloadandcalculationmethodofdeterminingpreloadforcearegiven.Forthemediumandlowerspeedgroupmatchbearings,theminimumpreloadforceisdeterminedbybearinggroupmodeandratingload.Keywords:angularcontactballbearing;spindlebearing;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8868体育网页版登录1、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。图1定位预紧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1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。·2·《轴承》2003.№.03的影响。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-载荷关系曲线定位预紧轴承位移-载荷曲线定压预紧轴承位移-载荷曲线中,假设轴承A和B的初始预载荷为Fa0,当外载荷Fa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Fa0,外载Fa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Fa完全由轴承A承受。在Fa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。部轴向载荷算:Fa作用下的轴向变形δa 由下式计 δ a 2/ 3 = c F a ( ) 1 式中 由轴承材料 、类型 、结构和尺寸等决 定的常量 c 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 作用时轴承 A 和 B 的位移 ( 即凸 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 3 姜韶峰等 :角接触球轴承的预紧技术 ·3 · 出量) , 显然 ,δ a0 A = δ a0 B , 由图知 ,δ a0 = δ a0 A + δ a0 B 载荷由 F a0 变为 F a0 - 变形分别为 : F′a , 此时 , 轴承 A 和 B 的 = 2δ a0 A 。 F a 为外部轴向载荷 , 在 承 A 的载荷由 F a0 变为 F a0 + F a - F a 作用下 , 轴 F′a ; 轴承 B 的 图 5 DB 型轴承位移 2载荷曲 线 (2) (3) F a = 2. 83 F a0 或 F a0 = 0. 35 F a (5) (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 ( TBT 型) 图 6 为 TBT 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 ,δ a1 = δ a0 B , 轴承 B 完全卸载 , 式中 ,δ a1 为外载 F a 作用时 , 轴承组内外圈的相对 位移量 。显然 ,δ a1 随着 F a 的增大而增大 , 当 F a 增大到一定程度时 ,δa1 = δa0 B , 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 : δ aA = δ a0A + δ a1 = δ a0 A + δ a0 B = 2δ a0 B ( 4) 根据 ( 1) 式有 ,δ aA = c F a 2/ 3 ,δ a0 B = c F a0 2/ 3 , 代入 ( 4) 式并整理 、计算得 : 图 6 TBT 型轴承位移 2载荷曲 线 , 这时 , δ aA = δ a0 A + δ a1 = δ a0A + δ a0 B 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 。过大的预载易导致轴承早期 烧伤 、寿命缩短 , 因此 , 为避免轴承高速运转时形 成过大的预载荷 , 要减小最初预载 。但为确保低 速时的加工刚度 , 又常常需要增大最初预载荷 。 这时 , 就要使用可以改变预载荷的装置 , 其中 , 有 以下两种主要方法 : (1) 当注重刚度时 , 以定位预载方式进行 2～ 3 档预载荷切换 , 根据工作转速 、载荷的不同选用 不同的预紧力 。 ( 2) 主轴低速运转 , 采用定位预载方式 , 保证 系统刚度 ; 当主轴高速旋转时 , 如果外载较小 , 且 系统刚度要求不高 , 则切换为定压预载的预紧方 式 。 (7) 注意 , 此时 δ a0 A ≠δ a0 B , 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 F a δ aA 2/ 3 = c ( 2 ) ( 8) F a0 δ a0 A 2/ 3 = c ( ) (9) 2 对轴承 B 有 ,δa0 B = c F a0 2/ 3 将 ( 8) 、(9) 、( 10) 式代入 (7) 式得 : (10) F a F a0 2/ 3 2/ 3 2/ 3 c ( 2 ) = c ( ) + c F a0 2 整理得 : F a0 = 0. 24 F a 。