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轴承知识丨轴承应用的“接口”观

轴承知识丨轴承应用的“接口”观 欧凯轴承
2020-07-22
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导读:轴承作为一个常见的机械零件已经是系列化,标准化了。可以说制造商为了轴承尺寸到达一定的精度标准做了巨大的努力。


轴承作为一个常见的机械零件已经是系列化,标准化了。可以说制造商为了轴承尺寸到达一定的精度标准做了巨大的努力。轴承的内径,外径,宽度,乃至旋转跳动误差都被限定到相当小的范围了。

与标准相对的一个概念是开放。对轴承的终端用户而言,需要做的工作是,保证与轴承连接的“开放”的部件的尺寸与精度公差,以及定位方式,传动方式的恰当。也就是说,要确保轴承与周边结构间“接口”是匹配的,正确的。
接口,英文是Interface。
在计算机术语里,接口也被称为“界面”,似乎更接近英文的原意。我们则继续按照中文语言的习惯好了。接口如同握手,需要两个人各自伸出一只手,握在一起。轴承厂做好了轴承上的接口,轴承用户应当负责轴承周边结构上的接口。

有时候我们会听到轴承客户抱怨,买你这么贵的轴承,怎么就不耐用呢!轴承性能能否体现出来,关键因素之一正是轴承接口是否与轴承匹配。接下来,让我们一起关注轴承用户端的接口。

 


轴承在应用中的接口可以大致分为三个层面:
1单个轴承
2
.轴承布置(两端支承)
3
轴系传动。

每个层面具有不同的意义和内容。

单个轴承的接口关注的内容主要是轴承的径向轴向支撑与定位;这决定了单个轴承是否能正常工作。

轴承布置层面的接口主要是正确选择轴承类型以及如何实现轴承的定位或者浮动;通常轴系都有两端轴承支撑,所以需要两端的轴承或轴承组之间能协同配合工作。

轴系传动层面接口内容则是理解不同传动方式对轴系及轴承的作用和影响。

我们用三个不同颜色的窗口(Windows)来表示这三个接口的不同层面。以下逐一详细介绍三个窗口的内容。

 轴承应用接口分为三个层面:


1. 单个轴承窗口(Window1

蓝色,承载面;红色,定位面


径向轴承的内外径面的两个圆柱面(图示蓝色)分别与轴承座孔和轴配合。由于需要承受径向作用力,所以这两个配合面需要确保接触完全,支撑坚实。轴向轴承的支撑面(图示蓝色)在设计周边结构尺寸时并不是百分百被关注的,比如最大的支撑内径过小,或者最小支撑外径过大而导致的支撑不足时有所见;特别地,还要考虑在支撑内外径尺寸满足要求的时候,还要看支撑结构的强度是否足够。例如下图中推力圆柱滚子轴承承受主要的轴向力,其左侧支撑面直径尺寸足够大,而支撑结构略显单薄。在轴向力作用下,支撑结构如果变形,将导致承载的推力圆柱滚子出现应力集中,严重影响轴承正常工作寿命。

 


径向轴承的端面(图示红色)和轴向轴承的圆柱面(图示红色)是主要用于定位或者定心。同时不要忽略倒角尺寸。

 


为获得对轴承套圈的良好支撑,最理想的情况当然是采用紧配合。在工程实践中,考虑到安装拆卸的便捷性,对内外圈不可拆分轴承常常只采用一个紧配合。下图是常用的轴承配合面公差。

 

 

配合松紧的正确选择和实现是轴承使用中的一个关键。配合不良,轻则轴承跑圈,重则套圈碎裂。当轴承套圈承受的载荷是大小或者方向不断改变的,原则上这个套圈必须与相邻安装部件紧配合。

即便(径向)轴承套圈是紧配合,套圈的定位仍然是必要的。径向轴承套圈的定位方式有卡环定位,压盖定位,挡肩定位,锁紧螺母定位,紧定套定位等等。

采用紧定套定位方式对比如农用机械,传送机械来讲是恰当的。锥孔内圈大孔侧的端面没有外力提供定位,而仅靠锥面配合及锥孔内圈小孔侧的螺母形成内圈的轴向定位。但对精密机床应用来讲,下图中的单列圆柱滚子轴承内圈大孔端的隔圈的缺失被视为会影响轴承乃至主轴运行精度的错误设计。



2. 轴承布置窗口(Window2
绝大多数时候一根轴上两端都有轴承支撑。本身轴承类型多样,再加各种轴承间的不同组合方式,因此不同应用场合,轴系的轴承布置方式可谓五花八门,从最简单的两个深沟球轴承,到复杂的多列径向轴承与多列推力轴承的组合。


 

关于一根轴上的轴承布置经验原则(rule of thumb)却非常简单。
1) 尽可能采用一端定位另一端浮动的布置;
2) 尽可能解耦载荷,让径向轴承只承受纯径向力,让推力轴承只承载轴向力。

对于第一点,现实应用中也存在两端定位,或者两端浮动的布置,但是这是有条件的。比如丝杆支撑在采取两端定位布置时,必须事先了解丝杆工作时的温升,然后根据温升计算丝杆的预拉伸量并按此安装,最后才能保证丝杆正常工作和获得理想寿命。


两端轴承定位的丝杆


采用轴承组来支承组合载荷(径向力和轴向力)的最大难点在于各个轴承实际承受的载荷并非均匀一致的,甚至可能是极度不均的。不巧的是,轴系的寿命是由承载最大寿命最短的那个轴承决定的。因此,多个轴承组合的轴承布置方式是高难度的,是需要科学计算谨慎分析的。或者说,在不了解单个轴承上分配多少载荷的情况下采用轴承组的布置方式是心怀侥幸的,鲁莽的。

所以,关于轴承布置的第二点经验原则,在工程实践中,用径向轴承来支承径向载荷,用轴向轴承来支承轴向载荷往往是一个简单有效的办法。


轴承承受组合载荷

轴承承受解耦的载荷

 

3. 轴系传动窗口(Window3
不同传动方式具有各自力学的几何的特性,对轴系和轴承的作用和影响相应地各有特点。常见的传动方式有:联轴器,键,皮带(齿形带),齿轮,蜗轮蜗杆,离合器,曲柄连杆等。举例来讲,柔性联轴器只传递一个力矩,因此不会引起轴的挠曲;刚性联轴器安装不当就会引入大小未知的力的作用;齿轮传动则可能除了传递力矩还附加一个径向力。左下图中的给传动轴输入力矩的棘爪式单向离合器就由于安装时轴向位置不当而对支撑传动轴的定位圆柱滚子轴承产生一个轴向作用力,进而滚子与挡边强烈摩擦而导致轴承早期失效。


以上所提及的轴承应用“接口”的三个层面,实际无非给轴承的正确使用提供一个简明扼要的chencklist,方便轴承用户对照检查,用好轴承。

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