相鄰結構

軸承位置的布置

在軸的布置和結構設計中,必須了解滾動(dòng)軸承的安裝空間。 通常有兩種方法:將匹配的滾動(dòng)軸承調整到現有結構設計中或滾動(dòng)軸承來(lái)決定改進(jìn)結構。 由于滾動(dòng)軸承的尺寸根據尺寸方案標準 DIN 616 進(jìn)行標準化,因此可以通過(guò)軸承代號確定外部幾何形狀。

滾動(dòng)軸承和相鄰尺寸在零件設計中相互調整,對于變更設計而言則有所不同。在大多數情況下給出了現有零件的外部幾何形狀,滾動(dòng)軸承需要相應的布置設計。標準的軸承布置無(wú)法滿(mǎn)足的話(huà),必須制定特殊的軸承布置解決方案。

承受徑向載荷的滾動(dòng)軸承在整個(gè)圓周上得到徑向支撐,以防止點(diǎn)載荷發(fā)生。

 

滾動(dòng)軸承的軸向固定

不同類(lèi)型的滾動(dòng)軸承軸向定位在很大程度上取決于其設計,下圖以?xún)蓚€(gè)深溝球軸承為例,描述了浮動(dòng)軸承和定位軸承之間的區別。左側軸承是一個(gè)定位軸承,必須承受更大程度的軸向力,因此需要軸向定位。右側軸承是一個(gè)浮動(dòng)軸承,其僅僅需要承受很小的軸向力,并且能夠通過(guò)非軸向定位的外圈實(shí)現軸向移動(dòng)。這樣的話(huà),例如在有熱膨脹的情況下,軸承可以軸向移動(dòng)。

 

在整個(gè)圓周上支撐滾動(dòng)軸承

在整個(gè)圓周上支撐滾動(dòng)軸承

在以下三個(gè)圖表中,符號■和□表示對于不同的軸承類(lèi)型和安裝類(lèi)型的不同徑向定位形式。符號■表示定位形式需要承受一定的力的作用,符號□表示定位形式僅防止套圈的軸向滑動(dòng)。

下圖表示用作定位軸承的不同軸承類(lèi)型的軸向定位方式,內圈和外圈兩側定位。

定位軸承的軸向定位

定位軸承的軸向定位

下圖表示浮動(dòng)軸承的軸向定位方式,軸向定位方式同樣取決于軸承類(lèi)型。例如,對于帶活動(dòng)內圈或外圈的軸承,內圈或外圈需要軸向定位。

 

浮動(dòng)軸承的軸向定位

浮動(dòng)軸承的軸向定位

在一個(gè)方向上傳遞軸向力的軸承安裝布置或浮動(dòng)軸承結構,需要特殊的定位方式。下圖給出了說(shuō)明,各個(gè)套圈單邊軸向定位。

 

軸承安裝布置或浮動(dòng)軸承結構的軸向定位

軸承安裝布置或浮動(dòng)軸承結構的軸向定位

在軸向定位時(shí)使用不同的定位元件:

  • 相鄰結構,例如軸承座端蓋、齒輪、隔圈

  • 軸或軸承座鎖緊環(huán)

  • 彈簧元件(主要用于軸向預緊)

軸向定位

軸向定位:軸承座端蓋用于外圈的固定,鎖緊環(huán)用于內圈的固定(F = 定位軸承,L = 浮動(dòng)軸承)

下圖所示的浮動(dòng)軸承布置屬于一個(gè)例外,這里使用的兩個(gè)軸承不是軸向定位的,而是軸承本身具有軸向定位的功能。

 

浮動(dòng)軸承布置

浮動(dòng)軸承布置

在軸承內部進(jìn)行調整來(lái)達到像定位軸承的定位方式可以實(shí)現浮動(dòng)軸承的布置形式,下圖所示的是兩個(gè)NJ型圓柱滾子軸承的示例。

 

NJ型圓柱滾子軸承的浮動(dòng)軸承布置

NJ型圓柱滾子軸承的浮動(dòng)軸承布置;s = 軸向間隙

軸向定位的另外一種方式是通過(guò)鎖緊螺母,如下圖所示,通過(guò)鎖緊墊片額外固定鎖緊螺母防止松動(dòng)。

左側:帶螺母和鎖緊墊片的緊定套 | 右側:帶螺釘和墊片的鎖緊螺栓

左側:帶螺母和鎖緊墊片的緊定套 | 右側:帶螺釘和墊片的鎖緊螺栓

上述軸向定位是最常見(jiàn)的安裝方式,利用鎖緊螺栓定位的情況并不常見(jiàn)。借助于螺釘在軸承外圈上用隔圈壓緊也是一種軸向定位方式。

 

借助于螺釘用隔圈定位外圈

借助于螺釘用隔圈定位外圈

此外,還有一些用于定位軸承的特殊解決方案,這些解決方案經(jīng)常在軸承設計中出現偏差。 在這種情況下內圈和外圈都帶有定位單元,為此采用加寬內圈并包含一個(gè)定位孔,或者重新設計外圈以直接定位。 下圖所示為此類(lèi)特殊類(lèi)型的示例。

 

用于軸向定位的各種特殊解決方案

用于軸向定位的各種特殊解決方案

滾動(dòng)軸承的徑向支撐

除了軸向定位以外,軸承在軸承座中以及在軸上的徑向支撐同樣很重要。徑向安裝條件的選擇對軸承工作游隙有著(zhù)重要的影響,進(jìn)而也影響了軸承的運轉平穩性以及耐用性。在這種情況下,軸和軸承座的公差起決定性作用,尤其是圓度。

對于徑向支撐的軸承,根據應用情況選擇內圈和/或外圈的緊配合。在軸承套圈選擇配合時(shí),應考慮以下準則::

  • 必須在整個(gè)圓周上充分支撐軸承套圈,這與軸承的承載能力直接相關(guān)。

  • 各個(gè)套圈不允許在其配合件上沿切線(xiàn)方向有移動(dòng)或滑動(dòng)。

  • 浮動(dòng)軸承必須補償軸和軸承座的長(cháng)度變化。

  • 軸承的安裝和拆卸應盡量簡(jiǎn)便。

軸承座需要符合形狀和測量公差以及表面質(zhì)量的參考值,參考值如下表所示。

 

軸承  
公差等級
軸承配合面 直徑公差 圓度公差 跳動(dòng)公差
      圓周載荷 t1 點(diǎn)載荷 t1 t2

PN (標準公差)

IT 6 (IT 5)

IT 4 / 2

(IT 3 / 2)

IT 5 / 2

IT 4 / 2

IT 4 (IT 3)

PN (標準公差)

軸承座
? ≤ 150 mm

IT 6 (IT 7)

IT 4 / 2

(IT 5 / 2)

IT 5 / 2

IT 6 / 2

IT 4 (IT 5)

PN (標準公差)

軸承座
? > 150 mm

IT 7 (IT 6)

IT 5 / 2

(IT 4 / 2)

IT 6 / 2

IT 5 / 2

IT 5 (IT 4)

P6

 

IT 3 / 2

(IT 2 / 2)

IT 4 / 2

IT 3 / 2

IT 3 (IT 2)

P6

軸承座

 

IT 4 / 2

(IT 3 / 2)

IT 5 / 2

IT 4 / 2

IT 4 (IT 3)

P5

 

IT 2 / 2

 

IT 3 / 2

 

IT 2

P5

軸承座

 

IT 3 / 2

 

IT 4 / 2

 

IT 3

P4, SP

 

IT 1 / 2

 

IT 2 / 2

 

IT 1

P4, SP

軸承座

 

IT 2 / 2

 

IT 3 / 2

 

IT 2

為了正確配合必須首先確定載荷-旋轉條件,下圖列出了不同的類(lèi)型。

 

軸承的旋轉條件

軸承的旋轉條件

旋轉條件 示例 示意圖 載荷情況 配合

內圈旋轉,外圈靜止

帶齒輪的軸

(a)

內圈承受圓周載荷,
外圈承受點(diǎn)載荷

內圈:緊配合,外圈:松配合

載荷方向恒定

內圈旋轉,外圈靜止

離心機,振動(dòng)篩

(b)

內圈承受點(diǎn)載荷,
外圈承受圓周載荷

內圈:松配合,外圈:緊配合

載荷方向與內圈一起旋轉

內圈靜止,外圈旋轉

機動(dòng)車(chē)前輪

(c)

內圈承受點(diǎn)載荷,
外圈承受圓周載荷

內圈:松配合,外圈:緊配合

載荷方向恒定

內圈靜止,外圈旋轉

明顯存在不平衡的軸承布置

(d)

內圈承受圓周載荷,
外圈承受點(diǎn)載荷

內圈:緊配合,外圈:松配合

載荷方向與外圈一起旋轉

配合建議

根據旋轉條件、軸承類(lèi)型、軸和軸承座直徑以及載荷情況來(lái)選擇內圈和外圈的配合,下表給出了一些建議。在 DIN EN ISO 286 (2019) 中規定了軸和軸承座的配合公差值。
 

針對特定載荷條件的配合建議 - 向心軸承 

針對特定載荷條件的配合建議 - 向心軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 推力軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 推力軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 向心軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 向心軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 推力軸承

針對特定運行條件的配合建議 - 推力軸承

配合的類(lèi)型和示例

下圖顯示了一個(gè)示例軸承與軸承座/軸的相應配合,大寫(xiě)字母表示座孔公差,小寫(xiě)字母表示軸公差。軸承配合的類(lèi)型:間隙配合、過(guò)渡配合和過(guò)盈配合用彩色標識。這表明軸承間隙的調整會(huì )導致零件之間的間隙,相反在過(guò)盈配合的情況下零件會(huì )相互重疊,會(huì )引起相應套圈的緊配合。此外,還防止套圈通過(guò)切向力引起的旋轉。過(guò)盈配合引起內圈變寬和外圈收縮,這種套圈幾何形狀的改變會(huì )影響滾道表面的運行精度,必須事先加以考慮。

配合一覽(圖示為放大圖)

配合一覽(圖示為放大圖)

在選擇配合時(shí),需要考慮多種影響因素。除了上述緊配合之外,機械限制因素也需要考慮在內。 這些涉及到在過(guò)程配合或者過(guò)盈配合發(fā)生膨脹的情況下引起的內圈變寬。

 

 

安裝條款

DIN 5418 標準規范了在軸承布置和結構應用中相鄰結構可以作為輔助,安裝尺寸發(fā)揮著(zhù)重要作用。

首先檢查軸承制造中的倒角尺寸,在將軸承被推進(jìn)至其緊密配合時(shí),其端面位于軸或外殼的接觸表面上。因此必須調整兩個(gè)接觸面的倒角尺寸,以確保配合表面完全貼合。軸和連接處擋肩可能是軸承上唯一的接觸點(diǎn),通常軸和軸承座處的倒角尺寸必須小于軸承套圈的最小倒角尺寸。作為半徑的替代方案,可以在軸上加工一個(gè)凹槽,在這種情況下接觸表面需要被固定,在此需要提前考慮凹槽的影響。

接觸表面的倒角半徑

接觸表面的倒角半徑

接觸面擋肩同樣按照DIN 5418標準來(lái)進(jìn)行設計,擋肩高度的正確尺寸尤為重要,其確保了力的正確傳遞。在軸承列表中規定了接觸表面的高度限制尺寸,基于相應軸承套圈的倒角尺寸對應的相關(guān)部件的倒角尺寸和最小高度,一般不做特別的要求。

圓錐滾子軸承和角接觸球軸承具有特殊性,接觸表面的擋肩高度是不用的。

圓錐滾子軸承擋肩高度

圓錐滾子軸承擋肩高度

在安裝推力軸承時(shí),同樣必須考慮接觸面的高度(參見(jiàn) DIN 5418)。如果相鄰部件的結構布置中帶止動(dòng)槽的軸承無(wú)法實(shí)現軸向定位時(shí),則使用止動(dòng)環(huán)進(jìn)行定位,此布置不適用于傳遞軸向力。

 

使用止動(dòng)環(huán)軸向定位

使用止動(dòng)環(huán)軸向定位

額外的軸向定位元件可以單獨布置,其基礎是一般的幾何零件構成的機械集成結構,適用于定位軸承和浮動(dòng)軸承的布置。

將軸承推進(jìn)到軸上,軸承通過(guò)緊密配合與軸牢牢接觸。因此軸承座前的軸肩通常具有較小的直徑,在無(wú)法分離軸系的情況下,應在軸承緊密配合之前采用松配合/間隙配合。 此外,在相應的軸端帶一個(gè)斜面,更容易組裝軸承。所有的邊緣均應無(wú)損壞且無(wú)毛刺。將軸承推進(jìn)到軸上,軸承通過(guò)緊密配合與軸牢牢接觸。因此軸承座前的軸肩通常具有較小的直徑,在無(wú)法分離軸系的情況下,應在軸承緊密配合之前采用松配合/間隙配合。 此外,在相應的軸端帶一個(gè)斜面,更容易組裝軸承。所有的邊緣均應無(wú)損壞且無(wú)毛刺。

 

軸承座設計

如果軸承座孔不能很好地支撐軸承外圈,軸承外圈在徑向載荷的沖擊作用下會(huì )變成橢圓形。

 

由于載荷導致的外圈橢圓變形

由于載荷導致的外圈橢圓變形

由于沖擊力的影響已經(jīng)達到可允許的軸承座變形,則必須進(jìn)行加強設計。 通過(guò)這種方式,外圈得以穩定,軸承的圓度也能獲得精確保障。

對最小壁厚強度的假設如下:

hA=(1.5 ... 2.0) ? (D ? d) /2

hB=(0.7 ... 1.2) ? (D ? d) /2

hC=(0.15 ... 0.25) ? (D ? d) /2

右下方的圖示表示壁厚強度的變化量,描述了在這種情況下,最大的壁厚位于力的作用方向上,因為力和相對位置的支撐點(diǎn)會(huì )在最大程度上使材料產(chǎn)生變形, 側壁和上壁區域形成抵抗外圈整體變形的阻力。

左圖顯示了不同壁厚區域的變化以及力平衡的相應變化,目的是在動(dòng)載荷 P 和徑向力 FR 之間獲得可接受的比例。

壁厚強度名稱(chēng)

左側:壁厚強度名稱(chēng) | 右側:不同壁厚情況下的軸承的變形(P = 等效應變,FR = 徑向載荷)

軸承座上支撐點(diǎn)的分布同樣非常重要,軸承連接機器中的旋轉和非旋轉部件。 在大多數情況下,軸承座連接到相鄰的結構,需要注意支撐點(diǎn)的正確布置,它決定了力向相鄰結構的傳遞。如果軸承座使用了支撐點(diǎn),則力的傳遞只能通過(guò)這一位置。 因此,多個(gè)支撐點(diǎn)對力的平衡有積極的影響。

 

帶兩個(gè)支撐點(diǎn)的軸承座

帶兩個(gè)支撐點(diǎn)的軸承座

環(huán)境因素和預防措施

滾動(dòng)軸承的使用壽命主要取決于環(huán)境因素,其中污染物的影響特別突出,如果污染物進(jìn)入到軸承的內部,能引起軸承的早期損壞。關(guān)于因污染而造成軸承損壞的更多信息,請參見(jiàn) ISO 15243。

為了保護軸承免受污染,必須在結構設計時(shí)提供密封裝置,它們構成了軸承內部和環(huán)境之間的保護屏障。

密封的原理

密封的原理:(1) 潤滑劑,(2) 密封單元,(3) 污染物

潤滑劑能防止滾動(dòng)體和套圈滾道之間的金屬接觸,為此潤滑劑必須潔凈且無(wú)污染,污染物會(huì )改變潤滑劑,可能對滾動(dòng)軸承造成損壞。

密封單元的布置需要明確安裝情況、密封設計和密封材料,每種應用都需要單獨的密封設計方案,存在靜態(tài)密封和動(dòng)態(tài)密封的區別。


 

軸承的密封形式

對密封設計提出了以下要求,必須對其加以檢查并遵守:

  • 有效防止污染和液體進(jìn)入

  • 防止潤滑劑溢出

  • 低摩擦系數(對于接觸式密封)

  • 熱穩定性

  • 密封間隙中的最大旋轉速度(對于接觸式密封)

  • 耐化學(xué)性

  • 足夠長(cháng)的使用壽命

  • 有效利用安裝空間

在密封設計時(shí),密封材料的選擇同樣是一項決定性的標準。其中以下特性至關(guān)重要:

  • 工作溫度

  • 化學(xué)兼容性

  • 機械特性

  • 動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

  • 收縮性

  • 摩擦和磨損特性

接觸式密封采用不同的材料,常用的橡膠材料如下:

  • NBR(丁腈橡膠)

  • HNBR(氫化丁腈橡膠)

  • ACM(丙烯酸酯橡膠)

  • FKM(氟橡膠)

  • EPDM(三元乙丙橡膠)

只有當密封能夠緊密貼合在合適的表面上時(shí),才能實(shí)現最佳的密封性能。 如果密封表面出現劃痕、條紋、氣孔、粗糙度超差、硬度不足或不能彎曲等缺陷,則可能會(huì )導致密封不良。

密封表面應具備以下特性:
 

密封的表面質(zhì)量

密封工作面 表面粗糙度 工作面的最小硬度

徑向密封墊圈滑動(dòng)面
無(wú)扭曲變形
(旋轉密封)

Ra = 0.2 μm 至 0.8 μm

Rz = 1.0 μm 至 4.0 μm

Rz1max ≦ 6.3 μm

600 HV 或  55 HRC

用于連桿和活塞密封的拋光區域
(軸向密封)

Ra = 0.05 μm 至 0.3 μm

Rmr(0) 5% / Rmr(0.25·Rz) 70%

Rz1max ≦ 2.5 μm

600 HV 或  55 HRC

接觸面
(靜態(tài)密封)

Ra ≦ 1.6 μm

Rz ≦ 10.0 μm

Rz1max ≦ 16.0 μm

-

推薦使用經(jīng)過(guò)硬化、無(wú)扭曲變形的接觸式密封,其可作為密封運行表面且易于更換。