滚动轴承轴系结构设计.docx

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滚动轴承轴系结构设计

9—3滚动轴承轴系结构设计

   滚动轴承轴系的结构设计，主要是解决轴承在机器中的固定、调整、预紧、配合、装拆、润滑与密封等问题。

   一、支承部分的刚度和同轴度

   轴承在载荷的作用下应具有一定的旋转精度和寿命，这就要求轴承以及与轴承相配的轴、轴承座或箱体都应具有足够的刚度。

一般外壳及轴承座孔壁均应有足够的厚度，壁板上的轴承座的悬臂应尽可能地缩短，并用加强筋来增强支承部位的刚度（图9－12）。

如果外壳是用轻合金或非金属制成的，安装轴承处应采用钢或铸铁制的套杯（图9－13）。

   对于一根轴上两个支承的座孔，必须尽可能地保持同心，以免轴承内外圈间产生过大的偏斜。

最好的办法是采用整体结构的外壳，并把安装轴承的两个孔一次镗出。

如在一根轴上装有不同尺寸的轴承时，外壳上的轴承孔仍应一次镗出，这时可利用衬筒来安装尺寸较小的轴承。

当两个轴承孔分在两个外壳上时，则应把两个外壳组合在一起进行镗孔。

图9—12用加强筋      增强轴承座孔刚度

图9—13利用      套杯安装轴承

   二、滚动轴承的轴向固定

   滚动轴承的轴向固定，包括轴承外圈与机座的固定和轴承内圈与轴的固定。

对这两种固定的要求取决于轴系（轴、轴上零件、轴承与机座的组合）的使用和布置情况。

一方面，轴和轴承相对于机座应有确定的位置，以保证轴上零件能正常地传递力和运动；另一方面，由于工作中轴和机座的温度不相等（通常轴的温度高于机座的温度），而温差可能产生较大的温度应力。

为保证轴系中不致产生过大的温度应力，应在适当的部位设置足够大的间隙，使轴可以自由伸缩。

常见的滚动轴承的轴向固定形式有如下几种。

   1.两端固定支承

   如图9－14所示，轴两端的轴承各限制轴在一个方向的轴向移动，合起来就限制轴的双向移动。

为补偿轴的受热伸长，轴承盖与外圈端面之间应留有0.25～0.4mm的补偿间隙c（图9—14b）。

间隙值可用改变轴承盖和箱体之间的垫片厚度进行调整。

两端固定，结构简单，调整方便，适用于工作温度变化不大的短轴（跨距L<400mm）。

图9—14两端固定支承

   2.一端固定、一端游动支承

   当轴较长或工作温度较高时，轴的热伸长量大，宜采用一端固定一端游动的支承结构。

固定端轴承应能承受双向轴向力，故内外圈在轴向都要固定，而游动端轴承可沿轴向自由游动，以补偿轴的热胀冷缩。

游动支承若采用内外圈不可分离型轴承，如深沟球轴承，只需固定内圈，其外圈在座孔内可以轴向游动，并应在轴外圈与端盖之间留有间隙，如图9－15a所示；若使用的是可分离型的圆柱滚子轴承或滚针轴承，则内外圈都要固定，靠滚子与套圈间的游动来保证轴端移动，如图9－15b所示。

当轴向载荷较大时，固定支承可以采用若干轴承组合的形式，如向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，如图9－16所示；也可以采用两个角接触球轴承（或圆锥滚子轴承）组合在一起的结构，如图9－17所示。

图9—15一端固定、

一端游动支承方案之一

图9—16一端固定          、一端游动支承方

案之二图9              —17一端固

定、一端游动              支承方案之三

   3.两端游动支承

　 要求能左右双向移动的轴，可采用两端游动的轴系结构。

例如一对人字齿轮轴，由于人字齿轮本身的相互轴向限位作用，它们的轴承内外圈的轴向紧固应设计成只保证其中一根轴相对机座有固定的轴向位置，而另一根轴上的两个轴承都必须是游动的，以防止齿轮卡死或人字齿两侧受力不均匀。

   显然,不论滚动轴承是采用哪种固定方式，轴承内圈与轴、轴承外圈与座孔之间必须有轴向固定。

   轴承内圈一端一般用轴肩或套筒定位，另一端常用的轴上固定方法有：

①轴用弹性挡圈固定，它主要用于转速较低，较小轴向载荷的地方（图9—18a）；②轴端挡圈固定（图9—18b）,可用于较高转速、较大轴向载荷处，并仅适用于轴端；③圆螺母及止动垫圈固定（图9—18c），主要用于转速高、承受较大轴向载荷的场合。

图9—18内圈轴向固定的常用方法

   外圈在轴承座孔内轴向固定的常用方法：

①孔用弹性挡圈固定,用于转速较低，轴向载荷较小的场合（图9—19a）；②止动环固定，它用于轴承座孔不便做凸肩且外壳为剖分式结构（图9—19b）；③用轴承端盖固定，它用于转速高、轴向力大的各类轴承（图9—19c）；④螺纹环固定，用于转速高、轴向载荷较大，不适用于使用端盖固定的场合（图9—19d），并可用螺纹环调整轴承游隙。

   滚动轴承的内、外圈是否需要固定以及轴向如何固定，取决于轴承的类型、轴承是否承受轴向载荷（单向或双向）、载荷的大小、以及是固定支承还是游动支承等条件。

图9—19外圈轴向固定的常用方法

   三、滚动轴承游隙和部件组合的调整

   1.轴承游隙的调整

   为保证轴承正常运转，在轴承内一般要留有适当游隙。

有的轴承在制造装配以后，其游隙就确定了，称为固定游隙轴承，例如1类、2类、6类及N类轴承；有的轴承可以在安装进机器时调整其游隙，称为可调游隙轴承，例如2类、3类、5类及7类轴承。

游隙的大小对轴承的寿命、效率、旋转精度、温升和噪音都有很大影响。

图9—20轴承游隙的调整

   调整轴承游隙的方法有：

①用增加或减少轴承盖与轴承座间的垫片组来调整轴承游隙（图9－20a）；②用碟形零件3和螺钉1来调整轴承游隙（图9－20b）。

   2.轴承部件组合的调整

   由于轴承部件组合的各个零件尺寸都有一定的公差，装配后可能使轴上的传动零件（如齿轮、蜗轮等）不能处于正确位置，故需进行调整。

有些传动件，如带轮、圆柱齿轮等，对轴向位置要求不高，一般不需要作严格的调整。

但对于圆锥齿轮，为了正确啮合，要求两个节锥顶点重合，因此必须使轴承部件组合结构能作如图9－21a所示的水平和垂直两个方向的调整。

对于蜗杆蜗轮传动，为了正确啮合，要求蜗轮中间平面通过蜗杆轴线，因此必须使蜗轮轴上的轴承部件组合结构能作如图9－21b所示方向的调整。

其实现方法见图9—22、图9—23。

图9—21轴承部件组合的调整示意图

  图9—22a中有两组调整垫片1、2，套杯与机体之间的调整垫片1用来调整圆锥齿轮的轴向位置；端盖和套杯之间的垫片2用来调整轴承间隙。

图12—30b中圆锥齿轮轴向位置的调整仍是靠套杯与机体之间的调整垫片组来实现，而轴承间隙却是靠轴上的圆螺母来调整的，操作不甚方便，更为不利的是在轴上制有螺纹，应力集中较严重，削弱了轴的强度。

从图中还可以看出，在轴承安装间距LO相同的条件下，载荷作用中心间的距离La>Lb，且图b的齿轮悬臂较图a短，支承刚性较好，但轴系结构较复杂。

   图9－23的轴承座包含左右各一个大端盖，它与机体之间的调整垫片组1主要用来调整蜗轮的轴向位置；而轴承端盖与大端盖之间的调整垫片组2主要用来调整轴承间隙。

   四、滚动轴承的预紧

   轴承的预紧（图9—24）是轴承安装时采用一定的措施使轴承中的滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形，以保证轴承内外圈均处于压紧状态的一种措施。

预紧可以增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承的寿命。

例如，对于重要机械主轴部件轴承，要求较高的支承刚度和旋转精度，就须采用预紧。

预紧可以利用加金属垫片（图a）、磨窄套圈（图b）和加内外隔套（图c）等方法获得。

   五、滚动轴承的配合

图9—24滚动轴承的预紧结构

  滚动轴承的配合主要是指内圈与轴的配合及外圈与机座孔的配合，轴承的轴向固定就是通过配合来保证的。

由于滚动轴承是标准件，所以内圈与轴的配合采用基孔制，外圈与轴座孔的配合采用基轴制。

0级公差滚动轴承常用配合及轴、轴承座的公差带见图9—25所示。

  由公差带可以看出，滚动轴承内径的公差带在零线之下，而一般圆柱公差标准中基准孔的公差带在零线之上。

因此，轴承内圈与轴的配合比圆柱公差标准中规定的基孔制同类配合要紧一些，圆柱公差标准中的许多过渡配合在这里实际成为过盈配合，而有的间隙配合，在这里实际变为过渡配合。

轴承外圈与外壳孔的配合与圆柱公差标准中规定的基轴制同类配合相比较，配合性质的类别基本一致，但由于轴承外径的公差值较小，因而配合也较紧。

图9—25滚动轴承（0级公差）的配合

  滚动轴承配合的选择应保证轴承正常运转，防止内圈与轴、外圈与外壳孔在工作时发生相对转动。

轴承配合种类的选择应根据转速的高低、载荷的大小、温度的变化等因素来决定。

配合过紧，会使轴承的内部间隙减小甚至完全消除，结果使滚动体的转动不灵活甚至被卡死；配合过松，则会影响轴的旋转精度和降低轴承的承载能力。

一般原则是：

转动圈（一般为内圈）的配合选紧些，固定圈（一般为外圈）的配合选松些；载荷大、转速高、振动较大和工作温度变化大的轴承，配合应选得紧些；游动座圈和需经常拆卸的轴承，配合应选得松些。

对一般机械，与轴承内圈配合的回转轴常采用n6、m6k5、k6、js6等；与不转动的外圈相配合的轴承座孔常采用J6、J7、H7、G7等配合。

请注意它与一般圆柱体的配合方式的标注方法不同，由于滚动轴承是标准件，所以它只能标注轴颈及座孔直径公差代号。

  另外，轴颈与座孔表面的圆柱度公差、轴肩及座孔肩的端面圆跳动、配合表面粗糙度等可查阅有关设计手册及参照同类机器的使用经验确定。

  六、滚动轴承的装拆

  由于滚动轴承的配合通常较紧，为便于装配，防止损坏轴承，应采取合理的装配方法，保证装配质量，组合设计时也应采取相应措施。

  安装轴承时，小轴承可用铜锤轻而均匀地敲击配合套圈装入；大轴承可用压力机压入。

尺寸大且配合紧的轴承可将轴承放入温度80～90℃的油中加热，然后套到轴颈上。

需注意的是，力应施加在被装配的套圈上，否则会损伤轴承。

拆卸轴承时，可采用专用工具，如图9－26所示，为便于拆卸，轴承的定位轴肩高度应低于内圈高度；加力于外圈以拆卸轴承时，座孔的结构也应留出拆卸高度，其值可查阅轴承样本。

  套杯内的轴承装拆时轴向移动的距离较长，通常采用圆锥滚子轴承，其内、外圈分别装配，操作较方便，且套杯内孔非配合部分的直径应稍大些（图9－22a），既有利于轴承外圈的装入，又减少了内孔精加工面积。

图9—26滚动轴承的装拆

  七、滚动轴承的润滑

  滚动轴承的润滑主要是为了降低摩擦阻力和减小磨损，同时还可以起到散热、吸收振动、防止锈蚀和密封等作用。

   滚动轴承常用的润滑方式有油润滑及脂润滑。

具体选用一般根据滚动轴承dn值（d为滚动轴承内径，单位为mm；n为轴承转速，单位为r/mm），由表9－12来确定。

  润滑主要用于速度较低的轴承。

润滑脂是一种粘稠的凝胶状材料，能承受较大的载荷，不易流失，便于密封和维护，一次加脂可以维持相当长的一段时间。

滚动轴承中润滑脂的加入量

  一般为轴承和轴承壳体空间容积的1/3～1/2，装脂过多会引起轴承内部摩擦增大，工作温度升高，影响轴承正常工作。

  一般速度较高的轴承均采用油润滑。

润滑油的特点是磨擦阻力小，散热效果好，但需要较复杂的供油和密封装置。

润滑油的主要性能指标是粘度，油的粘度可按轴承的值和工作温度来选择（图9－27），然后根据粘度从润滑油产品目录中选出相应的润滑油牌号。

  若采用浸油润滑方式，则油面高度不超过最低滚动体的中心，以免产生过大的搅油损失和发热。

高速轴承通常采用喷油润滑或油雾润滑方式。

   另外，在一些特殊条件下，如在高温和真空等环境中，当使用脂润滑和油润滑达不到可靠的润滑要求时，则可采用固体润滑。

常用的固体润滑剂有二硫化钼、石墨和聚四氟乙烯等。

图9－27润滑油选择用线图

  八、滚动轴承的密封装置

  为了防止润滑剂流失和灰尘、水份及其它杂物侵入轴承。

按工作原理常用的密封装置可分为接触式及非接触式两大类。

  1.接触式密封

  接触式密封其密封件与配合间直接接触，工作中摩擦发热较大，多用于线速度较低的场合。

常用的接触式密封有毡圈密封和密封圈（皮碗）密封。

（1）毡圈油封主要用于脂润滑，工作环境比较干净的轴承密封。

一般接触处的圆周速度不超过4～5m/s，允许工作温度可达90℃。

如果轴表面经过抛光，毛毡质量较好，圆周速度可允许到7～8m/s。

该密封方式结构简单，矩形断面的毛毡圈被放置在梯形槽内，使它对轴产生一定的压力而起到密封的作用。

图9－28a是压紧力不可调的毛毡密封；图9－28b表示压紧力可调的毛毡密封。

（2）密封圈密封　可用于油润滑或脂润滑，使用方便，密封可靠。

接触处的圆周速度不超过4～12m/s，允许工作温度-40～100℃。

标准密封圈有J、U、O等型式，由耐油橡胶制成。

图9—29用密封圈密封

   图9－29中为有弹簧箍的J型密封圈。

密封圈向外（图9－29a）防尘为主；密封圈朝里，防漏油为主。

采用两个密封圈背靠背安装（图9－29b），可同时起到防尘和防漏油的作用。

  2.非接触式密封

  这类密封没有与轴直接接触摩擦，一般不受速度限制。

  ⑴沟槽式密封　在轴与轴承盖的通孔壁间留有0.1～0.3mm的间隙，并在轴承盖孔壁上车出沟槽（图9－30a），在槽内充满润滑脂。

这种密封结构简单，多用于v<5～6m/s及周围环境干净的场合。

  ⑵迷宫式密封　将旋转和固定零件间的间隙做成迷宫（曲路）（图9－30b），并在间隙内填入润滑脂以加强密封效果。

这种方式对脂润滑和油润滑均可使用，当环境比较脏时，采用这种方式密封效果可靠，但该结构复杂，成本较高，可用于v<30m/s的高速场合。

图9—30非接触式密封

  把两种或两种以上的密封方法组合起来使用称为组合密封。

例如在毛毡密封外加上迷宫密封（图9－30c），可充分发挥各自的优点，提高密封效果。

   以上各种密封方法都是对箱体内外之间的密封。

而当滚动轴承采用脂润滑，箱体内齿轮等传动件采用浸油润滑时，为了防止齿轮运转时飞溅出来的热油冲刷、稀释润滑脂，以致流入箱内，为此应在轴承的内侧设置挡油盘。

  润滑、密封的方法多种多样，其它有关润滑、密封方法及装置可参考有关设计手册。