轴承扭簧的预载荷理解与计算.docx
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轴承扭簧的预载荷理解与计算
第一部分
扭杆弹簧预载荷的定义是什么？
？
是如何计算的？
？
它与扭杆弹簧的强扭角又有什么区别？
？
1、扭杆弹簧的预载荷就是给自由状态的扭杆预先加上去的一个较小的扭力，相当于拉簧、螺旋扭转弹簧的P1,这个预载荷能够保证机构能在初始状态也能有一定的扭力施加在机构上，打个比方，如果没有预载荷，你晾晒衣服用的夹子在初始状态就一点儿力也没有，完全是松松垮垮的，能行吗？
2、扭杆弹簧的预载荷，是经过机构受力计算而来的初始数据，不是弹簧计算的结果，也就是说，是机构需要的最小扭力，就相当于是夹衣服的夹子初始扭力也就是保证夹子不散架就行（当夹子夹持一定厚度的衣服时，扭转角度也就发生变化，同时扭力也开始增大，继续张开夹子，扭力会达到最大扭矩P2、极限扭矩P3）
3、这里所说的“扭杆弹簧的强扭角”理解为最大扭矩P2而产生的最大的扭转角φ2（极限扭矩应该是P3，极限扭转角应该是φ3）
4、最大扭矩P2与初始扭矩P1一样，也是由机构需要而确定的，弹簧的一系列计算就围绕着初始扭矩P1、最大扭矩P2、初始扭矩下产生的扭转角φ1、最大转矩下产生的转角φ2来进行计算的，（工作转角φ=φ2-φ1）
轴承的预载荷
第二部分
轴承的预载荷
根据应用场合，有必要在轴承配置中加入正的或负的工作游隙。
在大多数应用场合，工作游隙应是正的，即在运行时，轴承应有剩余游隙，尽管很小，见“轴承的内部游隙”一节。
但是在很多情况下，例如机床主轴轴承、汽车车轴传动器上的小齿轮轴承、小型电动机轴承配置或作摇摆运动的轴承配置，需要负的工作游隙，即要加预载荷，来提高轴承配置的刚性或提高运行精度。
在空载或极轻负荷条件下与高速度运行的轴承，也建议应用预载荷，例如使用弹簧加压。
在这些情况下，预载荷起到为轴承提供最低负荷的作用，防止因滚动体打滑而造成轴承损坏，见“要求的最低负荷”。
轴承的预载荷--预载荷的种类
根据轴承类型不同，预载荷可以是径向或轴向的。
例如，圆柱滚子轴承由于其设计特点只能承受径向预载荷，而推力球轴承与圆柱滚子推力轴承则只能承受轴向预载荷。
单列角接触球轴承与圆锥滚子轴承（图35）
一般要跟另一个同样类型的轴承一起背对背（a）或面对面（b）配置安装，这类轴承要加轴向预载荷。
深沟球轴承通常也要用轴向预载荷，要这样做，轴承的径向内部游隙应比正常值的要大（例如C3），这样，像角接触球轴承的情况一样，可以产生大于零的接触角。
对于圆锥滚子轴承与角接触球轴承来说，在轴承背对背布置时，其压力中心之间的距离L大于轴承中心之间的距离I（图36），在面对面布置时（图37），
L小于I。
这就是说背对背布置的轴承即使轴承中心距离较短，也能够承受较大的倾覆力矩。
这类轴承中由力矩负荷产生的径向力以及所造成的轴承变形比面对面布置的轴承要小些。
如果在运行中轴的温升比轴承座高，根据安装过程中的环境温度而调整（设定）的预载荷将会增加，面对面布置的增加量大于背对背布置的增加量。
在两种情况下，径向热膨胀都起到减少游隙或增加预载荷的作用。
当轴承面对面布置时，径向热膨胀会增加这种趋势，而背对背布置时，则会减少这种趋势。
仅就背对背布置来说，轴承之间有一定距离，当轴承与相关部件的热膨胀系数相同时，径向与轴向热膨胀会相互抵消，因此预载荷不会改变。
轴承的预载荷--轴承预载荷的作用
提高刚性
降低运行噪音
提高轴引导精度
补偿运行中的磨损和沉降（下沉）过程，并提供较长的使用寿命。
高刚性
轴承刚性（单位为千牛顿/微米）的定义为：
作用在轴承上的力同轴承中弹性变形的比例。
预载荷轴承由载荷引起的弹性变形在一定的载荷范围内比无预载荷轴承小。
无噪音运转
轴承的运行游隙越小，滚动部件在无载荷区的引导就越好，轴承在运行中的噪音就越小。
精确的轴引导
预载荷轴承提供更精确的轴引导，因为预载荷限制了轴在载荷下的弯曲能力。
例如，由于预载荷小齿轮和差动轴承而得以利用的更精确的引导和提高的刚性意味着，齿轮啮合将保持精确一致，额外的动态力会降到最低。
结果运行噪音小，齿轮啮合经久耐用。
磨损和沉降的补偿
轴承配置在运行中的磨损和沉降过程会增加游隙，但这可以用预载荷补偿。
经久耐用
在一些应用中，预载荷轴承配置可提高运行可靠性并延长使用寿命。
程度适当的预载荷可对轴承的载荷分布产生有利影响从而有利于延长使用寿命，请参见“保持适当的预载荷”一节。
轴承预载荷--决定预载荷力
预载荷可表示为一个力或一个路径（距离），尽管预载荷力是主要规格系数。
根据调整方法，预载荷还同轴承中的摩擦扭矩有间接关系。
最佳预载荷的经验值可从经过验证的设计中取得，并可用于相似设计。
对于新的设计，SKF建议计算预载荷力并通过试验检查其准确性。
一般来说，因为实际上不了解所有对实际运行有影响的因素，所以在实践中可能需要进行更正。
计算的可靠性首先取决于关于运行中温度条件以及相关部件-最重要的是轴承座-的弹性表现的假定同实际情况的吻合程度。
决定预载荷时，首先应计算提供刚性、轴承寿命和运行可靠性的最佳组合所需要的预载荷力。
然后，计算在安装中调整轴承时要使用的预载荷力。
安装时，轴承应处于环境温度下，而且无运行载荷。
正常运行温度下适当的预载荷取决于轴承的载荷。
角接触球轴承或圆锥滚子轴承可同时承受径向和轴向载荷。
在径向载荷下，轴承中会产生作用于轴向的力，一般要由第二个轴承承受，而该轴承面向与第一个轴承相反的方向。
一个轴承圈相对于另一个轴承圈的纯径向位移意味着轴承圆周的一半（即滚动部件的一半）承受载荷，在轴承中产生的轴向力为
Fa=0,5Fr/Y
其中Fr为轴承的径向载荷（图38）。
轴向系数Y的数值见产品表。
当单个轴承要承受径向载荷Fr时，如要达到基本载荷额定值（载荷轴承圆周的一半）的必要条件，就必须施加上述强度的外部轴向力Fa。
如果施加的外力较小，支撑载荷的滚动部件数量就会较少，轴承的载荷能力就会相应降低。
在由两个单列角接触球轴承或两个圆锥滚子轴承背对背或面对面组成的轴承配置中，每个轴承都必须承受来自另一个轴承的轴向力。
两个轴承相同时，径向载荷作用于两个轴承的中心，如果轴承配置调整为零游隙，一半滚动部件承受载荷时就可自动达到载荷分布。
在其它载荷情况下，特别是在有外部轴向载荷时，可能需要对轴承加预载荷，以补偿考虑到轴向载荷，由于轴承弹性变形造成的游隙，并在无轴向载荷的另一个轴承上达到更有利的载荷分布。
预载荷还增加轴承配置的刚性。
考虑刚性时，应记住刚性不仅受到轴承弹性的影响，而且受到轴和轴承座弹性、轴承圈的安装配合以及应力场中所有其它部件包括支座的弹性变形的影响。
这些因素都对整个轴系统的弹性有相当的影响。
轴承的轴向和径向弹性取决于内部设计，即接触条件（点接触或线接触）、滚动部件的数量和直径以及接触角度；接触角度越大，轴承的轴向刚性就越高。
如果作为初步估计，假定存在弹性对载荷的线性依赖关系，即弹簧恒比，则对比显示，在相同外部轴向力Ka作用下，预载荷轴承配置的轴向位移比无预载荷轴承配置的轴向位移小（图解2）。
例如，一个小齿轮轴承配置由两个尺寸不同的圆锥滚子轴承甲和乙组成，弹簧常数为cA和cB，预载荷力为F0。
如果轴向力Ka作用于轴承甲，轴承乙就会无载荷，并作用于轴承甲的额外载荷和轴向位移δa会比无预载荷的轴承小。
但是，如果外部轴向力超过Ka=F0[1+（cA/cB）]的数值，轴承乙就会解脱轴向预载荷力，在额外载荷下的轴向位移就会同无预载荷轴承配置相同，即完全由轴承甲的弹簧常数决定。
为了防止轴承乙在轴承甲承受载荷Ka时完全无载荷，需要以下预载荷力：
F0=KacB/（cA+cB）。
预载荷轴承配置中的力和弹性偏移以及预载荷力变化的影响最容易在预载荷力/预载荷路径图解（图解3）
中识别。
这个图解由部件的弹簧曲线组成，这些部件针对预载荷相互调整，使以下条件成为可能。
预载荷轴承配置中预载荷力和预载荷路径的关系；
外部施加的轴向力Ka同预载荷轴承配置的轴承载荷以及由外力产生的弹性变形的关系。
在图解3中，所有要承受运行力的额外载荷的部件均以从左向右增加的曲线代表，而所有无载荷部件均以从右向左增加的曲线代表。
曲线1、2和3代表不同的预载荷力（F01、F02虚线代表轴承本身，而实线代表整个轴承位置（轴承及相关部件）。
使用图解3，有可能解释例如小齿轮轴承配置（图40）的关系，
其中轴承甲通过轴和轴承座针对轴承乙调整，以提供预载荷。
外部轴向力Ka（齿轮力的轴向部件）加在预载荷力F01之上（曲线1），以至轴承甲要承受额外载荷，而轴承乙却无载荷。
轴承位置A的载荷指定为FaA，而轴承位置B的载荷指定为FaB。
在力Ka的影响下，小齿轮轴发生δa1程度的轴向位移。
选择了较小的预载荷力F02（曲线2），这样轴承B正好由轴向力Ka卸载，即FaB=0而且FaA=Ka。
小齿轮轴在这种情况下发生δa2>δa1程度的位移。
轴承配置无预载荷时（曲线3），小齿轮轴的轴向位移最大（δa3>δa2）。
轴承预载荷--调整步骤
调整的意思是调整轴承内部游隙，请参见“安装-带圆柱孔的轴承”一节，或调整轴承配置的预加载荷。
径向预加载荷通常用于圆柱滚子轴承、双列角接触球轴承，有时用于深沟球轴承。
例如，可对一个或两个轴承圈使用足够大的过盈量，将轴承的最初内部游隙降低到零，这样在运行中就会有负游隙，即预加载荷。
带锥孔的轴承特别适合径向预加载荷，因为通过将轴承压向锥形轴承位上，预加载荷可控制在很小的范围内。
单列角接触球轴承、圆锥滚子轴承和深沟球轴承的轴向预加载荷是通过使一个轴承圈相对于另一个轴承圈产生轴向位移来获得的，偏移量同所需预加载荷力相对应。
主要有两组调整方法，根据下列不同的原则：
单独调整和整体调整
单独调整
采用单独调整时，每个轴承配置使用螺母、垫片、间隔套、变形套等分别调整。
测量和检查步骤确保所得到的公称预加载荷力的偏差值尽可能小。
根据要测量的轴承数量，有不同的方法：
–
使用预加载荷预紧量来调整；
–
使用摩擦力矩来调整；以及
–
使用直接测力法来调整。
单独调整的优点是单个部件可达到标准公差，并能以适当高精度达到所需预加载荷。
使用预加载荷预紧量来调整
这种调整方法经常在轴承配置部件预组装的情况下使用。
例如，可通过在两个轴承的外圈和内圈之间插入中间圈，
得到差速器轴承配置的预加载荷（图39）；
在轴承座肩和轴承外圈之间或在防护罩和轴承座之间插入调节垫片（图40），在这个例子中轴承座有带法兰盘并成角度的插入件；
在轴肩和一个轴承内圈之间（图41）或两个轴承的内圈之间插入间隔圈。
垫片、中间圈或间隔圈的宽度由以下因素决定：
–
轴和轴承座肩之间的距离；
–
两个轴承的总宽度；
–
同所需预加载荷力对应的预紧量（轴向位移）；
–
考虑到运行中的热膨胀时，预紧量的修正系数；
–
所有部件的制造公差指安装前的测量值；以及
–
考虑到运行一段时间后一定的预加载荷力损失的修正系数。
这个调整方法是基于预加载荷系统内预加载荷力和弹性变形之间的关系的。
所需预加载荷可由预加载荷力/预紧量图（图4决定。
使用摩擦力矩来调整
这个方法在系列生产中很常用，因为所需时间少，而且有可能实现较高程度的自动化。
因为在轴承预加载荷和摩擦力矩之间有确定的关系，如果连续监测摩擦力矩，一旦达到同所需预加载荷相应的摩擦力矩，就可以停止调整。
但是，应记住摩擦力矩会因轴承而异，而且取决于使用的防腐剂、或润滑条件和速度。
使用直接测力法来调整
因为轴承调整的目的是在轴承中形成一定的预加载荷，使用直接形成预加载荷或直接测量预紧力的方法看起来比较实际。
但是，在实际应用中，使用预紧量或摩擦力矩间接调整的方法更适宜，因为这些方法简单易行，而且成本效益高。
整体调整
使用这种也称为“随机统计调整”的调整方法时，轴承、轴和轴承座、间隔圈或间隔套等都以正常数量生产，随机组装，这些部件可完全互换。
对于圆锥滚子轴承，互换性还扩大到外圈和内圈组件。
为了避免不经济地生产高精度的轴承和相关部件，可假定公差的极限值在统计上很少同时出现.但是，如果要得到尽可能集中的预加载荷力，制造公差必须降低。
整体调整的优点是安装轴承时不需要检查，也不需额外的设备。
轴承预载荷-弹簧预载荷
在小型电动机和类似应用中对轴承施加预载荷可降低运行噪音。
这种情况下的轴承配置由轴两端各一个单列深沟球轴承组成。
施加预载荷最简单的方法是弹簧或弹簧“组件”（图42）。
弹簧作用于两个轴承中一个的外圈；这个外圈必须能够轴向位移。
即使出现由于热膨胀引起的轴承轴向位移，预载荷力也保持几乎不变。
必要的预载荷可使用公式
F=kd估计。
其中
预载荷力，kN
一个系数，见以下说明
轴承孔径，mm
根据电动机的设计，0,005和0,01之间的数值用于系数k。
如果预载荷主要用于防止轴承静止时的振动损坏，就需要更大的预载荷，应使用k=0,02。
弹簧载荷还是对用于高速研磨轴的角接触球轴承施加预载荷的常用方法。
但是，这个方法不适合要求高度刚性、载荷方向变化或会发生不确定冲击载荷的轴承应用。
轴承预载荷-保持适当的预载荷
为轴承配置选择预载荷时，应记住预载荷超过一定的最佳数值时，刚性只在一定程度上增加，而摩擦和因此引起的发热会增加，由于额外的始终作用的载荷，轴承使用寿命会大幅度缩短。
图解5表示轴承寿命同预载荷/游隙之间的关系。
由于过度预载荷对轴承配置的运行可靠性所暗含的危险，而且由于为了确定适当预载荷力通常所需计算的复杂性，最好同SKF应用工程服务部联系。
在调整轴承配置的预载荷时，应达到通过计算或根据经验确定的预载荷力的数值，分散应尽可能少，这一点也很重要。
这意味着，例如对使用圆锥滚子轴承的轴承配置，轴承应在调整中转几圈，这样滚子就不会歪斜，滚子端就会同内圈的引导法兰正确接触。
如果不是这样，检查中或测量中得到的结果就会不正确，最终的预载荷就会比必要的数值小得多。
轴承预载荷-用于预载荷轴承配置的轴承
对于某些应用，SKF可提供特别制造的单个轴承或匹配轴承，能够进行简单可靠的调整，或在制造时匹配，这样安装后可得到预定的预载荷值。
这些轴承包括：
用于汽车小齿轮和差动轴承配置的圆锥滚子轴承，按照CL7C规格制造；有关详细细节，请参见“单列圆锥滚子轴承”一节。
有关用于万向匹配的单列角接触球轴承，请参见“单列角接触球轴承”一节。
有关配对单列圆锥滚子轴承，如用于工业齿轮箱的轴承，请参见“配对单列圆锥滚子轴承”一节。
有关配对单列深沟球轴承，请参见“单列深沟球轴承”一节。
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