10.1.4 滚动轴承的组合设计
为了保证轴承的正常工作,除合理选择轴承类型、型号外,还要解决轴承的布置、定位,以及轴承与其他零件的装拆、调整、预紧、配合、润滑与密封等一系列问题。 也就是还要合理地进行轴承的组合设计。
1)滚动轴承的组合定位
轴系在机器中必须有确定的位置,以保证工作时不发生轴向窜动,但同时为了补偿轴的热伸长,又应允许在适当范围内可以有微小的自由伸缩。
轴系的轴向定位,一般是通过同一轴上两个支点处轴承内外圈轴向固定的综合结果来实现的。
根据两端轴承的支承结构可分为以下3 种组合形式:
(1)两端单向固定支承(双支点单向固定)
当轴的跨距较小(L≤350 mm)或工作温度不高(t≤70 ℃)时,可采用两端单向固定的支承结构。
两端单向固定支承结构是由两个支承各限制轴的一个方向的轴向移动,如图10.9 所示。
图10.9 两端固定支承
为了补偿轴的受热伸长,在一端的外圈和端盖间留有轴向补偿间隙a(一般取a =0.2 ～0.3 mm)。当采用角接触球轴承或圆锥滚子轴承时,轴的热伸长量由轴承的游隙来补偿。 间隙a 和轴承游隙的大小,通常用一组垫片(见图10.9(a))或调整螺钉(见图10.9(b))等来调节。
(2)一端固定一端游动支承(固游式)
当轴的跨距较大(L ＞350 mm)或工作温度较高(t ＞70 ℃)时,应采用一端固定一端游动支承。 如图10.10(a)所示,左端用一个深沟球轴承,其内外圈双向固定,从而使整个轴得到双向定位,右端轴承外圈和座孔采用间隙配合,其两端面都没有约束,从而保证轴系的轴向游动。如图10.10(b)所示为采用圆柱滚子轴承(内外圈可分离)时的游动支点结构,轴承的内外圈皆要双向固定。
(3)两端游动支承(全游式)
图10.10 一端固定,一端游动支承
如图10.11 所示为人字齿轮传动。 由于轮齿两侧螺旋角不易做到完全对称。 因此,为了防止齿轮卡死或两侧受力不均匀,应采用轴系能有左右微量轴向游动的结构,小齿轮两端都选用圆柱滚子轴承,滚动体与外圈之间可轴向移动。 但需注意,这种轴承的内外圈皆要双向固定,同时与小齿轮相啮合的大齿轮轴系必须两端固定,以使该轴系在箱体中有固定位置。
图10.11 两端游动支承
2)滚动轴承组合的调整及预紧
(1)轴承组合位置的调整
有时轴上零件在安装时要有准确的工作位置,如锥齿轮传动要求两齿轮的锥顶重合于一点;蜗杆传动要求涡轮中间平面通过蜗杆的轴线。 这些都要求轴的轴向位置应能调整。 图10.12(a)中的圆锥齿轮是利用增、减套杯与箱体之间的一组垫片来实现套杯轴向位置调整的,因轴承组合可随套杯作轴向移动,故可实现齿轮啮合的调整。
轴承游隙的调整,可用端盖和套杯之间的另一组垫片来调整,如图10.12(a)所示。 也可用轴上的圆螺母来调整,如图10.12(b)所示。 因轴上有槽,会削弱轴的强度,但轴承“背对背”安装时,轴系刚度比“面对面”安装好,故也被采用。
图10.12 轴系位置的轴向调整及轴承游隙的调整
(2)轴承的预紧
对某些可调游隙式轴承,在安装时给予轴承一定的轴向作用力(预紧力),使其内外圈产生相对位移,以消除游隙,并在套圈和滚动体接触处产生弹性预变形,以提高轴的转动精度和刚度,这种方法称为轴承的预紧。 常用的预紧方法有:弹簧预紧(见图10.13(a)),可保持稳定的预紧力;用锁紧圆形螺母压紧一对轴承中间长度不等的套筒而预紧(见图10.13(b));用锁紧圆形螺母压紧一对磨窄的外圈而预紧(见图10.13(c))。
图10.13 滚动轴承的预紧装置(https://www.daowen.com)
3)滚动轴承的配合
(1)轴承套圈的周向固定
轴承套圈的周向固定,是靠外圈与轴承座孔、内圈与轴颈之间的配合来保证的。
滚动轴承是标准件其内圈与轴颈的配合采用基孔制,外圈与轴承座孔的配合采用基轴制。
轴承配合的选择,应考虑载荷的大小、方向和性质,转速的高低,工作温度,以及套圈是否回转等因素。 一般情况下,转动圈应比固定圈紧;转速越高、载荷越大、冲击振动越严重时,采用的配合应越紧,当轴承安装于薄壁外壳或空心轴上时,应采用较紧的配合,开式外壳与轴承外圈的配合,应采用较松的配合。 如果机器工作时有较大的温度变化,工作温度较高时,内圈与轴的配合应较紧,外圈与孔的配合应较松。
总之,轴承的配合不能过紧或过松。 配合太紧,使轴承内部游隙减少以至完全消失或导致轴承不规则的变形,这些都将破坏轴承的正常工作。 配合过松,将降低轴承的旋转精度,加剧振动。
因为轴承与轴孔的配合不同于普通圆柱的配合,所以在装配图中标注也不同:轴承内圈与轴颈的配合,只标注轴的公差代号而不标注孔的,常采用的公差代号n6,m6,k6,js6 等;轴承外圈与座孔的配合,则只标孔而不标轴常采用的公差代号为K7, J7,H7,G7 等。
(2)轴承的轴向固定
轴承的轴向固定方式很多,选用时应考虑轴向载荷大小、转速高低、轴承类型及装拆等。表10.17 列出了常用的内圈轴向固定方式及其特点,表10.18 列出了常用的外圈轴向固定方式及其特点,可供设计时参考。
表10.17 轴承内圈轴向固定方式
表10.18 轴承外圈轴向固定方式
4)滚动轴承的安装和拆卸
当轴承内圈和轴颈之间的配合有过盈量时,可用锤打、压力机压入装配,也可用温差法装配。 为了使装配时轴承在轴上得到正确的定位,轴上应设计有相应的轴肩,但轴肩的高度不宜过高,否则拆卸时拆卸工具的钩头就无法钩住内圈端面(见图10.14(a))。 如轴肩高度无法降低,则应在轴肩处开槽,以便放入拆卸工具(见图10.14(c))或在机体上做出能拧进拆卸用螺钉的螺孔(见图10.14(d))。
图10.14 轴承的拆卸
5)滚动轴承的润滑密封
①滚动轴承润滑的目的主要是减小摩擦、磨损,同时也有冷却、吸振、防锈及减小噪声的作用。
当轴颈圆周速度v ＜4 m/s 时,可采用润滑脂润滑。 其优点是:润滑脂不易流失,便于密封和维护,一次填充可运转较长时间。 装填润滑脂时,一般不超过轴承内空隙的1/3 ～1/2,以免因润滑脂过多而引起轴承发热,影响轴承正常工作。
当轴颈速度过高时,应采用润滑油润滑,不仅摩擦阻力小,且可起到散热、冷却作用。 润滑方式常用浸油或飞溅润滑。 浸油润滑时油面应不高于最下方滚动体中心,以免因搅油能量损失较大,使轴承过热。 高速轴承可采用喷油或油雾润滑。
②轴承的密封是为了阻止灰尘、水分等杂物进入轴承,同时也为了防止润滑剂的流失。 密封方法的选择与润滑剂种类、工作环境、温度、密封处的圆周速度等有关。 密封方法可分为接触式和非接触式两大类。
接触式密封常用的有毛毡圈和密封圈密封。 如图10.15(a)所示为毛毡圈密封,在轴承端盖上梯形断面槽内装入毛毡圈,使其与轴在接触处径向压紧达到密封,密封处轴颈的速度v≤4 m/s。 如图10.15(b)、(c)所示为密封圈密封。 密封圈由耐油橡胶或皮革制成。 安装时,密封唇应朝向密封的部位,密封效果比毛毡圈好,密封处轴颈的速度v≤7 m/s。 接触式密封要求轴颈接触部分表面粗糙度值Ra ＜0.8 μm。
图10.15 接触式密封
非接触式密封有油沟密封(见图10.16(a)),在油沟内填充润滑脂,端盖与轴颈的间隙为0.1 ～0.3 mm。 油沟密封结构简单,适用于轴颈转速v ＜5 m/s。
除此之外,还有迷宫式密封(见图10.16(b)、(c))。 这种密封为静止件与转动件之间有几道弯曲的缝隙密封,隙缝宽度为0.2 ～0.5 mm,缝中填满润滑脂。 迷宫式密封可用于高速场合。
图10.16 非接触式密封