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相鄰結構

軸承位置的布置

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

滾動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,滾動軸承需要相應的布置設計。標準的軸承布置無法滿足的話,必須制定特殊的軸承布置解決方案。

承受徑向載荷的滾動軸承在整個圓周上得到徑向支撐,以防止點載荷發生。

 

滾動軸承的軸向固定

不同類型的滾動軸承軸向定位在很大程度上取決于其設計,下圖以兩個深溝球軸承為例,描述了浮動軸承和定位軸承之間的區別。左側軸承是一個定位軸承,必須承受更大程度的軸向力,因此需要軸向定位。右側軸承是一個浮動軸承,其僅僅需要承受很小的軸向力,并且能夠通過非軸向定位的外圈實現軸向移動。這樣的話,例如在有熱膨脹的情況下,軸承可以軸向移動。

 

在整個圓周上支撐滾動軸承

在整個圓周上支撐滾動軸承

在以下三個圖表中,符號■和□表示對于不同的軸承類型和安裝類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。

下圖表示用作定位軸承的不同軸承類型的軸向定位方式,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

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

 

浮動軸承的軸向定位

浮動軸承的軸向定位

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

 

軸承安裝布置或浮動軸承結構的軸向定位

軸承安裝布置或浮動軸承結構的軸向定位

在軸向定位時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

  • 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,鎖緊環用于內圈的固定(F = 定位軸承,L = 浮動軸承)

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

 

浮動軸承布置

浮動軸承布置

在軸承內部進行調整來達到像定位軸承的定位方式可以實現浮動軸承的布置形式,下圖所示的是兩個NJ型圓柱滾子軸承的示例。

 

NJ型圓柱滾子軸承的浮動軸承布置

NJ型圓柱滾子軸承的浮動軸承布置;s = 軸向間隙

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

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的安裝方式,利用鎖緊螺栓定位的情況并不常見。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定位孔,或者重新設計外圈以直接定位。 下圖所示為此類特殊類型的示例。

 

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重要的影響,進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,應考慮以下準則::

  • 必須在整個圓周上充分支撐軸承套圈,這與軸承的承載能力直接相關。

  • 各個套圈不允許在其配合件上沿切線方向有移動或滑動。

  • 浮動軸承必須補償軸和軸承座的長度變化。

  • 軸承的安裝和拆卸應盡量簡便。

軸承座需要符合形狀和測量公差以及表面質量的參考值,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 跳動公差
      圓周載荷 t1 點載荷 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,振動篩

(b)

內圈承受點載荷,
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

機動車前輪

(c)

內圈承受點載荷,
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、軸承類型、軸和軸承座直徑以及載荷情況來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

配合的類型和示例

下圖顯示了一個示例軸承與軸承座/軸的相應配合,大寫字母表示座孔公差,小寫字母表示軸公差。軸承配合的類型:間隙配合、過渡配合和過盈配合用彩色標識。這表明軸承間隙的調整會導致零件之間的間隙,相反在過盈配合的情況下零件會相互重疊,會引起相應套圈的緊配合。此外,還防止套圈通過切向力引起的旋轉。過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,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。 這些涉及到在過程配合或者過盈配合發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,安裝尺寸發揮著重要作用。

首先檢查軸承制造中的倒角尺寸,在將軸承被推進至其緊密配合時,其端面位于軸或外殼的接觸表面上。因此必須調整兩個接觸面的倒角尺寸,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,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標準來進行設計,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,同樣必須考慮接觸面的高度(參見 DIN 5418)。如果相鄰部件的結構布置中帶止動槽的軸承無法實現軸向定位時,則使用止動環進行定位,此布置不適用于傳遞軸向力。

 

使用止動環軸向定位

使用止動環軸向定位

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軸承的布置。

將軸承推進到軸上,軸承通過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斜面,更容易組裝軸承。所有的邊緣均應無損壞且無毛刺。將軸承推進到軸上,軸承通過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斜面,更容易組裝軸承。所有的邊緣均應無損壞且無毛刺。

 

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達到可允許的軸承座變形,則必須進行加強設計。 通過這種方式,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會在最大程度上使材料產生變形, 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,目的是在動載荷 P 和徑向力 FR 之間獲得可接受的比例。

壁厚強度名稱

左側:壁厚強度名稱 | 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,則力的傳遞只能通過這一位置。 因此,多個支撐點對力的平衡有積極的影響。

 

帶兩個支撐點的軸承座

帶兩個支撐點的軸承座

環境因素和預防措施

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

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

密封的原理

密封的原理:(1) 潤滑劑,(2) 密封單元,(3) 污染物

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

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,存在靜態密封和動態密封的區別。


 

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)

  • 耐化學性

  • 足夠長的使用壽命

  • 有效利用安裝空間

在密封設計時,密封材料的選擇同樣是一項決定性的標準。其中以下特性至關重要:

  • 工作溫度

  • 化學兼容性

  • 機械特性

  • 動態力學特性

  • 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,才能實現最佳的密封性能。 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,則可能會導致密封不良。

密封表面應具備以下特性:
 

密封的表面質量

密封工作面 表面粗糙度 工作面的最小硬度

徑向密封墊圈滑動面
無扭曲變形
(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
(靜態密封)

Ra ≦ 1.6 μm

Rz ≦ 10.0 μm

Rz1max ≦ 16.0 μm

-

推薦使用經過硬化、無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。

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