圆柱滚子轴承径向工作游隙的影响因素及选择.docx

圆柱滚子轴承径向工作游隙的影响因素及选择郭攀成(兰州工业高等专科学校 机械工程系 ,甘肃 兰州 730050)摘要 :以圆柱滚子轴承为例 , 从理论上分析了影响滚动轴承径向工作游隙的主要因素 , 给出选择轴承径向工作游隙的计算公式并进行了实例计算 。克服了传统的通过定性分析选用推荐值的方法确定轴承径向工作游隙 的局限性 , 以保证轴承在具体的工作条件下处于最佳的工作游隙状态 。关键词 :圆柱滚子轴承 ; 径向游隙 ; 工作游隙 ; 选择中图分类号 :th133. 33文献标识码 :b文章编号 :1000 - 3762 (2005) 08 - 0008 - 03游隙是滚动轴承配合的一个重要技术参数 ,直接影响轴承的载荷分布 、振动 、噪声 、磨损 、温 升 、使用寿命和机械运转精度等技术性能 。轴承的基本额定动载荷是随着游隙的大小而变化的 ,轴承样本中的基本额定动载荷是轴承工作游隙为 零时的推荐值 。游隙过大 , 承载滚动体数减少 , 轴承承载能力降低 , 滚动接触面应力增大 , 轴承的运转精度下降 , 振动和噪声增大 , 使用寿命缩短 ; 如 果游隙过小 , 会引起轴承发热 , 温度升高 , 甚至使 轴承在运转中发生咬死现象 。因此根据轴承类型 、工作条件等合理选择轴承游隙是十分必要的 。轴承的径向游隙包括原始游隙 、装配游隙和 工作游隙 。工作游隙直接影响轴承的使用寿命 , 受安装条件 、工作条件等因素的影响 。下面以圆 柱滚子轴承为例 , 讨论其径向工作游隙的影响因 素及选择 。滚子长度 , mm ; z 为滚子数目 。同样 , 在径向力作用下 , 轴承外圈也将产生弹 性接触变形而扩张 , 从而引起轴承径向游隙增加 ,其增加量为1 9 . 1 106 dw lf r1= 28 10 - 6( mm)lgzlf r( 2)比较 ( 1) 、( 2) 式知 1 1 。在工作载荷的 作用下 , 滚动体与内 、外圈的弹性接触变形的结果 使轴承径向游隙增加 , 其增加量为1 = 1 - 11 . 2套圈与轴颈和轴承座的过盈配合轴承的内 、外圈分别与轴颈和轴承座以过盈 配合装配联接在一起 。过盈量将引起轴承原始游隙的变化 , 形成装配游隙 。内圈与轴颈的过盈配合使其略微胀大 , 而外圈与轴承座的过盈配合使 其收缩 。总的影响结果使轴承的径向游隙减小 。 对于圆柱滚子轴承 , 可将内 、外圈视为厚壁圆筒 , 根据弹性厚环理论2 - 4 可求得内 、外圈由于过盈配合所产生的变形量 , 亦即轴承游隙的减小量 。1 影响轴承径向工作游隙的因素1. 1滚动体与套圈的弹性接触变形轴承在工作载荷的作用下 , 径向力使内圈产 生弹性接触变形而扩张 , 从而引起轴承径向游隙减小 , 其减小量为1 如图 1 所示 , 弹性模量为 e 、外径为 d 、内11径为 d3 的圆环 , 以直径方向的过盈量 y 安装于弹性模量为 e2 、外径为 d4 、内径为 d2 的另一圆 环上 , 两圆环之间由于过盈装配产生相互作用的压力 p , 由于压力 p 的作用 , 两圆环产生径向变6. 3 106 dw l f r1 = 28 10 - 6 lg( mm)zlfr( 1)式 中 : f r为径向载荷 , n ; dw 为滚子直径 , mm ; l 为形量 u 、u , 其和即为径向过盈量 , 即1 2y = 2 ( u1 + u2)( mm)(4)收稿日期 :2005 - 01 - 25 ; 修回日期 :2005 - 06 - 03作者简介 :郭攀成 ( 1966 - ) , 男 , 副教授 , 西安交通大学硕 士研究生 , 主要研究方向为机械设计及理论 、机械可靠性设计 。假定图 1 所示的外圆环 ( 内径为 d3 , 外径为d1) 为轴承内圈 , 与轴颈 ( 内径为 d2 , 外径为 d3的内圆环) 形成过盈配合 ,且二者材料相同 ,则由9郭攀成 :圆柱滚子轴承径向工作游隙的影响因素及选择ds = 2 = y(mm)(9)dideh = 2 = y d(mm)(10)di 和外圈滚圆柱滚子轴承的内圈滚道直径道直径 de 可按以下近似式计算5 1di 4 ( d + 3 d)(mm)(11) 1de 4 (3 d + d)(mm)(12)综上所述 ,装配时轴承内 、外圈与轴颈和轴承座的过盈配合引起的游隙减少量为2 = 2 + 2(mm)(13)1 . 3滚动体与套圈间的弹性流体动压润滑油膜轴承运转时滚动体与内 、外圈滚道相互接触 ,产生弹性变形 ,接触表面之间形成弹性流体动压 润滑油膜 ,油膜厚度与轴承滚子与两接触面的表面粗糙度有关 。完全弹性流体润滑状态时 ,载荷全部由油膜承担 。实际上 ,轴承工作时滚子与内 、 外圈的滚道多属混合润滑 ,载荷由油膜和母体共同承担 。油膜厚度的存在将使轴承径向游隙减小 。采用 dowsow2higginson 公式计算滚子与内 、外图 1 两圆环过盈配合安装示意图于过盈配合引起 d1 的增加量为52d21 -s = y d3d3(mm)(5)2d1d21 -d1式中 d2 可看作空心轴的内径 ,如为实心轴 , d2 =0 ,则d36s = 2 = y d圈滚道之间的最小油膜厚度(mm)(6)10. 54 (0 ) 0. 70. 43 - 0. 03- 0. 13hmin = 2 . 65vew又 ,假定图 1 所示的内圆环 ( 内径为 d2 , 外径d4) 为轴承外圈 , 与轴承座 ( 内径为 d4 , 外径为 d1的外圆环) 形成过盈配合 , 则由于过盈配合引起d4 的收缩量为5m)(14)式中 :为润滑油的压粘系数 ,1/ mpa ,取 = 2 . 210 - 2 ;0 为润滑油在大气压力下的动力粘度 , mpas ; v 为滚子与内 、外圈滚道之间的平均线速 度 ,mm/ s ;为当量半径 ,mm ; 滚子与内圈的当量2d41 -h = y d2d1(mm)(7) r d i w2半径内 =d4( ri 为内圈滚道半径) ,滚子与d22 ri + dw1 -d1 redw 外圈的当量半径 外 = 2 r( re 为外圈滚道式中 d1 可看作轴承座外径 ,刚体轴承座 d1 = ,则- de w半径) ; w 为滚子与内 、外圈滚道线接触单位长度上的 载 荷 , n/ mm ; e为 材 料 的 综 合 弹 性 模 量 , mpa , e= 1. 098 9 e , e 为弹性模量 。利用 (14) 式分别计算出滚子与内 、外圈滚道 之间的最小油膜厚度 hmin内 、hmin外 , 则滚子与内 、d2h = 2 = y d(mm)(8)4(5) 、(6) 两式为轴承内圈和轴颈过盈配合安装时内圈滚道的变形 (增加) 量计算公式 , d3 即为 轴承的内径 , d1 为轴承内圈的平均外径 ( 即内圈 滚道直径) , y 为轴承内径和轴颈配合的过盈量 。 (7) 、( 8) 两式为轴承外圈和轴承座过盈配合安装 时外圈滚道的变形 ( 收缩) 量计算公式 , d4 即为轴 承的外径 , d2 为轴承外圈的平均内径 ( 即外圈滚 道直径) , y 为轴承外径和轴承座配合的过盈量 。通常轴承的内 、外径及内 、外圈滚道直径分别 用 d 、d 、di 、de 表示 ,则 (6) 、(8) 两式可写为外圈滚道间总的油膜厚度为 h =hmin内 + hmin外 。油膜厚度将使轴承径向游隙减小 ,减小量等于滚子与内 、外圈滚道间总的油膜厚度 ,即3 = hmin内 + hmin外1 . 4轴承温升的影响(m)(15)轴承在工作运转中 ,由于摩擦等原因会产生热量 ,引起温度升高 。轴承的摩擦温升的大小可 用摩擦热 q 表示710 轴承2005. . 8q = 0 . 900 4 m n 10 - 4式得1 = 2. 47 m , 1 = 2 . 6 m , 则 1 = 1 -1 = 0. 13 m ;2 = 63 . 84 m , 2 = 16. 02 m , 则 2 = 2+ 2 = 79. 86m ;hmin内 = 1. 78 m , hmin外 = 2. 01 m , 则 3 =hmin内 + hmin外 = 3. 79 m ;(16)式中 : m 为摩擦力矩 , n mm ; n 为轴承转速 , r/min 。一般情况下 ,轴承的工作温度不超过 100 。 由于外圈的表面积大于内圈的表面积 ,散热速度快 ,使得外圈温度低于内圈温度 ,因此内圈的热膨 胀量大于外圈 ,致使轴承工作时的游隙比安装时 小 。此外 ,温度升高时滚动体的温度也会增大 ,致 使游隙进一步减小 。内 、外圈温度差的影响引起 的游隙减小量为5 (4 = 27 . 16 m 取t = 8 。)考虑其他因素的影响 , 轴承径向工作游隙应满足 (2 + 3 + 4 - 1 ) 110. 8 m 。以此 为据 , 改 选 大 游 隙 组 别 的 轴 承 nu238/ c3 ( 原3 g32238) 后 ,其最小游隙为 110 m ,已接近 nu238 轴承标准游隙的上限 ,轴承的工作温度为 37 , 能够正常工作 。影响轴承工作游隙的因素比较复杂 ,文中论 述的轴承径向游隙组别的选择计算方法 ,虽未将 所有影响因素全部包括进去 ,但定量地考虑了影响轴承游隙的主要因素 。实际应用结果表明 ,本 计算方法可以满足轴承径向游隙选择的要求 ,较 传统的通过定性分析选用推荐值的方法更符合具 体情况 ,更具有可靠性 ,可以保证轴承在具体的工 作条件下处于最佳的工作游隙状态 。4 = de 0t(mm)(17)式中 :0 为轴承钢的线膨胀系数 ,1/ ,对于钢材0 = 1 . 12 10 - 5 ;t 为内 、外圈的温度差 ,通常取510 。轴承径向游隙的合理选择以上分析了影响滚动轴承径向游隙的主要因 素 ,其中工作载荷引起的滚动体与内 、外圈的弹性 接触变形使轴承径向游隙增大 ,其余各因素均使 轴承径向游隙减小 。考虑其他如润滑油 、转速 、轴 承本身质量和装配结构等因素对轴承径向工作游 隙的影响 ,为使轴承正常工作 ,其径向工作游隙 应满足下式2 (2 + 3 + 4 - 1)(18)参考文献 :依据 (18) 式计算出轴承要求的径向工作游隙后 ,按轴承标准规定的游隙组别靠拢选择适合的 轴承 。别捷尔曼 p ,茨伯金 . 滚动轴承手册 m . 北京 :机械工业出版社 ,1959. 机械工程手册电机工程手册编辑委员会. 机械工程 手册 (第 2 版) : 基础理论卷 m . 北京 : 机械工业出 版社 ,1996.吴毓熙. 应用弹性力学m . 上海 : 同济大学出版社 ,1989.余梦生 ,吴宗泽. 机械零部件手册 : 选型. 设计. 指导m . 北京 :机械工业出版社 ,1996.王振华. 实用轴承手册 ( 第 2 版) m . 上海 : 上海科 学技术文献出版社 ,1996. 机械工程手册电机工程手册编辑委员会. 机械工程 手册 (第 2 版) : 机械设计基础卷 m . 北京 : 机械工 业出版社 ,1996.王正君. 滚动轴承径向游隙的合理选择j . 重型机 械 ,1998 (3) :46 - 48.(编辑 :杜迎辉)12应用实例甘肃某铝厂的铸造机用直流电机驱动 ,其轴 颈的直径为 190 mm , 用两套短圆柱滚子轴承 nu238 (原 32238) 支承 , 轴承的标准游隙为 65 135m ,运转过程中 ,轴承的温度达 85 ,不能正 常