电机用深沟球轴承径向游隙及配合的选择与分析_薛正堂.pdf

电机用深沟球轴承径向游隙及配合的选择与分析 薛正堂 阜阳轴承股份有限公司 安徽 阜阳 236023 摘要 电机用深沟球轴承在装配及工作过程中 由于受配合 温度等的影响 其原始游隙将发生较大变化 通过 实例计算 剖析了电机用深沟球轴承的游隙及其影响因素 并考虑了减振降噪 提出了合理的原始游隙及配合 的选择方法 关键词 深沟球轴承 径向游隙 配合 分析 计算 中图分类号 TH133 33 文献标识码 B 文章编号 1000 3762 2005 10 0010 03 1 径向游隙分析 轴承的径向游隙 以下简称游隙 可分为原始 游隙 残余游隙和工作游隙 原始游隙为轴承在 安装前所处自由状态下的游隙 采用紧配合的轴 承 过盈装于轴或轴承座 此时的游隙称为残余游 隙 轴承运转中 残余游隙会因轴承内各部位温差 引起的尺寸变化以及载荷引起轴承的弹性变形而 有所增减 此时的游隙称为工作游隙 为了稳妥 起见 实用中的工作游隙一般为零或稍正的一侧 大多数情况下 电机轴承在轻载及高速运转 条件下工作 因电枢发热传导及内圈的散热条件 相对弱于外圈 往往导致工作游隙比残余游隙还 小 因此仅考虑静态下的过盈配合对游隙的影响 是不够的 还必须考虑工作状态下温升及载荷对 游隙的影响 2 实例计算及分析 以6306 电机轴承为例 在标准规定的游隙下 分别计算出残余游隙及工作游隙 根据计算的结 果 再分析原始游隙的最佳取值及配合选择 已知 6306 深沟球轴承原始游隙为 0 005 0 012 mm 按 P0 精 度 制 造 外 径 公 差 为 0 0 013 mm 内径公差为 0 0 01 mm 1 2 与k5 轴及H6轴承座配合 轴承内径 d 30 mm 外径 D 72 mm 外圈沟底直径 De 64 013 mm 内圈沟底直径 di 40 mm 套圈宽度 B 19 mm k5轴的公差为 0 002 0 011 mm 收稿日期 2005 05 23 修回日期 2005 06 20 作者简介 薛正堂 技术部部长 2 1 残余游隙计算及分析 轴承外径与轴承座为 H6 配合 属间隙配合 仅考虑轴承内径与轴过盈配合对游隙的影响 2 1 1 内圈沟底尺寸胀大率 i 3 轴承内径与轴过盈装配时 会导致轴承内圈 沟底尺寸胀大 其胀大率 i为 4 5 i d dF 式中 dF为内圈沟底当量直径 dF i 2 3 d 1 3 D 式中 i为内圈沟底直径与沟肩直径比参数 取 0 93 计算得 dF 41 mm i 0 732 2 1 2 装配过盈减小率 Ra 3 4 考虑到配合面塑性变形 安装后实际过盈量 较计算过盈量有适当的减小 对磨出的轴及轴承 内径 其减小率 Ra为 Ra d d 2 对于 6306轴承 计算得 Ra 0 938 令 i Ra 则 0 69 可理解为名义过盈下内圈沟 底尺寸的有效胀大参数 2 1 3 残余游隙计算及分析 4 在考虑配合对游隙的影响时 宜采用统计学 方法加以处理 设轴径 轴承内径及其原始游隙的 数值均为正态分布 公差范围都等于各自的 3 计算其残余游隙的分布 s Rs 6 0 001 5 mm i R i 6 0 001 7 mm 0 R 0 6 0 001 2 mm ISSN 1000 3762 CN41 1148 TH 轴承 Bearing 2005 年第 10 期 2005 No 10 10 12 f2 s2 i2 5 14 10 6mm m f m 0 ms mi f 02 2 f2 R f m f 3 f 式中 s为轴径的标准偏差 i为轴承内径的标 准偏差 0为原始游隙的标准偏差 R 0为原始游 隙范围 0 007 Rs为轴径的公差 0 009 Ri为 轴承内径的公差 0 01 f为轴径和内径联立时 的标准偏差 f为残余游隙的标准偏差 ms为轴 径的平均值 30 0 006 5 mi为轴承内径的平 均值 30 0 005 m 0为原始游隙的平均值 0 008 5 m f为残余游隙的平均值 R f为残余 游隙范围 代入有关数值 计算得 m f 0 000 5 mm f 0 002 mm R f 0 005 5 0 006 5 mm 由上可知 轴承的游隙在装配后发生很大的 变化 特别是原始游隙过小 可能在装配后产生负 游隙 测试状态下出现噪声增大 轴承过热等现 象 装配后残余游隙量为负值的概率为 P R f 0 0 4 显然是不适宜的 要使残余游隙量为非 负值 则 R f m f 3 f 0 即 m 0 ms mi 3 f 0 则 m 0 ms mi 3 f ms mi 3 R 0 6 2 2 Rs 6 2 Ri 6 2 由上式可得 m 0的值与 ms mi R 0 Rs Ri 有关 对 6306轴承 有 m 0 0 014 mm 即要 使残余游隙量为非负值 m 0最小取 0 014 mm 则 原始游隙范围约为 0 010 5 0 017 5 mm 对特定型号 不变 假定 R 0不变 则 m 0与 ms mi Rs Ri有关 即轴承内径与轴径的公差带 愈小 m 0愈小 本例中 如轴承精度取 P4 级 即 Ri 0 005 mm 轴径公差不变 代入以上计算式 可得 m 0 0 012 mm 原始游隙变为 0 008 5 0 015 5mm 使用中 若轴径公差也相应压缩 则 原始游隙可以更小 接近行业标准给定的电机轴 承游隙 严格来讲 游隙的规定必须与轴承及轴的 尺寸精度相对应 另外 装配中因轴及轴承内径圆度的复映 沟 道圆度会相应增大 所以尽可能取小过盈量 目 前 电机行业中 不少企业轴径公差还仍旧执行 k6精度 需要改进 2 2 工作游隙计算及分析 工作游隙计算 不仅要考虑以上因素 还必须 考虑载荷及温度对游隙的影响 2 2 1 载荷引起游隙的变化 5 工作状态下 轴承受到载荷后 将产生两方面 作用 一种是内圈受到径向压缩而轻微变形并在 圆周方向稍有扩大 导致过盈量的减小 则配合过 盈量计算中要减去此值 内圈胀大量减小 相应游 隙略有增大 另一种是在径向载荷作用下 套圈和 滚动体之间产生弹性接触变形 使内外圈在载荷 方向发生相对位移 导致局部角位置方向的游隙 增加 有关资料 6 表明 实际使用中 不宜把载荷 方向产生的相对位移看作径向工作游隙的增加 载荷引起过盈量的减小 dF为 dF 0 08 10 3 d B Fr mm 式中 Fr为轴承所受径向载荷 N 轴承所受径向载荷要进行受力分析 本例中 如 6306 轴承装于 Y112M 2 型电机 其传递动力 为4 0 kW n 2 890 r min 假设其通过皮带轮传 递动力 经验取皮带轮半径 r 50 mm 其受力分 析如图1 所示 图 1 轴承受力示意图 根据图1 有 Fr1 l m l Fb x l Wfw Fr2 m l Fb y l Wfw 式中 Fr1为作用于轴承 1 的载荷 N Fr2为作用于 轴承 2 的载荷 N Fb为作用于轴上的径向力 N W 为转子重力 N fw为电磁吸引力及转子不平 衡力系数 取 2 0 4 对Y112M 2 型电机 W 80 N l 222 mm x 114 5 mm y 107 5 mm m 60 mm Fb为轴受到皮带的牵引而作用于此处的径 向力 其计算公式如下 Fb fbFt 11 薛正堂 电机用深沟球轴承径向游隙及配合的选择与分析 Ft M r M 955 000 H n 式中 M 为作用于皮带轮的力矩 N mm Ft为皮 带的有效传动力 N fb为皮带系数 取 fb 2 0 r 为皮带轮的有效半径 mm H 为传递动力 kW n 为转速 r min 将相关数据代入以上公式 计算得 Fb 529 N Fr1 755 N Fr2 66 N 为有效起见 取 Fr1及 Fr2中较大值作为轴承 所受载荷 即 Fr Fr1 755 N 则 dF 0 003 mm 2 2 2 温度引起的游隙变化 轴承在运转过程中 由于电枢热传导及内外 圈散热条件的影响 内圈温度高于外圈 由此导致 游隙进一步减小 其减小量为 6 t tDe 式中 t为内外圈温差引起游隙减小量 mm t为内 圈对外圈的温度差 一般取 5 10 本例取5 为轴承钢线膨胀系数 1 约为12 5 10 6 代入数据计算得 t 0 004 mm 2 2 3 工作游隙计算与分析 由以上分析可知 运转情况下 工作游隙的平 均值 m f 应为 m f m 0 ms mi dF t 对6306 轴承 m f 0 001 5 mm 实际装配运转后 其工作游隙范围 R f 约为 R f m f 3 f 0 007 5 0 004 5 mm 要使工作游隙为非负值 则 R f m f 3 f 0 即 m 0 ms mi dF t 3 f 计算得 m 0 0 016 mm m 0最小值取 0 016 mm 则原始游隙范围约为 0 012 5 0 019 5 mm 比较以上残余游隙及工作游隙 按工作游隙 为目标 需要的原始游隙更大 另外 正常工作状 态的最小游隙 还应考虑油膜厚度及装配等因素 的影响 原始游隙还应加上 1 2 m 综上所述 精度为 P0 的 6306 电机轴承原始游隙适宜值为 0 015 0 022 mm 当轴承内径选P5级以上 轴径公差应适当压缩 与控制 按照以上计算方法可相应压缩原始游隙 2 3 最小过盈量计算 具体制定电机轴承配合及游隙的大小还必须 考虑轴承内径与轴配合时的最小过盈量 以补偿 因配合面的塑性变形 载荷及温差引起的过盈减 小 确保轴承在旋转时不与轴发生蠕动 最小过盈量计算公式 4 8 为 dmin d 2 d 0 08 d B Fr 0 001 5d 10 3 公式中 0 001 5d T 表明轴承内圈温度高 于轴 导致过盈量减小 实际上 在电机中有绕组 铁芯 轴承等不同的热源 由于涡流及线圈电阻作 用 正常情况下 绕组和铁芯为主要热源 即转子 还向轴承内圈传递热量 使内圈同轴之间的装配 过盈量有增大趋势 4 5 因此 应略去 0 001 5d T 项 计算得 dmin 0 003 mm 本例中 若 Ri取 0 005 mm 轴径公差不变 在置信概率内 过盈量下限约为 0 004 mm 不会 造成轴发生蠕动现象 此为减小配合过盈 减小 轴承的原始游隙提供了保证 试验证明 按以上方法选取 6306 2RS 电机轴 承尺寸公差及游隙 具有精确的实用性 从未出现因 游隙问题而造成温升过高及噪声异常增大的现象 3 结论 1 电机轴承径向游隙的制定 必须根据轴承 及轴的具体配合情况而选定 从减振降噪的理念 看 游隙要小 应在提高轴承及轴尺寸精度的前提 下 压缩游隙值范围 2 径向游隙的选择 不仅要考虑装配过盈的 影响 还应考虑电机工作状态下 温度及载荷等对 工作游隙的影响 参考文献 1 JB T8880 2000 电机用深沟球轴承技术条件 S 2 深沟球轴承优化设计图册