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精密滚动轴承在电子专用设备中的应用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 信息产业部电子45所 杨树文点击:
摘要：归纳了应用精密滚动时应注意的因素，如精度、刚度、载荷、速度、寿命、预载荷、润滑和密封等；并通过应用实例给以具体说明。
关键词：精密滚动轴承；精密轴系；刚度；滚子
1 引言
精密滚动轴承在精密轴系中的正确应用涉及到不同种类轴承的自身特征和诸多影响轴承精度的外在因素。若考虑不周就会失去使用精密轴承的意义。尤其在主轴高速旋转和要求高精度的情况下，精密滚动轴承的关联因素显得更为突出。
2 因素
2.1 精度
使用精密滚动轴承时，只有轴和轴承座的形位公差精度和表面粗糙度同轴承精度协调一致时，才能充分发挥其效能。也就是说安装部件精度是影响轴承旋转精度的主要因素。但是过高的要求安装部件精度会给机械加工造成困难。在应用中应根据《机械设计手册》推荐值为依据，结合实践经验做出合理的选择。不容忽视的是轴承尺寸精度，在选择安装部件与轴承的配合时，应注意考虑此因素，所选择的配合将影响轴承间隙或轴承的预载荷。
2.2 刚度
轴承的刚度取决于其类型和大小。主要判断准则是：滚子元素类型（如球形或圆柱形）、滚子数量及大小和接触角度。
滚子数目对刚度的影响大于轴承尺寸大小的影响。增加相同百分数滚子数目提高的轴承刚度要大于增加轴承尺寸所提高的轴承刚度。由于这个原因，精密滚动轴承以增加滚子数目提高其刚度。
接触角对刚度的影响，一般是接触角度小，则满足径向高刚度；接触角度大，则满足轴向高刚度。在布置轴承时，同一位置安装两个或更多轴承可以提高刚度。角接触球轴承最适宜这种使用且往往是配对使用。
轴承刚度还会受主轴和轴承座的影响，其配合公差要慎重选择；配对轴承组刚度还会受预载荷的影响。
轴承刚度表述为载荷作用下的弹性变形与恢复程度的比率。由于滚动轴承弹性恢复与载荷不成直线关系，所以很难用单一函数描述；在应用中可以用线性关系做近似的估算。
2.3 载荷
在设备中精密轴系使用精密滚动轴承时，轴承的载荷容量不是选择轴承唯一考虑的关键因素，而决定轴承内径的是轴的设计要求。其它关键因素如轴承刚度，允许速度和旋转精度等是决定性因素。
在应用时，选择轴承类型和布置形式时，作为基本规则： 相同尺寸的滚子轴承比球轴承有较大的承载能力；角接触球轴承和圆锥滚子轴承能够承受径向和轴向复杂载荷；双向角接触推力球轴承可承受双向载荷。
2.4 速度
轴承滚动速度可以在允许温度下做调节；精密滚动轴承具有低摩擦特性，由此而形成低热量特性。所以精密滚动轴承可以用于高速工作情况。轴承产生的热量很大程度上取决于工作速度，另外还受轴承类型、润滑方式、预载荷和工作载荷等因素的影响。
2.5寿 命
在应用中，作为一项基本要求就是要使所选择轴承具有较长的寿命。测定精密轴承基本寿命主要包括静载荷容量和作用载荷两个参数。另外还要考虑预载荷对轴承寿命的影响以及主轴强度和轴承自身因素等的影响。对于高速工作情况，主轴要有高耐磨性；滚子元素产生的离心力也会影响载荷情况和缩短轴承使用寿命。
对于低速旋转或慢慢摆动情况，轴承所受载荷可以认为是等量的静载荷，而没有任何运动特征的影响。在这种情况下，由于载荷而产生的滚子和轨道的永久性变形会影响寿命；同时，轴承还要经得住周期性重冲击载荷。
2.6 预载荷
预载荷不但可以提高轴承的刚度，而且可以提高其旋转精度。在设备主轴的应用中一般使用预载荷轴承和配对轴承组。
对于单列角接触球轴承和圆锥滚子轴承，通常调节内外圈轴向间隙而获得预载荷；对于圆柱滚子轴承，通过内圈锥形孔合适的安装获得预载荷；对于双向角接触推力球轴承，调整隔离套筒尺寸，安装便会获得预载荷。
在外力作用下，轴承内部载荷分配情况会改变。部分滚子元素会承受过多的载荷，同时，另外一部分滚子元素会得到释放，弹性变形便改变，见图1。图1说明在相同预载荷F0作用下产生了相同的弹性变形；在外力Fa作用下，轴承A产生δa变形，轴承B的变形会减小；继续增加作用外力至Fa＇,轴承B的预载弹性变形完全释放。这不利于轴承的使用，在应用时要注意考虑作用外力的大小，以便选择恰当的预载荷。
在应用中另一方面要限制轴承预载荷最大值。因为加大预载荷后摩擦力会加大，导致温度上升。
对于配对轴承组，其预载荷的大小确定比较复杂；其目的是适应精度、刚度和速度等不同的要求。
2.7 润滑
滚动轴承的润滑目的是防止滚子元素直接接触磨损和生锈。对于精密滚动轴承来说，这一因素更值得重视。
为了在滚子元素和滚道间形成润滑油膜，仅需少量的润滑油。脂润滑方式是最为简单和普遍的选择；但对于高速主轴轴承来说，必须使用油润滑，因为这种情况下，润滑脂的使用寿命很短，见图2。A: 精密角接触球轴承
B: 配对精密角接触球轴承组
C: 双列圆柱滚子轴承；双向角接触推力球轴承
D: 圆锥滚子轴承
图2说明脂润滑方式的正常工作时间与轴承的类型及大小和转速有关。在使用脂润滑方式时，要注意润滑脂种类的选择，装入轴承空腔润滑脂量的计算和短暂的低速试车。在实际操作中，试车阶段不容忽视，以便使润滑脂均匀分布和挤出过多的润滑脂。
图3说明了润滑油的数量与轴承温度和摩擦力图3说明了润滑油的数量与轴承温度和摩擦力之间的关系。区域A： 润滑油量不足，滚子元素和轨道间不能形成有效保护膜，T和WF会迅速增大。区域B:润滑油量恰好，T和WF最小。区域C:增加了润滑油量，T和?WF都会增加而且T的增加幅度更大。区域D:继续增加油量，WF会增大，T达到最高点后会缓慢下降。散热与摩擦力之间形成平衡。区域E:继续增加油量，在M点后T会迅速下降，这是由于油的冷却占主导作用。B反映的是喷油润滑方式，D则表现了油循环润滑的特征。在使用油润滑时要注意方式的选择和油的粘性及油量的确定。应根据具体环境和条件合理选择。
2.8 密封
使用精密滚动轴承时必须在内部和外界之间有效密封；要考虑以下因素，包括环境情况、润滑方式、密封环绕速度、密封摩擦和密封摩擦导致的温升。
对于精密滚动轴承，最后两个因素更为重要。由于密封摩擦很可能产生轴承不能接受的热量。所以高速情况下精密滚动轴承往往采用非橡胶密封。
非橡胶密封的密封特征由其端盖结构形成，可用于轴向、径向或轴向和径向组合情况。这种密封没有摩擦和磨损。
橡胶密封接触于密封表面，由于接触的摩擦力会使温度升高，橡胶密封的使用受一定的限制。这种形式很少用于精密滚动轴承的密封；此形式仅适于低速情况。
橡胶密封和非橡胶密封结合使用，可以提高密封效果。在实际应用中，当临界速度小于 1m/s 时，可以采用V形橡胶密封，这种应用产生的摩擦力很小，而安装简便，使用经济。
3 应用实例
图4所示为一电子专用设备主轴结构。其转速为2 840 r／min，主轴端跳为0.005 mm，主轴径跳为0.005 mm，受轴向和径向载荷。由于该轴端跳和径跳要求较高，为中等转速，所以采用了精密角接触球轴承。轴承配对使用，分为两组，一组轴向固定，一组轴向外圈放松，以便消除由于温升而引起轴变形对轴承正常工作的影响。布置形式利于提高轴系刚度和解决复杂载荷的共同作用。在装配时采用修研隔圈而达到获得预载荷的目的。该轴系采用了非接触式密封和橡胶密封相结合形式；采用脂润滑方式润滑。
4 结束语
精密滚动轴承在电子专业设备中被广泛使用；精密滚动轴系设计中最关键的是精密滚动轴承的合理的应用。本文对精密滚动轴承应用中应注意的几个方面作了归纳，并通过应用实例阐述了文中的观点；精密滚动轴承只有正确应用，才能发挥其优良的性能。
参考文献
〔1〕成大先.机械设计手册第二卷〔M〕. 北京： 化学工业出版社，1997.(end)
关键词：精密滚动轴承；精密轴系；刚度；滚子
1 引言
精密滚动轴承在精密轴系中的正确应用涉及到不同种类轴承的自身特征和诸多影响轴承精度的外在因素。若考虑不周就会失去使用精密轴承的意义。尤其在主轴高速旋转和要求高精度的情况下，精密滚动轴承的关联因素显得更为突出。
2 因素
2.1 精度
使用精密滚动轴承时，只有轴和轴承座的形位公差精度和表面粗糙度同轴承精度协调一致时，才能充分发挥其效能。也就是说安装部件精度是影响轴承旋转精度的主要因素。但是过高的要求安装部件精度会给机械加工造成困难。在应用中应根据《机械设计手册》推荐值为依据，结合实践经验做出合理的选择。不容忽视的是轴承尺寸精度，在选择安装部件与轴承的配合时，应注意考虑此因素，所选择的配合将影响轴承间隙或轴承的预载荷。
2.2 刚度
轴承的刚度取决于其类型和大小。主要判断准则是：滚子元素类型（如球形或圆柱形）、滚子数量及大小和接触角度。
滚子数目对刚度的影响大于轴承尺寸大小的影响。增加相同百分数滚子数目提高的轴承刚度要大于增加轴承尺寸所提高的轴承刚度。由于这个原因，精密滚动轴承以增加滚子数目提高其刚度。
接触角对刚度的影响，一般是接触角度小，则满足径向高刚度；接触角度大，则满足轴向高刚度。在布置轴承时，同一位置安装两个或更多轴承可以提高刚度。角接触球轴承最适宜这种使用且往往是配对使用。
轴承刚度还会受主轴和轴承座的影响，其配合公差要慎重选择；配对轴承组刚度还会受预载荷的影响。
轴承刚度表述为载荷作用下的弹性变形与恢复程度的比率。由于滚动轴承弹性恢复与载荷不成直线关系，所以很难用单一函数描述；在应用中可以用线性关系做近似的估算。
2.3 载荷
在设备中精密轴系使用精密滚动轴承时，轴承的载荷容量不是选择轴承唯一考虑的关键因素，而决定轴承内径的是轴的设计要求。其它关键因素如轴承刚度，允许速度和旋转精度等是决定性因素。
在应用时，选择轴承类型和布置形式时，作为基本规则： 相同尺寸的滚子轴承比球轴承有较大的承载能力；角接触球轴承和圆锥滚子轴承能够承受径向和轴向复杂载荷；双向角接触推力球轴承可承受双向载荷。
2.4 速度
轴承滚动速度可以在允许温度下做调节；精密滚动轴承具有低摩擦特性，由此而形成低热量特性。所以精密滚动轴承可以用于高速工作情况。轴承产生的热量很大程度上取决于工作速度，另外还受轴承类型、润滑方式、预载荷和工作载荷等因素的影响。
2.5寿 命
在应用中，作为一项基本要求就是要使所选择轴承具有较长的寿命。测定精密轴承基本寿命主要包括静载荷容量和作用载荷两个参数。另外还要考虑预载荷对轴承寿命的影响以及主轴强度和轴承自身因素等的影响。对于高速工作情况，主轴要有高耐磨性；滚子元素产生的离心力也会影响载荷情况和缩短轴承使用寿命。
对于低速旋转或慢慢摆动情况，轴承所受载荷可以认为是等量的静载荷，而没有任何运动特征的影响。在这种情况下，由于载荷而产生的滚子和轨道的永久性变形会影响寿命；同时，轴承还要经得住周期性重冲击载荷。
2.6 预载荷
预载荷不但可以提高轴承的刚度，而且可以提高其旋转精度。在设备主轴的应用中一般使用预载荷轴承和配对轴承组。
对于单列角接触球轴承和圆锥滚子轴承，通常调节内外圈轴向间隙而获得预载荷；对于圆柱滚子轴承，通过内圈锥形孔合适的安装获得预载荷；对于双向角接触推力球轴承，调整隔离套筒尺寸，安装便会获得预载荷。
在外力作用下，轴承内部载荷分配情况会改变。部分滚子元素会承受过多的载荷，同时，另外一部分滚子元素会得到释放，弹性变形便改变，见图1。图1说明在相同预载荷F0作用下产生了相同的弹性变形；在外力Fa作用下，轴承A产生δa变形，轴承B的变形会减小；继续增加作用外力至Fa＇,轴承B的预载弹性变形完全释放。这不利于轴承的使用，在应用时要注意考虑作用外力的大小，以便选择恰当的预载荷。
在应用中另一方面要限制轴承预载荷最大值。因为加大预载荷后摩擦力会加大，导致温度上升。
对于配对轴承组，其预载荷的大小确定比较复杂；其目的是适应精度、刚度和速度等不同的要求。
2.7 润滑
滚动轴承的润滑目的是防止滚子元素直接接触磨损和生锈。对于精密滚动轴承来说，这一因素更值得重视。
为了在滚子元素和滚道间形成润滑油膜，仅需少量的润滑油。脂润滑方式是最为简单和普遍的选择；但对于高速主轴轴承来说，必须使用油润滑，因为这种情况下，润滑脂的使用寿命很短，见图2。A: 精密角接触球轴承
B: 配对精密角接触球轴承组
C: 双列圆柱滚子轴承；双向角接触推力球轴承
D: 圆锥滚子轴承
图2说明脂润滑方式的正常工作时间与轴承的类型及大小和转速有关。在使用脂润滑方式时，要注意润滑脂种类的选择，装入轴承空腔润滑脂量的计算和短暂的低速试车。在实际操作中，试车阶段不容忽视，以便使润滑脂均匀分布和挤出过多的润滑脂。
图3说明了润滑油的数量与轴承温度和摩擦力图3说明了润滑油的数量与轴承温度和摩擦力之间的关系。区域A： 润滑油量不足，滚子元素和轨道间不能形成有效保护膜，T和WF会迅速增大。区域B:润滑油量恰好，T和WF最小。区域C:增加了润滑油量，T和?WF都会增加而且T的增加幅度更大。区域D:继续增加油量，WF会增大，T达到最高点后会缓慢下降。散热与摩擦力之间形成平衡。区域E:继续增加油量，在M点后T会迅速下降，这是由于油的冷却占主导作用。B反映的是喷油润滑方式，D则表现了油循环润滑的特征。在使用油润滑时要注意方式的选择和油的粘性及油量的确定。应根据具体环境和条件合理选择。
2.8 密封
使用精密滚动轴承时必须在内部和外界之间有效密封；要考虑以下因素，包括环境情况、润滑方式、密封环绕速度、密封摩擦和密封摩擦导致的温升。
对于精密滚动轴承，最后两个因素更为重要。由于密封摩擦很可能产生轴承不能接受的热量。所以高速情况下精密滚动轴承往往采用非橡胶密封。
非橡胶密封的密封特征由其端盖结构形成，可用于轴向、径向或轴向和径向组合情况。这种密封没有摩擦和磨损。
橡胶密封接触于密封表面，由于接触的摩擦力会使温度升高，橡胶密封的使用受一定的限制。这种形式很少用于精密滚动轴承的密封；此形式仅适于低速情况。
橡胶密封和非橡胶密封结合使用，可以提高密封效果。在实际应用中，当临界速度小于 1m/s 时，可以采用V形橡胶密封，这种应用产生的摩擦力很小，而安装简便，使用经济。
3 应用实例
图4所示为一电子专用设备主轴结构。其转速为2 840 r／min，主轴端跳为0.005 mm，主轴径跳为0.005 mm，受轴向和径向载荷。由于该轴端跳和径跳要求较高，为中等转速，所以采用了精密角接触球轴承。轴承配对使用，分为两组，一组轴向固定，一组轴向外圈放松，以便消除由于温升而引起轴变形对轴承正常工作的影响。布置形式利于提高轴系刚度和解决复杂载荷的共同作用。在装配时采用修研隔圈而达到获得预载荷的目的。该轴系采用了非接触式密封和橡胶密封相结合形式；采用脂润滑方式润滑。
4 结束语
精密滚动轴承在电子专业设备中被广泛使用；精密滚动轴系设计中最关键的是精密滚动轴承的合理的应用。本文对精密滚动轴承应用中应注意的几个方面作了归纳，并通过应用实例阐述了文中的观点；精密滚动轴承只有正确应用，才能发挥其优良的性能。
参考文献
〔1〕成大先.机械设计手册第二卷〔M〕. 北京： 化学工业出版社，1997.(end)
