滚动轴承的安装与配合

一、滚动轴承的基本概述

滚动轴承是机械制造业中应用极为广泛的一种标准部件,它一般由外圈1、内圈2、滚动体3和保持架4所组成(图7-2-1)。外圈与外壳体孔配合,内圈与传动轴的轴颈配合,属于典形的光滑圆柱连接。但由于它的结构特点和功能要求所决定,其公差配合,与一般光滑圆柱连接要求不同。

按承受负荷的方向,滚动轴承可分为平底推力球轴承(承受轴向负荷)、深沟球轴承(承受径向负荷)和角接触球轴承(同时承受径向与轴向负荷)

滚动轴承的工作性能与使用寿命,既取决于本身的制造精度,也与箱体外壳孔、传动轴轴颈的配合尺寸精度、形位精度以及表面粗造度等有关。

图7-2-1 滚动轴承

滚动轴承代号是表示其结构、尺寸、公差等级和技术性能等特征的产品符号,由字母和数字组成。按GB/T272-93的规定,轴承代号由基本代号、前置号和后置代号构成,其表达方式见表7-2-1所列。

表7-2-1 轴承代号的构成

 

二、滚动轴承公差

1、滚动轴承的公差等级

根据轴承的结构尺寸、公差等级和技术性能等特征产品的符号,滚动轴承国家标准GB/T272-93《滚动轴承 代号方法》将滚动轴承公差等级分为P2、P4、P5、P6、P0五级,其中P2级最高,依次降低(只有深沟球轴承有P2级;圆锥滚子轴承有P6x级而无P6级)。P0级与公差等级IT6(IT5)相对应,P2级与公差等级IT3(IT2)相对应。

P0级为普通精度,在机器制造业中应用最广。它用于旋转精度要求不高的机构中。例如,卧式车床变速箱和进给箱,汽车、拖拉机变速箱,普通电动机、水泵、压缩机和汽轮机中。

除P0级外,其于各级统称高精度轴承,主要用于高的线速度或高的旋转精度的场合,这类精度的轴承在各种金属切削机床上应用较多,可参看表7-2-2。

表7-2-2 机床主轴轴承精度等级


轴承类型
精度等级

 

应用情况

 

深沟球轴承

 

P4

 

高精度磨床、丝锥磨床、螺纹磨床、磨齿机、插齿刀磨床

 

角接触球轴承

 

P5

 

精密镗床、内圆磨床、齿轮加工机床

 

P6

 

卧式车床、铣床

 

单列圆柱 
滚子轴承

 

P4

 

精密丝杆车床、高精度车床、高精度外圆磨床

 

P5

 

精密车床、精密铣床、转塔车床、普通外圆磨床、多轴车床、镗床

 

P6

 

卧式车床、自动车床、铣床、立式车床

 

向心短圆柱滚子轴承、调心滚子轴承

 

P6

 

精密车床及铣床的后轴承

 

圆锥滚子轴承

 

P2、P4

 

坐标镗床(P2级)、磨齿机(P4级)

 

P5

 

精密车床、精密铣床、镗床、精密转塔车床、滚齿机

 

P6

 

铣床、车床

 

推力球轴承

 

P6

 

一般精度机床

 

2、滚动轴承内径、外径公差带及特点

国标对轴承内径(d)与外径(D)规定了两种公差:

一是d(或D)的最大值与最小值所允许的极限偏差(即单一内、外径偏差),其主要目的是为了限制变形量。

二是轴承套圈任一横截面内量得的最大直径d实max或(D实min)与最小直径d实min(或D实min)的平均值极限偏差(即单一平面平均内、外径偏差△dmp和△Dmp),目的是用于轴承的配合。

由于滚动轴承为标准部件,因此轴承内径与轴颈的配合应为基孔制,轴承外径与外壳孔的配合应为基轴制。但这种基孔制和基轴制与普通光滑圆柱结合又有所不同,这是由滚动轴承配合的特殊需要所决定的。

轴承内,外径尺寸公差的特点是采用单向制,所有公差等级的公差都单向配置在零线下侧,即上偏差为零,下偏差为负值,如图7-2-2所示。

图7-2-2 不同公差等级轴承内、外径公差带的分布图

轴承内圈通常与轴一起旋转,为防止内圈和轴颈的配合产生相对滑动而磨损,影响轴承的工作性能,因此要求配合面间具有一定的过盈,但过盈量不能太大。如果作为基准孔的轴承内圈仍采用基本偏差为H的公差带,轴颈也选用光滑圆柱结合国家标准中的公差带,则这样在配合时,无论选过渡配合(过盈量偏小)或过盈配合(过盈量偏大)都不能满足轴承工作的需要。若轴颈采用非标准的公差带,则又违反了标准化与互换性的原则。为此,国家标准GB/T307.1-94规定:内圈基准孔公差带位于以公称内径d为零线的下方。因而这种特殊的基准孔公差带与GB/T1801-1999中基孔制的各种轴公差带构成的配合的性质,相应地比国家标准《极限与配合》中基孔制同名配合要紧得多。配合性质向过盈增加的方向转化。

轴承外圈因安装在外壳中,通常不旋转,考虑到工作时温度升高会使轴热胀,而产生轴向移动,因此两端轴承中有一端应是游动支承,可使外圈与外壳孔的配合稍松一点,使之能补偿轴的热胀伸长量,不然轴产生弯曲会被卡住,就会影响正常运转。为此规定轴承外圈公差带位于公称外径D为零线的下方,与基本偏差为h的公差带相类似,但公差值不同。轴承外圈采取这样的基准轴公差带与GB/T1801-1999中基轴制配合的孔公差带所组成的配合,基本上保持了GB/T1801-1999的配合性质。

因滚动轴承的内圈与外圈皆为薄壁零件,在制造与保管过程中极易变形(如变成椭圆形),但当轴承内圈与轴或外圈与外壳孔装配后,如果这种变形不大,极易得到纠正。因此对滚动轴承套圈任一横截面内测得的最大与最小直径平均值对公称直径的偏差,只要在内、外径公差带内,就认为合格。为了控制轴承的形状误差,滚动轴承还规定了其它的技术要求。

3轴颈和外壳孔公差带的种类

由于轴承内径和外径公差带在制造时已确定,因此,它们分别与外壳孔、轴颈的配合,要由外壳孔和轴颈的公差带决定。故选择轴承的配合也就是确定轴颈和外壳孔的公差带。国家标准所规定的轴颈和外壳孔的公差带。如图7-2-3所示。由图可见,轴承内圈与轴颈的配合比GB/T1801-1999中基孔制同名配合紧一些,g5、g6、h5、h6轴颈与轴承内圈的配合已变成过渡配合,k5、k6、m5、m6已变成过盈配合,其余也都有所变紧。

轴承外圈与外壳孔的配合与GB/T1801-1999中基轴制的同名配合相比较,虽然尺寸公差的代号相同,但配合性质有所不同。

图7-2-3 轴颈和外壳公差带

三、滚动轴承配合的选择

正确地选择配合,对保证轴承的正常运转,延长其使用寿命关系极大。为了使轴承具有较高的定心精度,一般在选择轴承两个套圈的配合时,都偏向紧密。但要防止太紧,因内圈的弹性胀大和外圈的收缩会使轴承内部间隙减小甚至完全消除并产生过盈,不仅影响正常运转,还会使套圈材料产生较大的应力,以至降低轴承的使用寿命。

选择轴承配合时,要全面地考虑到各个主要因素,应以轴承的工作条件、结构类形和尺寸、精度等级为依据,查表确定轴颈和外壳孔的尺寸公差带、形位公差和表面粗造度。本书表7-2-3~表7-2-4适用于:

1)对主机的旋转精度、运转平衡性、工作温度无特殊要求的安装情况;

2)对轴承的外形尺寸、种类等符合有关规定,且公称内径d≤500mm,公称外径D≤500mm;

3) 轴承公差符合GB307.1《滚动轴承公差》中的/P0、/P6(/P6x);

4)轴为实心或厚壁钢制轴;

5)外壳为铸钢和铸铁制件;

6)轴承应是具有基本组的径向游隙,另有注解的除外。

1 、查表确定轴承配合的主要依据

(1)套圈与负荷方向的关系

表7-2-3 安装向心轴承和角接触轴承的轴颈公差带

 

对精度有较高要求的场合,应选用j5、k5、…等分别代替j6、k6、…等。

单列圆锥滚子轴承和单列角接触球轴承的内部游隙的影响不甚重要,可用k6和m6分别代替k5和m5.

应选用轴承径向游隙大于基本组游隙的滚子轴承。

凡有较高的精度或转速要求的场合,应选用h7,轴颈形状公差为IT5。

尺寸≥500mm,轴颈形状公差主。为IT7。

表7-2-4 安装向心轴承和角接触轴承的外壳孔公差带

外 圈 工 作 条 件

应用举例

 

外壳孔公差带①

 

旋转状态

 

负荷类型

 

轴向位移的限度

 

其它情况

 

外圈相对于负荷方向静止

 

轻、正常和重负荷

 

轴向容易移动

 

轴处于高温场合

 

烘干筒、有调心滚子轴承的大电动机

 

G7

 

剖分式外壳

 

一般机械、铁路车辆轴箱

 

H7①

 

冲击负荷

 

轴向能移动

 

整体式或剖分式外壳

 

铁路车辆轴箱轴承

 

J7①

 

外圈相对于负荷方向摆动

 

轻和正常负荷

 

电动机、泵、曲轴主轴承

 

正常和重负荷

 

轴向不移动

 

整体式外壳

 

电动机、泵、曲轴主轴承

 

K7①

 

重冲击负荷

 

牵引电动机

 

M7①

 

外圈相对于负

荷方向旋转

轻负荷

 

张紧滑轮

 

M7①

 

正常和重负荷

 

装有球轴承的轮

 

N7①

 

重冲击负荷

 

薄壁、整体式外壳

 

装有滚子轴承的轮毂

 

P7①

 

对精度有较高要求的场合,应选用P6、N6、M6、K6、J6和H6分别代替P7、N7、M7、K7、J7和H7,并应同时选用整体式外壳。

对于轻合金外壳应选择比钢或铸铁外壳较紧的配合。

表7-2-5 安装推力轴承的轴颈公差带

轴圈工作条件

推力球和圆柱滚子轴承

 

推力调心滚子轴承

 

轴颈公差带

 

轴承公称内径∕mm

 

纯轴向负荷

 

所有尺寸

 

所有尺寸

 

j6或js6

 

径向和轴向联合负荷

 

轴圈相对于负荷方向静止

 

— 

 

≤250
>250

 

j6
js6

 

?轴圈相对于负荷方向旋转或摆动

 

— 
— 

 

≤200
>200~400
>400

 

k6
m6
n6

 

表7-2-6 安装推力轴承的外壳孔公差带

座圈工作条件 轴承类型

 

外壳孔公差带

 

纯轴向负荷

 

推力球轴承

 

H8

 

推力圆柱滚子轴承

 

H7

 

推力调心滚子轴承

 

 
径向和轴向联合负荷

 

座圈相对于负荷方向静止或摆动

 

推力调心滚子轴承

 

H7

 

座圈相对于负荷方向旋转

 

M7

 

 外壳孔与座圈间的配合间隙为0.0001D,D为外壳孔直径

1)套圈相对于负荷方向静止 此种情况是指,当方向固定不变的定向负荷(如齿轮传动力、传动带拉力、车削时的径向切削力)作用静止的套圈时。如图7-2-4(a)所示不旋转的外圈和图7-2-4(b)所示不旋转的内圈皆受到方向始终不变的Fr的作用。减速器转轴两端轴承外圈、汽车与拖拉机前轮(从动轮)轴承内圈受力就是典型的例子。此时套圈相对于负荷方向静止的受力特点是负荷集中作用,套圈滚道局部容易产生磨损。

 
(a)?????????????  (b)  ????????   (c) ??????????   (d)

图7-2-4 轴承套圈与负荷的关系

(a)定向负荷、内圈转动 (b)定向负荷、外圈转动(c)旋转负荷、内圈转动(d)旋转负荷、外圈转动

2)套圈相对于负荷方向旋转 此种情况是指旋转负荷(如旋转工件上的惯性离心力、旋转镗杆上作用的径向切削力等)依次作用在套圈的整个滚道上。如图7-2-4(a)Fr对旋转内圈和图7-2-4(b)Fr对旋转外圈的作用,上述减速器转轴两端轴承内圈、汽车与拖拉机前轮轮毂中轴承外圈的受力也是典形的例子。此时套圈相对于负荷方向旋转的受力特点是负荷呈周期性作用,套圈滚道产生均匀磨损. 。

3)套圈相对于负荷方向摆动 当由定向负荷与旋转负荷所组成的合成径向负荷作用在套圈的部分滚道上时,该套圈便相对于负荷方向摆动。如图7-2-4(c)和图7-2-4(d)所示,轴承套圈受到定向负荷Fr和旋转负荷Fc的同时作用,二者的合成负荷将由小到大,再由大到小地周期性变化。当Fr>Fc时(图7-2-5),合成负荷就在AB弧区域内摆动,不旋转的套圈就相对于负荷方向摆动,而旋转的套圈则相对于负荷方向旋转。当Fr<Fc时中,合成负荷沿着圆周变动,不旋转的套圈就相对于负荷方向旋转,而旋转的套圈则相对于负荷方向摆动。

由上分析可知,套圈相对于负荷方向的状态不同(静止、旋转、摆动),负荷作用的性质亦不相同。相对静止状态呈局部负荷作用;相对旋转状态呈循环负荷作用;相对摆动状态呈摆动负荷作用。一般来说,受循环负荷作用的套圈与轴颈(或外壳孔)的配合应选得较紧一些;而承受局部负荷作用的套圈与外壳(或轴颈)的配合应选得松一些(既可使轴承避免局部磨损,又可使装配拆卸方便);而承受摆动负荷的套圈与承受循环负荷作用的套圈在配合要求上可选得稍松一点。

图7-2-5 相对于负荷摆动的区域

(2)负荷的大小

选择滚动轴承与轴颈和外壳孔的配合还与负荷的大小有关。GB∕T275-93根据当量径向动负荷Pr与轴承产品样本中规定的额定动负荷Cr的比值大小,分为了轻、正常和重负荷三种类型(见表7-2-7),选择配合时,应逐渐变紧。这是因为在重负荷和冲击负荷的作用时,为了防止轴承产生变形和受力不匀,引起配合松动,随着负荷的增大,过盈量应选得越大,承受变化负荷应比承受平稳负荷的配合选得较紧一些。

表7-2-7? 负荷的类型和大小

负荷大小

Pr/Cr

轻 负 荷

≤0.07

正常负荷

>0.07~0.15

重 负 荷 

>0.15

 

总之,配合选择时,要考虑轴承套圈相对于负荷的状况,即相对负荷旋转或摆动套圈,应选择过盈配合或过渡配合。相对于负荷方向固定的套圈,应选择间隙配合。

当以不可分离型轴承作游动时,则应以相对负荷方向为固定的套圈作为游动套圈,选择间隙或过渡配合。

随着轴承尺寸的增大,选择的过盈配合过盈越大,间隙配合间隙越大。

采用过盈配合会导致轴承游隙的减小,应检验安装后轴承的游隙是否满足使用要求,以使正确选择配合及轴承游隙。

(3)径向游隙

轴承的径向游隙按GB4604-84规定,分为第2组、基本组、第3组、第4组、第5组。游隙的大小依次由小到大。

游隙大小 必须合适,过大不仅使转轴发生较大的径向跳动和轴向窜动,还会使轴承产生较大的振动和噪声。过小又会使轴承滚动体与套圈产生较大的接触应力,使轴承磨擦发热而降低寿命,故游隙大小应适度。

在常温状态下工作的具有基本组径向游隙的轴承(供应的轴承无游隙标记,即是基本组游隙),按表选取轴颈和外壳孔公差带一般都能保证有适度的游隙。但如因重负荷轴承内径选取过盈量较大的配合(见表7-2-3注 ),则为了补尝变形引起的游隙过小,应选用大于基本组游隙的轴承。

(4)其它因素

1)温度的引响 因轴承摩擦发热和其它热源的影响而使轴承套圈的温度高于相配件的温度时,内圈与轴颈的配合将会变松,外圈与壳孔的配合将会变紧,故当轴承工作温度高于100℃时,应对所选定的配合适当修正(减小外圈与外壳孔的配合过盈,增加内圈与轴颈的配合过盈)。

2)转速的影响 对于转速高又承受冲击动负荷作用的滚动轴承,轴承与轴颈和外壳孔的配合应选用过盈配合。

3)公差等级的协调 选择轴颈和外壳孔公差等级时应与轴承公差等级相协调。如P0级轴承配合轴颈一般为IT6,外壳孔则为IT7;对旋转精度和运动平稳性有较高要求的场合(如电动机),轴颈为IT5时,外壳孔为IT6。

采取类比法选择轴颈和外壳孔的公差带时,可参考表7-2-3、表7-2-4、表7-2-5、表7-2-6按照表列条件选择。

对于滚针轴承,外壳孔材料为钢或铸铁时,尺寸公差带可选用N5(或N6),为轻合金时,选用N5(或N6)略松的公差带。轴颈尺寸公差有内圈时选用k5(或j6),无内圈时选用h5(或h6)。

2、轴颈和外壳孔的形位公差与表面粗糙度

轴颈和外壳孔的形位公差与表面粗糙度可参照表7-2-8和表7-2-9进行选择,但必须强调:轴颈或外壳孔为避免套圈安装后产生变形,轴颈、外壳孔应采用包容要求,并规定更严的圆柱度公差。轴肩和外壳孔肩端面应规定端面圆跳动公差。

表7-2-8 轴颈和外壳孔的形位公差(摘自GB∕T275-93) 
 

表7-2-9 轴颈和外壳孔的表面粗糙度(摘自GB/T 275-93)

配合表面 轴承精度等级

 

配合面的尺寸公差等级

 

轴承公称内径、外径/mm

 

≤80

 

>80~500

 

表面粗糙度参数Ra值/μm(按GB1031-1995)

 

轴颈

 

P0

 

IT6

 

≤1

 

≤1.6

 

外壳孔

 

IT7

 

≤1.6

 

≤2.5

 

轴颈

 

P6

 

IT5

 

≤0.63

 

≤1

 

外壳孔

 

IT6

 

≤1

 

≤1.6

 

轴和外壳

孔肩端面

P0

 

 

≤2

 

≤2.5

 

P6

 

≤1.25

 

≤2

 

注:轴承装在紧定套或退卸套上时,轴颈表面的表面粗糙度参数Ra值不应大于2.5μm。

3、滚动轴承配合选择实例

图7-2-6(a)所示为直齿圆柱齿轮减速器输出轴轴颈的部分装配图,已知该减速器的功率为5KW,从动轴转速为83r/min,其两端的轴承为211深沟球轴承(d=55mm,D=100mm),齿轮的模数为3mm,齿数为79。试确定轴颈和外壳孔的公差带代号(尺寸极限偏差)、形位公差值和表面粗糙度参数值,并将它们分别标注在装配图和零件图上。

1)减速器属于一般机械,轴的转速不高,所以选用P0级轴承。

2)该轴承承受定向负荷的作用,内圈与轴一起旋转,外圈安装在剖分式壳体中,不旋转。因此,内圈相对于负荷方向旋转,它与轴颈的配合应较紧;外圈相对于负荷方向静止,它与外壳孔的配合应较松。

3)按轴承的工作条件,由经验计算公式(参见《机械工程手册第29篇 轴承》中的计算公式),并经单位换算,求得该轴承的当量径向负荷P为883N,查得211球轴承的额定动负荷Cr为33354N。Pr/Cr=0.026,小于0.07。故轴承的负荷类型属于轻负荷。

4)按轴承工作条件从表7-2-3和表7-2-4选取轴颈公差带为Ф55j6(基孔制配合),外壳孔公差带为Ф100H7(基轴制配合)。

5)按表7-2-8选取形位公差值;轴颈圆柱度公差0.005mm,轴肩端面圆跳动公差0.015mm;外壳孔圆柱度公差0.01mm,外壳孔肩端面圆跳动公差0.025mm。

6)按表7-2-9选取轴颈和外壳孔的表面粗糙度参数值:轴颈Ra≤1μm,轴肩端面Ra≤2μm;外壳孔Ra≤2.5μm。

7)将确定好的上述公差标注在图样上,见图7-2-6(b)、(c)。

由于滚动轴承是外购的标准部件,因此,在装配图上只需注出轴颈和外壳孔的公差带代号,见图7-2-6(a)。轴和外壳孔上的标注如图7-2-6(b)、(c)所示。 

(a)                                                           (b)                       (c)

图7-2-6 轴颈和外壳公差在图样上的标注示例

(a) 装配图  (b) 外壳图样  (c) 轴图样

 


  注释与说明