轴承有哪两种常用的预紧方式？

罗罗日记 · 发表于 2020-8-21 23:01:44

你好，欢迎收看罗罗日记。

本次报道的主要内容有：

1. 什么是轴承的预紧？

2. 什么是定位预紧和定压预紧？

3. 定压预紧和定位预紧各有什么优缺点？

4. 什么时候需要预紧？什么时候用定压预紧？什么时候用定位预紧？

5. 预紧量是多少？怎么测定预紧量？

6. 如何根据速度，设定动态预紧力？

接下来欢迎收看具体内容。

角接触球轴承的应用及力传递示意图

前几天，我在某站看到一个设计，里面用了角接触球轴承。

结构如上图。

咋一看，好像有点不对劲。

因为从力的传递来说，可以不用内定位套。

例如，当力从轴的右边传递过来时，首先经过右边轴承的内圈，然后传递到其外圈，再从外圈传递到外定位套，再从这个外定位套，传递到左边轴承的外圈，最后从左轴承外圈传递到基座上。

同样的道理，假如有外力作用在轴的左边，力的路径也会像示意图中虚线所示的那样，最终传递到端盖上。

所以，看起来不需要内定位套。

那么，是这个设计有问题吗？

仔细想想，其实并不是。

这里的内定位套，实际上有一个作用，那就是设定轴承的初始预紧力。

这种设定方法叫做定位预紧。

其实还有一种预紧方法叫定压预紧。

这两个名字是不是在哪里听过？

没错，我们在《滚珠丝杠和梯形丝杠有什么区别》那篇文章中也有提到。

那么，什么是轴承的预紧？什么是定位预紧和定压预紧？

所谓预紧，就是让轴承的滚动体和轴承的内外圈保持紧密接触，这常常是需要施加一个外力来实现。

以深沟球轴承为例来说明。

有预紧和没有预紧的对比

图上a所示，如果没有预紧，轴承顶部和轴之间有游隙，当轴受到向下的力时，轴承底部的球受压产生弹性变形，导致轴的理论轴线向下移动较大的距离。

而如果有预紧，也就是如图b所示，因为滚动体事先受到压力（轴向施加的压力），已经产生一定的弹性变形，再施加和图a相同的径向压力时，底部的球也会产生弹性变形，但是变形的量，没有图a所示的那么大。

也就是说有预紧时，轴的理论轴线向下移动的距离减小。

这就是有预紧和没有预紧的区别：有预紧提高了刚性，当然同时也提高了传动精度。

而预紧的核心就在于，通过外部提前施加一个力，使得滚动体和轴承内外圈紧密接触，产生一定的弹性变形。

那么，对于我们上面一开始就提出的结构，我们再回过头来看一看。

预紧力传递示意图

其实左端的螺母，会施加一个向右的力，这个力一部分通过左边轴承的内圈作用在球体上，然后传递到外圈和外定位套上，一部分力通过轴承内圈传递到内定位套上。

当然，因为左端螺母的旋动会带动轴向左移动，轴右边的轴肩会施加一个力在右边轴承的内圈上，这个力也最终都传递到内定位套和外定位套上，和来自左边的力达到平衡。

在内定位套材料和左端螺母施加的力一定时，预压力F1的大小取决于内定位套的尺寸，因为它决定了轴承内圈可以到达的位置。

没错，这就是定位预紧的来历。

可以想象一下，比较恰当的情况是，内定位套尺寸和外定位套尺寸相同，预紧力F1，通过内定位套产生一定的形变来施加。

如果内定位套的尺寸变长，比较糟糕的情况是，螺母上的力无法施加到球体上，全部被内定位套吸收，不能产生预紧力。

如果内定位套的尺寸变短，比较糟糕的情况是，螺母上的力根本不会传递到内定位套上，全部被外定位套吸收，这个时候就相当于没有内定位套。

OK，到这里，我们明白了什么是预紧，以及什么是定位预紧。

那么什么又是定压预紧？

轴承定压预紧概念

很简单，就是靠螺旋弹簧或者波浪弹片等结构，施加一个恒定的压力。

因为弹簧及弹片对微小位移不太敏感，所以它的预紧力波动很小，基本维持不变，所以叫定压预压。

到这里，我们发现，轴承的预紧和滚珠丝杠的预紧（甚至是导轨的预紧，比如交叉滚柱导轨的预紧），本质上是一模一样的，都是让滚动体和附着体紧密接触，产生一定的弹性变形，以提高刚度和精度。

好了，我们来总结一下定位预紧和定压预紧的优缺点，及实用情况。

定位和定压预紧对比

工程中，我们用得最多的是3类轴承，角接触球轴承和圆锥滚子轴承，以及深沟球轴承。

角接触球轴承和圆锥滚子轴承一定需要预紧。

而深沟球轴承可以预紧，也可以不预紧。但最好有预紧，防止振动产生噪音，我们一般用波形弹簧来预紧，因为占用的空间比较少。

关于轴承的预紧结构，预紧的目的和预紧特征，预紧量等，这里有2张表格，我觉得总结得不错，贴上来，留个记录，方便以后翻阅。

轴承预紧对比（NTN）

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轴承预紧对比（KOYO）

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角接触球轴承的预紧量

+ ~7 ^+ l/ n: E P: R

需要注意的是，上面的预紧量，只是某品牌的推荐值，不同的厂家，推荐的预紧量有所不同，实际使用时，按照厂家的推荐使用就好。

上面所说的，都是提前设定好预紧量，有些情况下，动态的预紧量更适合实际应用。

比如切削主轴。

因为理论上，在高速时，离心力将会作用在轴承滚动体上，这时用轻预紧较好，可以减少发热延长轴承使用寿命。

但是，低速运行时，希望主轴有高刚性，所以又需要高预紧。

这就要求根据不同的速度，来决定不同的预紧力。

怎么实现呢？

我了解到，有一些结构，比如下面这两幅图。

使用离心力动态调节预紧量

核心调节结构是图中的离心装置（centrifugal device），离心装置中的黄色部件会受到绿色部件的离心压力和自身的离心力，而产生弹性变形，其两只脚会收缩与张开，从而实现对靠近它的右端轴承的预压调整。

使用电磁铁动态调节预紧量

这个原理就更简单了，利用电磁铁（electromagnet）的电流控制，实现电磁铁的出力控制，从而实现预紧弹簧（Preload Spring）的压力控制。

当然，实际设计中，我们基本不会涉及到需要动态预紧的情况。

这个也是我在翻阅资料时，无意间了解到的。

所以做个笔记，万一哪天要做动态预紧，也方便找出来再研究研究。

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