Оптимизация производительности: понимание расчета предварительного натяга для перекрестных роликовых подшипников

В сфере прецизионного машиностроения перекрестные роликовые подшипники пользуются большим спросом благодаря своей высокой точности, высокой жесткости и компактной конструкции. Они широко используются в ответственном оборудовании, таком как промышленные роботы, медицинское оборудование, станки с ЧПУ и поворотные столы. Однако для полной реализации потенциала этих подшипников решающим фактором является предварительный натяг. Правильный расчет и применение преднатяга не только значительно повышает точность работы и жесткость подшипника, но и эффективно продлевает срок его службы.

Что такое предварительный натяг подшипника и зачем он нужен?

Проще говоря, предварительный натяг подшипника — это создание начального, заранее заданного контактного напряжения внутри подшипника во время монтажа посредством приложения определённой силы или смещения. Для подшипников качения это означает, что определённое сжатие уже существует между телами качения и дорожками качения, даже без внешней нагрузки.

Итак, зачем нужна предварительная загрузка? Есть несколько основных причин:

Повышение жёсткости: предварительный натяг устраняет внутренний зазор (люфт) в подшипнике. После устранения этого зазора подшипник меньше деформируется под действием внешних нагрузок, что значительно увеличивает общую жёсткость системы. Это критически важно для применений, требующих высокоточного позиционирования.

Повышение точности вращения: устранение люфта означает, что тела качения сохраняют плотный контакт с дорожками качения. Это помогает уменьшить биение и выбег во время движения, обеспечивая точность вращения и позиционирования подшипника.

Снижение вибрации и шума: предварительный натяг эффективно гасит вибрацию и удары от тел качения при высоких скоростях или переменных нагрузках, тем самым снижая рабочий шум и повышая устойчивость оборудования. Увеличение срока службы: правильный предварительный натяг помогает оптимизировать распределение нагрузки между телами качения и дорожками качения, предотвращая локальные концентрации напряжений и, в определённой степени, продлевая усталостную долговечность подшипника.

Предотвращение проскальзывания: В некоторых высокоскоростных или малонагруженных применениях предварительный натяг может обеспечить равномерное качение тел качения, а не проскальзывание, предотвращая повреждение поверхности.

Уникальность предварительного натяга в перекрестных роликовых подшипниках

В отличие от традиционных радиальных шарикоподшипников или конических роликоподшипников, тела качения (обычно цилиндрические ролики) в подшипниках с перекрёстными роликами смещены на 90 градусов между внутренним и наружным кольцами. Эта уникальная конструкция позволяет одному подшипнику одновременно выдерживать радиальные, осевые и опрокидывающие нагрузки.

Поэтому метод и расчёт преднатяга также являются уникальными.

Классификация преднатяга подшипников с перекрёстными роликами

Преднатяг подшипников с перекрёстными роликами обычно подразделяется на несколько уровней:

Микропреднатяг: подходит для применений, требующих высокой точности вращения и умеренной жёсткости, с низкими внешними нагрузками.

Лёгкий преднатяг: наиболее часто используемый уровень, обеспечивающий хороший баланс между жёсткостью, точностью и повышением температуры.

Средний преднатяг: подходит для применений с большими нагрузками, ударными нагрузками или там, где требуется чрезвычайно высокая жёсткость. Большой преднатяг: используется только в экстремальных условиях эксплуатации, включая экстремальные ударные и высокие нагрузки. Ключевыми факторами являются повышение температуры и срок службы.

В каталогах, предоставляемых производителем перекрестных роликовых подшипников Presun, обычно четко указаны уровни предварительного натяга и соответствующие им силы предварительного натяга или смещения предварительного натяга.

Ключевые элементы расчета предварительной нагрузки

При расчете преднатяга для подшипников с перекрестными роликами необходимо учитывать множество факторов, чтобы обеспечить достижение желаемого эффекта преднатяга без его чрезмерности, приводящей к преждевременному выходу подшипника из строя. Ключевые моменты включают в себя:

Модель и размер подшипника: Подшипники разных моделей и размеров различаются внутренней конструкцией, количеством роликов, геометрией дорожек качения и другими факторами, каждый из которых напрямую влияет на соотношение преднатяга и жесткости подшипника.

Свойства материала: Такие параметры материала, как модуль упругости стали подшипника, являются основой для расчета прогиба.

Условия подачи заявки:

Тип и величина нагрузки: Радиальные, осевые и моментные нагрузки, которые подшипник будет испытывать во время фактической эксплуатации. Предварительный натяг должен быть достаточным для противодействия этим внешним нагрузкам и предотвращения образования отрицательного зазора в подшипнике во время работы. Рабочая скорость: Работа на высоких скоростях может потребовать более точного контроля предварительного натяга для предотвращения нагрева и износа.

Рабочая температура: Колебания температуры вызывают расширение и сжатие компонентов подшипника, что влияет на фактический предварительный натяг. Для компенсации необходимо учитывать коэффициенты теплового расширения.

Требуемые требования к жесткости: Требуемый предварительный натяг можно определить на основе конкретных требований к жесткости оборудования.

Способ монтажа: Способ монтажа подшипника (например, болтовое соединение или прессовая посадка) также влияет на приложение и стабильность предварительного натяга.

Обзор методов расчета предварительной нагрузки

Метод эмпирических формул: Для некоторых стандартных применений и распространённых моделей производитель может предоставлять рекомендуемые значения преднатяга или эмпирически рассчитанные формулы. Как правило, это быстрый, но потенциально неточный метод.

Метод согласования жёсткости: Исходя из требуемой жёсткости системы, требуемый преднатяг можно определить с помощью кривых жёсткости подшипника или расчётных моделей, предоставленных производителем подшипника. Жёсткость подшипника, как правило, нелинейна и увеличивается с увеличением преднатяга.

Конечно-элементный анализ (КЭА): Для особо сложных или ответственных применений можно использовать программное обеспечение для конечно-элементного анализа (КЭА) для моделирования подшипника и его опорной конструкции, моделируя распределение напряжений, деформацию и характеристики жёсткости при различных условиях преднатяга. Это обеспечивает наиболее точные результаты анализа, но требует больших вычислительных затрат.

Теоретические формулы и итерационные расчёты: На основе теории контакта Герца в сочетании с геометрией подшипника и свойствами материала выводится теоретическая формула для контактной деформации между телами качения и дорожками качения. Затем, посредством итерационных расчётов, определяется смещение или сила, необходимые для создания требуемого контактного напряжения (т.е. преднатяга) внутри подшипника. Обычно это включает в себя учёт:

Изменение угла контакта: преднатяг приводит к небольшим изменениям угла контакта между роликом и дорожкой качения.

Деформация ролика: упругая деформация каждого ролика под действием преднатяга.

Деформация внутреннего и наружного колец: упругая деформация внутреннего и наружного колец подшипника под действием преднатяга.

Методы применения предварительной нагрузки

Предварительный натяг обычно достигается следующими способами:

Метод затяжки болтов: Предварительный натяг достигается равномерной затяжкой крепёжных болтов, что приводит к осевому смещению внутреннего и наружного колец подшипника относительно друг друга. Это требует строгого контроля момента затяжки болтов, обычно с использованием динамометрического ключа.

Метод регулировки с помощью прокладок: Предварительный натяг достигается путём установки прецизионных прокладок между посадочными поверхностями подшипника и регулировки их толщины для контроля осевого зазора.

Метод прессовой посадки: Подшипник запрессовывается в седло или на шейку вала с натягом, создавая радиальную или осевую деформацию, тем самым обеспечивая предварительный натяг.

Ключевые параметры и факторы для расчёта преднатяга

Модель и размер подшипника: Это основа для определения величины/силы преднатяга.

Рабочая нагрузка: Внутренняя нагрузка F0, создаваемая преднатягом, должна учитываться вместе с внешней рабочей нагрузкой Fa. Общая нагрузка представляет собой векторную сумму этих двух факторов. Влияние повышения температуры:

Подшипники выделяют тепло во время работы, что приводит к неравномерному тепловому расширению внутреннего и наружного колец, вала и посадочного места подшипника.

В случае предварительного натяга повышение температуры может привести к увеличению предварительного натяга (если коэффициент теплового расширения вала больше, чем у посадочного места подшипника), что усугубляет повышение температуры и даже может привести к заклиниванию подшипника. Необходим анализ теплового баланса.

Усталостная долговечность:

Предварительный натяг существенно влияет на усталостную долговечность подшипника. Согласно теории Лундберга-Пальмгрена, срок службы подшипника L10 пропорционален эквивалентной нагрузке P, возведенной в степень -10/3.

Предварительный натяг увеличивает внутреннюю эквивалентную нагрузку P.

Практическое правило: сокращение срока службы из-за внутренней нагрузки F0, создаваемой предварительным натягом, не должно превышать 50% от номинального срока службы. Другими словами, необходимо обеспечить, чтобы внешняя рабочая нагрузка была основной нагрузкой.

Краткое содержание

Расчёт преднатяга для подшипников с перекрёстными роликами критически важен для обеспечения высокой производительности и длительного срока службы. Для этого требуется не просто числовое значение, а глубокое понимание принципов работы подшипника, свойств материалов и условий применения.

Предоставление профессиональных услуг или рекомендаций по расчёту преднатяга, несомненно, повысит доверие клиентов к вашим продуктам и решениям. Мы призываем инженеров не только осваивать теоретические методы расчёта на практике, но и многократно проверять и оптимизировать их на основе конкретных условий эксплуатации и данных реальных испытаний.

По мере развития прецизионного производства глубокие исследования и точный контроль преднатяга подшипников с перекрёстными роликами будут и дальше расширять границы возможностей в таких областях, как робототехника и автоматизированное оборудование.