適用于過低反向載荷的不對稱軸承組解決方案

Achim Schmidt　來源：演進(jìn)Evolution

前言

角接觸球軸承的接觸角通常為40°。SKF現(xiàn)已推出全新25°接觸角軸承系列，大大擴(kuò)展了角接觸球軸承的產(chǎn)品組合。這一新產(chǎn)品系列的推出，首次輕松地實現(xiàn)了不對稱軸承配組，有效解決了眾所周知的Z小載荷問題，從而在泵或電動機(jī)等軸向負(fù)載應(yīng)用場合延長軸承的使用壽命。

每個滾動軸承都有一個接觸角，用來傳遞軸承內(nèi)部的力。Z簡單的例子是深溝球軸承，承受純徑向載荷的接觸角為0°，而角接觸球軸承的接觸角始終大于0°。

接觸角越大，滾動軸承的軸向載荷能力越高。在極端情況下，接觸角為90°，則成為純軸向軸承。角接觸球軸承介于純徑向軸承和純軸向軸承之間，可同時吸收徑向載荷和軸向載荷。

更小的接觸角和經(jīng)優(yōu)化的保持架帶來更多選擇

近期，帶黃銅保持架的SKF單列角接觸球軸承的產(chǎn)品陣容進(jìn)一步擴(kuò)大，軸承的接觸角比常見的40°小。以下簡要介紹新推出的25°角接觸球軸承（后綴AC）系列：

較小的接觸角會小幅降低軸向載荷能力，但會帶來其他優(yōu)點。例如，在某些工況下，與40°接觸角相比，可能提高多達(dá)20%的轉(zhuǎn)速。這得益于軸承中更有利的運(yùn)動學(xué)條件，盡可能地減小了滑動分量，從而減少熱量的產(chǎn)生。另外，較小的接觸角確保了較大的徑向剛度，這在主要承受徑向載荷的應(yīng)用場合是有利因素。

SKF還優(yōu)化了25°和40°接觸角軸承的黃銅保持架。由于采用了強(qiáng)度更高的材料并改進(jìn)了形狀，保持架不僅更加堅固，還能使軸承實現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速。

保持架的性能得到改進(jìn)，同時占用空間減小，可騰出更大空間來容納潤滑劑，從而可以延長滑潤劑更換間隔。此外，新型黃銅保持架的振動和噪音水平降低了15%。

軸承應(yīng)用和布局

角接觸球軸承Z常用于泵、壓縮機(jī)和電動機(jī)。這些設(shè)備配備經(jīng)改進(jìn)的SKF角接觸球軸承后，可以更平穩(wěn)地運(yùn)行并延長使用壽命。

在這些應(yīng)用場合中，單列角接觸球軸承通常（至少）成對安裝。這是因為當(dāng)角接觸球軸承承受純軸向或純徑向載荷時，不可避免地會由于其接觸角而產(chǎn)生相應(yīng)的徑向或軸向力。鑒于在這種設(shè)計中，一個軸承只能沿一個方向吸收軸向力，如果不成對使用，而軸向力來自相反方向，軸承便可能被破壞。

由于在大多數(shù)應(yīng)用場合中，軸向力會來自兩個方向，因此反向作用力必須由反向軸承吸收。成對軸承的Z簡單形式是固定“ O型布局”（遵循接觸角線勾畫的形狀）的雙列角接觸球軸承。單個的通用角接觸球軸承也可以用不同的方式進(jìn)行組合，O型和X型布局均可。

成對角接觸球軸承

當(dāng)角接觸球軸承成對安裝時，可以使用多種方案來設(shè)置預(yù)載荷或軸承游隙。Z常見的方法是使用所謂的“通用配對”軸承（也稱為“通用軸承”）。通用軸承的優(yōu)點是，在工廠加工時已經(jīng)實現(xiàn)了相互匹配，當(dāng)將它們安裝在軸承座上時，可以實現(xiàn)規(guī)定的預(yù)載荷/游隙。軸承內(nèi)圈或外圈之間的初始座間隙是通過夾緊軸承來消除的。

為了獲得精確的預(yù)緊力/軸承游隙，縮進(jìn)和突出的公差僅為幾個微米。

因此，通用軸承大大簡化了裝配，而其他傳統(tǒng)裝配方法需要耗費(fèi)更多人力。例如，軸承預(yù)載荷也可以通過在軸承座或軸上插入特殊的隔套來調(diào)節(jié)，但必須費(fèi)時費(fèi)力地測量軸承，并且必須為每對軸承制造單獨的隔套。

為了降低組裝成本，接觸角為25°的新型AC角接觸球軸承已經(jīng)提供了符合SKF Explorer等級的通用配對版本，同時還可根據(jù)要求提供各種預(yù)載荷和軸承游隙等級。

混合軸承組

角接觸球軸承組的軸向力主要來自一個方向，例如沿一個方向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇或泵便是這種情況。在此類應(yīng)用場合，一個角接觸球軸承吸收軸向力，而第二個角接觸球軸承，即反向支撐軸承則不承受載荷。

然而，滾動軸承需要有一個Z小載荷，以實現(xiàn)無摩擦運(yùn)行。空載軸承的載荷很有可能低于該Z小載荷。這可能導(dǎo)致滾珠的滾動行為出現(xiàn)異常（滾動接觸中出現(xiàn)滑動），產(chǎn)生俗稱的“粘污”，“粘污”會導(dǎo)致溫升，并造成表面損壞和/或保持架破裂，Z終導(dǎo)致軸承過早損壞。

混合軸承組的優(yōu)勢

以往，此類應(yīng)用場合通常會安裝由兩個相同的40°接觸角軸承組成的軸承組，軸向載荷主要作用于一側(cè)。不過這并非Z佳配置，因為較大的40°接觸角在空載時更容易受到Z小載荷問題的影響。

現(xiàn)在，新的25°接觸角軸承系列實現(xiàn)了40°和25°接觸角軸承的不對稱配組。這種軸承組具有很大的優(yōu)勢。在不對稱軸承組中，主要的軸向力是通過接觸角較大的軸承（B = 40°）吸收的，而接觸角較小（AC = 25°）的空載軸承則降低了出現(xiàn)粘污的風(fēng)險，因為它提高了提升力的閾值。提升力是外部軸向力，在該軸向力作用下，預(yù)加載軸承組中的反向支撐軸承會完全空載，無法保證所需的Z小載荷。

具體來說，這意味著在相同的外部載荷作用下，接觸角為25°的反向支撐軸承的空載程度較低。這大大降低了軸承過早失效的風(fēng)險，進(jìn)而提高了運(yùn)行可靠性。

不對稱預(yù)加載軸承組中的撓曲和力分布

不對稱軸承組在內(nèi)部載荷分布方面的優(yōu)勢可以通過一個預(yù)加載軸承組的示例來說明，該軸承組由O型布局的兩個角接觸球軸承組成，它們承受純軸向力F（紅色箭頭）。40°接觸角軸承吸收軸向力，而25°接觸角軸承在軸向力作用下為空載。

坐標(biāo)系中，x軸代表撓曲，y軸代表力。綠色曲線代表25°接觸角軸承，藍(lán)色曲線代表40°接觸角軸承。位置1代表無外部載荷的載荷比。位置2代表在40°軸承的提升力水平時具有外部軸向力F1的載荷比。位置3代表在25°軸承的提升力水平時具有外部軸向力F2的載荷比。

位置①：組裝后無外部載荷的載荷比

在藍(lán)線和綠線之間的交點處（在y軸上），沒有施加外力。兩個軸承都僅承受設(shè)定的預(yù)載荷。在此示例中，為簡化起見，假設(shè)預(yù)加載力F預(yù)載 = 1。

位置②和③：除預(yù)載荷外還施加外力時的載荷比

除了預(yù)載荷外還施加了外部軸向力F時，必須將視線從該圖中的中間交點向右移動。40°接觸角軸承（藍(lán)色）除了設(shè)定的預(yù)載荷外，還要承受力F帶來的載荷，因此藍(lán)色曲線上升。同時，力F使25°接觸角軸承（綠色）空載，因此綠色曲線下降。綠色曲線觸及x軸時，預(yù)載荷用盡，軸承空載。必須極力避免這種情況。

灰色虛線用于與接觸角為40°的反向支撐軸承進(jìn)行比較。它顯示了在具有相同接觸角（40°+ 40°）的常規(guī)軸承組中的撓曲。

位置②的詳細(xì)說明：力F1（40°）和力F1（25°）

此時，常規(guī)軸承組（40°+ 40°）和不對稱軸承組（40°+ 25°）之間的差異變得尤為明顯。在這兩種情況下，外力完全相同(F1(40°) = F1(25°) = 2.8 x F預(yù)載)，而軸承組的撓曲不同。

力F1（40°）用虛線表示，力F1（25°）用實線表示。使用兩個40°接觸角軸承的常規(guī)軸承組，此時已經(jīng)達(dá)到了提升力點。這可以從與x軸相交，表示40°接觸角反向支撐軸承撓曲的灰色虛線看出。此時預(yù)載荷已完全用盡（虛線相交處的黃色?）。這一點大約是預(yù)緊力的2.8倍。

然而，就不對稱軸承組而言，當(dāng)施加相同的力時，軸承中仍存在一定的殘余預(yù)載荷。在這種情況下，綠色曲線仍在x軸上方（實線相交處的黃色框）。

位置③詳細(xì)說明：力F2

此處顯示了25°接觸角反向支撐軸承的提升力。值得注意的是，力F2 明顯大于力F1。具體來說，這一點約為預(yù)緊力的5.2倍。這意味著與由相同軸承組成的軸承組相比，不對稱軸承組可以吸收近乎兩倍的軸向力，而不會使反向支撐軸承空載。

因此，25°接觸角軸承更適合作為反向支撐軸承。

結(jié)論

接觸角為25°的SKF新一代角接觸球軸承是理想的反向支撐軸承解決方案。尤其是在軸向力主要來自一個方向的應(yīng)用場合中，建議在設(shè)計中采用不對稱軸承組，以防止出現(xiàn)Z小載荷無法實現(xiàn)的問題，避免軸承過早失效。

此外，25°接觸角軸承也可用于要求高轉(zhuǎn)速和/或較高徑向剛度的應(yīng)用場合。