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滾動軸承的選用(上)

摘要"

前言
滾動軸承的選用,因為軸承是互換性的零件,根據ISO規範的標準大量製造,因此很多機械的設計,為了降低成本選用大眾化的軸承型號,這種遷就滾動軸承型號、尺寸和性能的作法,是以大量生產為目標的設計概念;時至今日,運用軟體來設計開發的時間越來越方便的時代,越來越多的設計會朝向機台特性來開發軸承,諸如風力發電風機軸承的應用改變、電動汽車的馬達軸承應用改變...等等。因此未來會有更多軸承會因應各種不同應用的規範來設計軸承,所以滾動軸承的選用,相對於未來的趨勢,在此提供SKF滾動軸承選用的考慮方向。
當不論任何目的來選擇軸承時,終究您會以盡可能低的成本來確定達到設備性能的要求水準,堅固耐用也是非常重要的,因為您不會明確知道您的設備是在甚麼條件下被組裝、操作和保養也可能會隨時間而改變。除了軸承額定壽命之外,為了該應用與軸承特性放在一起考慮的還有許多因素,包括:
• 潤滑劑和潤滑方式
• 軸心和軸承座孔的公差配合
• 軸承內部間隙等級
• 保持架的材料和導引方式
• 尺寸的穩定性
• 精度要求
• 軸承密封
• 安裝方法和維護
為了幫助評估這些關鍵因素,我們建議遵循如下的選擇過程,該選擇過程提供簡單且循序漸進的步驟來達到闡明每一步驟間的整體關係,並藉由清晰地定義和命名的方法讓我們容易找到明確主題的訊息,事實上,無論如何我們將會發現其間相互影響的關係,致使我們需在步驟間往返演算的迴路中找到最適合的參數。
1. 性能和操作條件
2. 軸承形式和配置
3. 軸承尺寸
4. 潤滑
5. 軸承操作溫度和轉速
6. 軸承的公差配合
7. 軸承運轉
8. 軸承安裝、拆卸和油封

關鍵詞:性能操作條件、軸承型式和配置、基本額定壽命、基本額定動負荷、等效軸承動態負荷、潤滑

性能和操作條件

在軸承選用過程的第一步驟是理解和紀錄
• 所需要的性能
• 操作條件及其假設
• 任何其他應用的先決條件
一種應用可對軸承解決方案設定多樣要求,常見因素包括:
• 軸承壽命
• 速度能力和承受所施於加速度
  水準的能力
• 軸心在軸向和徑向位置的精密度
• 能承受或高溫或低溫的溫度或
   溫度梯度的能力
• 產生噪音和振動的等級
這些性能因素相當重要,可能會影響到您在軸承選用和應用分析過程中完成步驟的本質路徑。您應該盡可能詳細地評估設備的操作條件,諸如重要的操作參數是:
• 負荷
• 轉速
• 溫度
• 潤滑劑和潤滑劑的清靜度
通常這些參數可以透過應用的物理和機械力學的分析或從相類似應用的經驗來決定,且確保所作出的任何假設都有明確的紀錄。
操作條件通常會隨著時間而改變,例如在變轉速的應用,或因季節而溫度的改變,或增加輸出的功率;變化範圍很重要,在某些情況下,範圍的上、下限值都很重要,而在另一些情況下,只有上限值或下限值很重要。
為了優化設計,您必須透過軸承選用過程的多重步驟循環推演;若是想要儘量簡化這些步驟,請審閱和優先考慮應用的先決條件,諸如:
• 可用的徑向或軸向空間
• 由軸心的強度要求而確定的軸徑
• 根據應用中其他部件確定的潤滑劑選擇
呈現主要操作條件、應用要求和多樣軸承安排的設計之間的相對關係如下轉化操作條件和應用要求於軸承解決方案的考慮因素的魚骨圖,該圖表內容並不全面,當努力遵循穩健和成本效益的解決方案時,您可能必須考慮的因素和相互的關聯性,如成本和供貨情況等
因素。

軸承形式和配置

每一種軸承類型都有其獨特的性能,致使其分別適合某些特定的應用場合,在此不作各種軸承類型的介紹,會以軸承的配置為重點;軸承的主要功能是承受轉動軸心的負荷,讓轉軸在固定位置以圓周運動來作功,一般最簡單的設計是一支轉軸的兩端各由一顆軸承來支撐(圖1),其軸承配置又可分為:
• 固定端/活動端軸承配置
• 可調整式軸承配置(交叉固定配置)
• 浮動軸承配置
以上的軸承配置方式,最主要考慮的是軸承安裝時的溫度和運轉後的溫度差,會造成旋轉軸的熱漲冷縮問題,必須將旋轉軸的熱漲冷縮量預留,才可避免軸向因熱漲冷縮導致對軸承的軸向迫緊提早軸承損壞問題。而活動端軸承作軸向位移,一般內圈轉動的應用都是設計外圈鬆配合,當旋轉軸熱脹的時候,旋轉軸依軸向膨脹,因此兩顆軸承的間距會因熱脹而伸長,所以軸承內圈會隨著旋轉軸膨脹作軸向位移,而內圈推著滾珠或滾子,然後滾珠或滾子推著軸承外圈作軸向位移,此時必須克服外圈的軸向靜摩擦力,所以會有軸向迫緊力產生,一旦位移,其軸向迫緊力就隨之消失;若是軸承類型本身的特性就可以作軸向位移,諸如圖2所示。
軸承的內圈會隨著旋轉軸膨脹作軸向位移,而內圈在轉動並且滾珠或滾子也在轉動的過程中作軸向的位移,因此不會有軸向迫緊力的問題,是相對較佳的設計。
典型的固定端/活動端軸承配置如
圖3所示,左右兩邊都是深溝球軸承,左邊軸承的外圈左邊被端蓋固定位置,另外右邊被C形扣環固定位置,所以左邊軸承是固定端;而右邊軸承的外圈兩邊皆無固定擋邊,是活動端。如圖4所示亦是固定端/活動端軸承配置,雖然其左右兩邊都是球面滾子軸承,如同深溝球軸承一般,左邊軸承是固定端,而右邊軸承是活動端。
如圖5,左邊兩顆單列角接觸球軸承背對背成固定端,而右邊軸承是活動端。
如圖6,左邊NU圓柱滾子軸承搭配四點角接觸球軸承成固定端,而右邊由容許軸向位移的NU圓柱滾子軸承為活動端,可從圖面看出其所有軸承之內、外圈左右兩邊都受擋邊所限制,不可移動,但是NU圓柱滾子軸承在滾動過程中內圈是可作軸向位移,因此視為活動端。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌

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