预紧和转速对轴承刚度和温度的影响

轴承作为机械转动的重要零部件，而轴承的刚度和温度会直接影响到轴承对机械运转的效率，为了提供轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚性，减小机器工作时轴的震动，常会采用预紧的滚动轴承，比如说：机床的主轴轴承。

所谓预紧，就是在安装时用某种方法在轴承中产生并保持一轴向力， 以消除轴承中的轴向游隙，并在滚动体和内外圈接触处产生变形。

由于预紧力的作用，滚动体和内、外圈接触处就产生弹性变形，并使接触的面积增大，参与承受力的滚动体就增多，也就有可能在大于180度的范围内滚动体参与受力，有时甚至也可能在360度范围内全部滚动体受力，这样做，肯定比少数几个滚动体受力的情况要好，而且还能多承受负荷。由上述讨论可知，预紧后的轴承工作时，再承受同样的负荷，其接触变形肯定比未预紧轴承的接触变形要小，因此可以提高轴承的支承刚度，同时还可以补偿轴承在使用中一定的磨损量。

预紧后的轴承受到工作载荷时，其内外圈的径向及轴向的相对位移量要比未预紧的轴承大大的减少。定位预紧的圆锥滚子轴承，由于挡边与滚子端面的跑合而减少预紧量，因此轴承跑合一段时间温度也相应地下降。预紧量越大，滚子与挡边跑合导致的温度下降尤为显著。表面粗糙度越粗，跑合引起预紧量减少越多。定压预紧时，即使产生跑合，轴承游隙(预紧)及轴向负荷的实际水平也无变化，因此，轴承的温度不变。

机床主轴轴承刚度是重要的性能指标。刚度不仅与载荷和转速有关，而且与摩擦热和预紧方式有关。刚度计算也是主轴单元动力学特性分析的基础。

1、预紧方式和转速的影响

定压预紧下，随转速的提高轴承径向刚度略有增加，而轴向和角刚度迅速降低。定位预紧下，轴承径向，轴向和角刚度均随转速的提高而迅速增加，但轴向和角刚度的增加比较平缓。陶瓷球轴承的刚度变化规律与全钢轴承相似，但变化较为平缓。定位预紧下，内圈和球的离心力，以及摩擦热的作用使内外圈的接触载荷增加，同时外圈接触角减小，内圈接触角增大，从而使接触刚度增加，但外圈接触角的减小使轴向和角刚度的增加变缓。

定压预紧下，球的离心力增大使外圈接触载荷增加，同时接触角减小。由于内外圈允许轴向位移，而内圈接触载荷基本不变，但接触角增大。热位移和离心位移对内外圈接触载荷和接触角几乎没有影响。尽管外圈法向接触刚度增加，但内圈法向接触刚度基本不变，串联作用的结果使径向刚度有所增加，但不大，而外圈接触角的减小使轴向和角刚度显著减小。定位预紧下，陶瓷球轴承的刚度小于全钢轴承，而定压预紧下，陶瓷球轴承的刚度大于全钢轴承。定位预紧下，全钢轴承的接触载荷比陶瓷球轴承高一倍以上，尽管陶瓷球弹性模量高，全钢轴承刚度大于陶瓷球轴承。而定压预紧下，内圈接触载荷变化不大，陶瓷球弹性模量高使陶瓷球轴承刚度大于全钢轴承。

2、预紧载荷的影响

随着预紧载荷的增加，轴承的径向、轴向和角刚度随之略有增加，但影响很小。与定位预紧相比，这一-影响对定压预紧比较显著。这是山于预紧载荷增加使内外圈接触角增大，同时也使接触载荷增加，从而使径向、轴向和角刚度都有所增大。但是,预紧载荷引起的接触载荷和接触角变化，与转速和零件位移引起的变化相比较小，因此，对轴承刚度的影响有限。这也是定位预紧下的变化小于定压预紧的原因。

3、沟道曲率半径的影响

随着内外圈沟道曲率半径的增大，径向、轴向和角刚度随之减小，但是这一影响很小，只有定位预紧下刚度的变化稍为明显一些，这是由于沟道曲率半径增大使接触变形量增大。因此，一般选择沟道曲率半径时可以不考虑它对刚度的影响。

4、球数的影响

定位预紧下，球数增加使径向、轴向和角刚度略有增加。球数增加使刚度增加，但同样预紧载荷下，球数增多将使接触载荷减小，它们共同作用的结果虽然能使轴承的刚度增加，但较少。

定压预紧下，球数增加使径向刚度随之明显增加，而当转速增加到一定值时轴向和角刚度反而随之降低，但变化很小。这是由于定压预紧下，球数增加尽管使内圈接触载荷减小，但同时使内圈接触角减小，它们的共同作用使轴承径向刚度明显增加，而轴向和角刚度略有减小。

因此，球数增加时应相应提高预紧载荷，只有当接触载荷相同时一，增加球数才能使轴承刚度增加。

5、球径的影晌

定位预紧下，球径增大，径向、轴向和角刚度随之略有增加。球径增大使球的离心力增大，外圈接触角减小，内圈接触角增加，但同时使内外圈接触载荷增大，它们联合作用的结果使轴承刚度增大。由一于定位预紧下离心力变化对接触载荷的影响较小，因此球径变化对刚度的影响很小。

定压预紧下，球径增大径向刚度随之增加，而轴向和角刚度反而降低，但影响较小。这是由于球径增大使球的离心力增大，内外圈接触角减小，外圈接触载荷增加，而内圈接触载荷基本不变，因此径向刚度增加，而轴向和角刚度略有降低。因此，减小球径不仅改善速度性能，而且不会降低刚度性能。这也从理论卜证明了减小径球是目前主轴轴承的发展趋势之一。

6、初始接触角的影晌

定位预紧下，初始接触角增大使径向刚度显著减小，轴向和角刚度明显增加。这是由于初始接触角增大，接触刚度的径向分量降低，轴向分量增加，同时，相同预紧载荷下接触载荷减小。

定压预紧下，初始接触角增大使径向刚度显著减小;低速时，轴向和角刚度增加, 高速时，基本没有变化。这是由于定压预紧下，内外圈允许轴向位移，为了保持力的平衡，外圈接触角几乎接近于0，初始接触角大小对外圈接触角基本没有影响。同样,初始接触角增大，相同预紧载荷下接触载荷减小。

因此，定位预紧下增大轴承初始接触角可以提高轴向和角刚度，而定压预紧下增大初始接触角不仅不能提高轴向和角刚度，反而降低径向刚度。

采用角接触陶瓷球轴承的高速电主轴单元，其轴承轴向预紧力大小的确定是一个重要问题。轴承轴向预紧力的增大，可以改善轴承在高速运转时由离心力与陀螺力矩引起的不良影响降低旋滚比，又可以提高主轴的刚度。因为电主轴刚度一般指的是径向刚度，所以从轴承预紧力对轴承径向刚度进行研究分析。

图2 轴承刚度随预紧力的变化

从图2中可以看出，轴承刚度趋势随着轴承预紧力的增加，轴承径向刚度变大，使得主轴系统的加工精度和工作效率有明显提高，改善了主轴的工作性能。因此，在实际工矿中，在允许的范围内提高预紧力是有重大实际工程意义的。但是，随着预紧力的增高，轴承温度增高，轴承生热也会增加，进而使得主轴系统温度提高，严重影响轴承的工作寿命和主轴的工作性能。因此，在温升允许的条件下，尽量的提高预紧力是涉及主轴传动系统需要考虑的一个重要因素。

主轴系统在工作过程中，转速越高，轴承生热量也就越多。过高的热量对主轴系统的速度、刚度以及精度都产生影响。稳态状态下，轴承的摩擦热会通过热传递的方式进行扩散。因此，温度分布是衡量主轴单元热传递能力、设计水平以及速度、精度性能的尺度。而轴承的摩擦热计算和主轴轴承热传递模型是温度计算的基础。

主轴轴承接触载荷是指轴承滚珠与轴承内、外圈之间的接触力，计算轴承接触角和接触力是分析轴承生热以及变形的基础。为了分析轴承预紧力、转速对轴承动态特性的影响，研究预紧力、转速与轴承接触角、接触载荷之间的关系也是必不可少的。