圖3 滾動軸承的承載剛度和滾子位置的關係
圖4 軸承的軸向剛度
3.軸承製造裝配的原因
(1)加工面波紋度引起的振動
由軸承零件的加工面(內圈、外圈滾道面及滾動體面)的波紋度引起的振動和雜訊在軸承中比較常見,這些缺陷引起的振動為高頻振動(比滾動體在滾道上的通過頻率高很多倍)。高頻振動及軸心的振擺不僅會引起軸承的徑向振動,在一定條件下還會引起軸向振動。表2列出的振動頻率與波紋度峰數的關係。表中,n為正整數,Z為球(滾動體)數,fic為單個滾動體在內圈滾道上的通過頻率,fc為保持架轉速,fbc為滾動體相對於保持架的轉動頻率。
表2 振動頻率與波紋度峰數的關係
下面簡單介紹一下這種振動的機理。在圖5中,軸承內圈加工過程中殘留有波紋,球個數Z=8,內圈旋轉,當內圈波紋峰數分別為nZ-1,nZ,nZ+1時,對外圈徑向振動影響情況如下:
圖5 內圈波紋率引起外圈徑向振動的機理(n=1,Z=8)
在圖中討論編號為「1」的球與波峰接觸時的情況。當波峰為nZ時,外圈在徑向無移動,但球與nZ士1個波峰數的波紋面接觸時,在外圈箭頭方向上有最大位移。在另一種情況下,當編號為「1」的球與波谷接觸時,波峰數為nZ個時,外圈則無徑向位移;在nZ士1個波峰數時,外圈在與箭頭相反方向有最大位移。由此可以說明在波峰數等於nZ士1時產生振動的原因。
表2中所列的條件是理想的,即波紋是均勻分佈,波紋形狀是正弦變化的。而對實際的波紋形狀,可能有其他頻率成分出現。用類似方法可說明波峰數對軸向振動的影響。對於精密軸承,波紋度引起的軸心擺動是不能忽視的。圖6所示為在機床中使用的加有預緊力的兩個超精密向心球軸承,由於滾道波紋度引起軸心擺動軌跡。此時軸心軌跡呈現內卷形和外卷形兩種形式。還應注意,不僅軸承滾道和滾動體的波紋度會引起軸承振動,軸承的內外配合面及軸頸和軸承座孔的波紋度對精密軸承也會引起類似的振動,因為在預緊力作用下,軸承裝配後會引起套圈的相應變形。
圖6 由軸承零件波紋度引起的軸心擺動
(2)軸承偏心引起的振動
如圖7所示,當軸承游隙過大或滾道偏心時都會引起軸承振動,振動頻率為nfn,fn為軸迴轉頻率,n=1,2,…。
(3)滾動體大小不均勻引起軸心擺動
如圖8所示,滾動體大小不均勻會導致軸心擺動,還有支承剛性的變化。振動頻率為fc和nfc士fn,n=1,2,…,此處fc為保持架迴轉頻率,fn為軸迴轉頻率。
圖7 軸承偏心引起的軸承振動 圖8 滾動體大小不均勻引起的軸心擺動
(4)軸彎曲引起軸承偏斜
軸彎曲會引起軸上所裝軸承的偏移,造成軸承振動。軸承的振動頻率為nfc士fn,n=1, 2,…。此處fc為保持架迴轉頻率,fn為軸迴轉頻率。
4.滾動軸承的聲響
滾動軸承在運轉時由於各種原因會產生振動,並通過空氣傳播成為聲音,聲音中包含著軸承狀態的信息。軸承聲響有如下幾種:
所謂軸承本質的聲音是一切軸承都有的聲音。滾道聲是滾動體在滾動面上滾動而發生的,是一種滑溜連續的聲音。它與套圈的固有振動有關,頻率一般都在1kHz以上,並與軸承轉速有關。輾壓聲主要發生在脂潤滑的低速重載圓柱滾動軸承中,類似於「咯吱咯吱」的聲音。
保持架聲音是由保持架的自激振動引起的,保持架振動時會與滾動體發生衝撞而發出聲音。高頻振動聲是由加工面的波紋度引起的振動而發出的聲音。
在與使用有關的聲音中,傷痕聲是由滾動面上的壓痕或鏽蝕引起的,為周期性的振動和聲音。塵埃聲是非周期性的。
綜合以上所述,正常的軸承在運轉時也會有十分複雜的振動和聲響,而故障軸承的聲音則更複雜。