了解轴承预紧力
轴承预紧力 ——也称为预紧或初始载荷——是指为消除轴承内部应力而有意施加在其上的受控压缩载荷 清除 并在滚动体与滚道之间产生轻微的干涉。通过确保在所有工作条件下每个滚动体都与滚道保持持续接触，预紧消除了原本可能存在的微小内部间隙，从而形成刚度更高、精度更高的轴承系统，具有更好的载荷分布和更强的抗 振动. 凡是应用场景要求高刚性、轴精确定位或在变化或振荡载荷下平稳运行，该技术都至关重要；在机床主轴、精密仪器和高速机械中，为防止 不稳定 是至关重要的。.
1. 定义：将间隙转化为刚度
大多数滚动轴承在制造时都会留有少量内部间隙，以便安装和润滑。这种间隙虽然有助于装配，但会影响精度：它会导致轴在滚动体开始承受载荷之前发生轻微挠曲，并使受力较小的滚动体发生滑动而非滚动。 预紧力正是为了刻意扭转这种局面——它将滚道向内推挤（或径向挤压），直至间隙消失，从而确保在外部载荷施加之前，每个滚动体上就已存在明确的接触力。实际上，预紧力是以牺牲少量额外的摩擦和热量为代价，换取了 刚性 以及定位精度。
2. 目的与益处
1. 刚度增加
这是预加载的主要优势：
- 消除负载下允许挠曲的间隙
- 确保所有滚动体始终保持接触，使载荷由全部滚动体共同分担。
- 与未预紧的轴承相比，可将轴承刚度提高约2至5倍。
- 可减少轴的挠度，并提高整个系统的刚度。
2. 准确性和精确度得到提升
- 消除 轴跳动 由轴承间隙引起的。
- 可实现精确、可重复的轴定位。
- 对于机床和测量仪器等精密机械而言至关重要。
- 减少因间隙引起的冲击所造成的振动。
3. 防止打滑
- 确保滚动部件真正滚动而不是滑动。
- 在轻载或高速行驶时尤为重要
- 打滑会导致急速 轴承磨损 以及表面损伤。
- 预紧力可确保保持足够的接触力，从而实现纯滚动。
4. 降噪
- 消除了内部间隙产生的异响。
- 运行更安静、更平稳。
- 请远离人员或敏感设备。
5. 稳定性提升
在 转子动力学, 预加载有助于提高稳定性：
3. 预加载的类型
1. 固定（刚性）预紧力
恒定的预紧力，与温度或转速无关：
- 方法： 垫片、垫圈或锁紧螺母设置到特定位置
- 特征： 高刚度与精准控制。
- 限制： 随着温度升高，它可能会增加，从而导致过载的风险。
- 应用： 机床主轴和精密设备。
2. 弹簧（弹性）预紧力
由弹簧产生的预紧力，可实现热补偿：
- 方法： 波形弹簧、贝氏弹簧或螺旋弹簧。
- 特征： 能够适应热膨胀，且不会造成过载。
- 优点： 对温度变化的适应能力要强得多。
- 应用： 适用于温度波动较大且精度要求较低的设备。
4. 预加载方法
轴向预紧力（最常见）
面对面安装或背靠背安装
- 两个角接触轴承相对安装。
- 轴向力将轴承挤压在一起。
- 消除两个方向上的轴向间隙。
- 机床和高精度应用的标准配置。
可调预紧力
- 通过调节锁紧螺母或螺纹固定环来设定预紧力。
- 通过扭矩、轴向力或轴承温升进行验证。
- 可在组装过程中设置，也可在维护时重新调整。
径向预紧力
- 轴承与轴或轴承座之间的过盈配合会产生径向挤压。
- 滚动体在滚道之间受到径向压缩。
- 比轴向预紧力更少见。
- 用于某些密封轴承和特殊应用。
5. 选择预紧力大小
轻型预紧
- 力量： 轴承动态额定载荷的1%–5%。
- 好处 在几乎不增加摩擦的情况下提高了刚度。
- 应用： 通用精密机械。
中等预紧力
- 力量： 动态额定载荷的5%–10%。
- 好处 高刚度且精度良好。
- 应用： 机床主轴和精密传动装置。
重型预载
- 力量： 动态额定载荷的10%–20%。
- 好处 最大的刚度与稳定性。
- 限制： 摩擦力大、产生热量以及使用寿命缩短。
- 应用： 超精密加工以及低速、高刚度要求。
由于正确数值取决于轴承的额定载荷，因此在确定预紧力之前，了解该额定值会有所帮助；诸如 L10寿命计算器（ISO 281） 将动态载荷额定值和使用寿命置于具体情境中，以便在权衡预紧百分比时，能同时考虑其对使用寿命的影响。
6. 缺点与权衡
摩擦和热量增加
- 预紧会增加接触载荷，从而导致摩擦增大。
- 工作温度通常比未预紧的轴承高出 5–20 °C。
- 高温会加速润滑油的劣化
- 增强散热或 润滑 可能需要。.
轴承寿命缩短
- 预紧力会增加工作载荷。
- 轴承寿命的计算必须考虑预紧力效应。
- 过大的预紧力会大幅缩短使用寿命。
- 其根本的权衡在于刚度与精度与使用寿命之间的取舍。
热敏性
- 由于热膨胀差异，固定预紧力会随温度升高而增大。
- 如果热膨胀得不到控制，可能会导致轴承过载。
- 弹簧的预紧力可以吸收这些热变化。
- 设计必须考虑整个工作温度范围。
7.应用
在哪些情况下预加载至关重要
- 机床主轴： 需要高精度和高刚性的磨削、铣削和车削主轴。
- 高速设备： 以防止打滑和车辆失稳。
- 精密仪器： 测量设备和光学系统。
- 交变负载： 涉及负载反转或负载变化的应用。
- 力矩载荷 承受倾覆力矩的轴承。
不建议使用预加载的情况
- 高温应用场景，此类场景存在热过载的风险。
- 极高的速度，此时摩擦和热量起主导作用。
- 剧烈的冲击载荷。
- 在轴承寿命优先于刚度的应用场景中。
- 适用于对精度要求不高的通用工业用途。
预紧力还具有诊断功能。由于磨损而失去预紧力的主轴，或者因热过载而受损的主轴，其振动特征会发生变化——通常表现为临界转速偏移或宽带振动水平升高——因此，在故障发生之前很久，振动分析人员就能察觉到预紧力带来的影响。例如，像 平衡仪-1a 可以捕获主轴的 振动频谱 并在运行速度下保持整体水平，从而提供一个 基线 以此作为基准，可以据此分析轴承预紧力或状态的后续变化趋势——而当根本问题被发现是 不平衡 而不是轴承，它们是在同一台机器上进行动平衡的。
轴承预紧是提升轴承系统性能的有力手段，它能提高刚度、提升精度，并防止打滑和不稳定。然而，在确定预紧值时必须谨慎，权衡这些优势与增加的摩擦、发热以及使用寿命缩短等弊端，从而针对每种具体应用找到最佳平衡点。
