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如何进行优秀的轴承系统设计?

英国IDC在机器人领域的设计开发工作正不断增加,而这些项目中关键的工程要素之一就是轴承。

我们通过这篇文章与大家分享它轴承系统的重要性,研究相关设计的考虑因素,并提供实现最佳性能的深入洞察。

为何轴承如此重要


轴承是运动装配体中至关重要的部件,允许两个负载的表面进行相对运动。我们几乎可以在任何具有移动组件的产品中找到轴承。

轴承的运动可以是旋转或线性的,并且可以通过滚动元件、滑动接触或流体膜来实现。

设计良好的轴承系统可满足使用寿命、效率、负载和速度要求,反之,系统则会导致一系列难以解决的问题。 比如:超出所需运动范围的自由游隙、系统的过早损坏和噪音过大等。这些现象可能会导致许多潜在问题,最终会影响产品的成功度。

公差及配合


使滚动元件轴承达到其额定负载和速度,必须正确安装。

例如,若容纳轴承的孔尺寸过小,并且压力配合过紧,则当用手旋转内圈时,轴承就会有受阻感,其寿命也可能会显著缩短。同样,如果将轴承压在过大的轴上,轴承的变形和应力会改变内部间隙,导致性能不良和过早损坏。

使用滑动轴承(轴衬)时应注意,在轴衬中旋转的轴实际上是内圈,因此它不仅应在特定的公差范围内,而且还必须具有足够精细的表面光洁度(通常小于Ra 0.3)和适当的硬度。

在多个轴承支撑一个轴的情况下,轴承座和轴的同心度、圆柱度和对中度必须有适当的公差。公差控制不良可能造成装配困难、轴承内负荷分布不均、滚动元件轴承噪音过大和过早失效,并且会经常卡住聚合物轴衬。有关公差和配合的其他信息,请参见此处

轴承选择


从青铜轴衬到优化以支持特定方向应力的滚动元件轴承,轴承有着多种规格。轴承选型过程与更广泛系统的设计密切相关,这就涉及到对力的大小和方向的理解。

对于没有轴向力的旋转轴,轴承的选择范围就相对较窄,也就是在滚珠轴承和滑动轴衬之间选择。存在显著的力矩载荷、径向力和轴向力时,适用的轴承选型范围就会显著增加。

在更复杂的情况下,要更重视某些轴承组合对系统功能或性能的影响。

轴承布置的过度确定


复杂的轴承系统可能同时包括轴、齿轮和电机,它们应当被充分约束,确保它们仅按照期望的方式运动。

当系统中存在的大量固定轴承的情况下,会出现单个轴承过载的危险,使得一个轴承承受的载荷百分比高于预期,或者在装配过程中被施压。例如,电机和轴未对中可能导致电机内部轴承承受异常高的负载。

在一部分情况下,可以通过在电机、变速箱和轴之间使用挠性联轴器来避免这种情况,也有一些案例中,需要进行更严格的公差控制,并使用固定轴承和浮动轴承来容纳此种未对中的情况。

轴承使用寿命计算


轴承的使用寿命和周期可通过计算来估计。ISO281规定了与90%可靠性相关的基本额定寿命。

对于更复杂的轴承布置或为了在关键应用中对轴承寿命有更大的确定性,有许多更先进的技术可用来估计轴承寿命。

一般来说,与基本额定寿命所涵盖的简单情况相比,实际工程系统的复杂性会更高,这意味着这些计算中的假设并不代表着实际系统。在实际案例中,需要适当考虑“调整额定寿命”,其中包括调整润滑条件、润滑污染、皮带驱动系统、疲劳载荷以及载荷情况和速度变化等因素的变量。或者,可以根据ISO16281计算轴承寿命。该标准考虑了轴承内的载荷分布,因此也就考虑到了轴承间隙、倾斜角或离心力的影响。

设计良好的轴承系统可以根据产品的需要定制如下内容:
  • 静音运行
  • 最高精度
  • 延长无法定期维修产品的使用寿命
  • 降低振动
  • 消除运动系统的干扰/锁定风险
  • 恶劣环境下的功能
  • 易于装配
  • 安全性
  • 降低摩擦,提高效率
  • 高速度
  • 低成本
  • 适用性

良好轴承设计的价值举例


  • 产品声音太大?我们将噪声运动系统,通过正确的轴承选择和适当的零件公差使其静音。
  • 需要可靠的性能和最少的维护?我们已设计、测试并验证了可在不同条件下,无需维护连续工作超过5年的轴承系统。
  • 精度和齿隙问题?我们设计了使用滚动元件轴承的接头,可在无自由游隙的情况下,支持重要的力矩载荷,不仅提高了接头的精度和精确度,还消除了噪音,提高了寿命。

感谢您的阅读!如您对轴承系统设计领域有任何问题,或者希望得到此领域相关支持,请随时联系IDC。

关于作者

尼克·布朗(Nick Brown)IDC的机械设计工程师。

尼克拥有赛车工程硕士学位,他运用对机械工程原理和复杂运动系统的深入理解,解决了包括机器人、医疗设备、消费品和工业设备等广泛项目中的一系列技术问题。


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