电机轴承在轴系统中的配置方式通常有定位加非定位的配置方式,另一种就是交叉定位方式。
定位加非定位的配置方式就是在轴的支撑系统中,设置至少设置一个支撑位置做轴向定位,其他位置通常做非定位(也就是游动端)。这种方式,通过定位端对整个轴系统在轴向上的移动进行了固定,从而保证了轴系统和支撑基座之间的轴向位置固定。一般而言,如果不是因为特殊结构原因,通常不用两个以上的位置做轴向固定,这种过定位的结果会导致轴系统在受热膨胀或者其他轴向尺寸改变的时候出现轴向的附加负荷,影响轴承寿命。
与定位加非定位的配置方式相对的就是交叉定位系统。交叉定位系统是在轴系统中,两端轴承分别在一个方向上限制轴系统的轴向位移,两个单向轴向定位轴承完成轴系统在轴向上的完整定位。如下图所示:
图中,左右两端使用的是深沟球轴承,左侧深沟球轴承负责固定轴在自右向左的轴向移动,右侧轴承负责固定轴在自左向右的轴向移动,两个轴承对整个轴在轴向上的移动共同完成双向固定。在这个结构中,没有哪个轴承是固定端,也没有哪个轴承是非固定端。在轴系统受力的时候,两个轴承中的一个通过轴向承载能力进行固定。
图中示例的结构是使用两个深沟球轴承完成的交叉定位结构,这种结构在电机中经常见到,尤其是小型电机中。之所以这种结构在小型电机中经常使用主要是因为,在小电机中,由于电机发热等原因带来的轴向膨胀本来就不会太大,这种小的轴向附加负荷对轴承的寿命影响较小。同时在这个结构中,可以看到设计者使用了波形弹簧对整个轴系统施加轴向预负荷,这一方面可以起到减少轴承噪声的效果,另一方面也可以平衡和调节附加负荷带来的影响。
从上面分析不难看出,如果在中型电机或者大电机中使用这种深沟球轴承的交叉定位结构,显然效果会比小电机差,并且存在一定的风险。经验上,对于中型以上的电机,很少使用这种两个深沟球轴承的交叉定位结构。
事实上,交叉定位结构不仅仅是通过两个深沟球轴承实现的。交叉定位结构在更多的领域里被广泛使用,两端轴承可能是深沟球轴承,也可能是角接触球轴承,或者是圆锥滚子轴承。
下图为一个齿轮箱中常见的结构,这个结构中使用两个角接触球轴承在轴系统中进行支撑,并且构成交叉定位结构。
图中可以但到,左侧角接触球轴承负责对轴系统自右向左的轴向力提供支撑并且定位;右侧角接触球轴承负责对轴系统自左向右的轴向力提供支持并且定位。两个轴承轴向负荷方向相反,共同对轴系统进行轴向双向定位。
联想深沟球轴承做交叉定位结构的情况,不难发现,在轴承处于工作状态下,两个深沟球轴承在承受轴向负荷的时候,实际上的工作状态与角接触球轴承相同。所不同的是,深沟球轴承轴向负荷能力有限,因此,使用深沟球轴承做交叉定位的时候,只能在轴向负荷不大(小电机)中做定位使用。而角接触球轴承做交叉定位的时候,除了可以定位,还可以承受一定的轴向负荷。
使用角接触球轴承做交叉定位的时候,每个轴承在工作状态下承受轴向负荷,但是设计者也必须保证两个轴承在所有其他工作状态下不能处于反向轴向负荷状态。这是因为,角接触球轴承如果承受反向轴向负荷就会内部脱开,滚动体无法形成纯滚动,从而造成轴承发热等情况,进而引起轴承的提早实效。
要保证两个角接触球轴承在所有工作状态下都不脱开,那就需要对轴承在所有工况下的轴向负荷进行校核计算,从而确定轴承安装时候的预负荷,以保证任何工况下轴承不会脱开。例如上图中,在冷态下,轴承两端的预负荷需要保证两个轴承不脱开;当设备运行,整个轴系统出现温度上升,轴和基座在热态下完成热膨胀之后,两个轴承仍然不会脱开。通过这些校核计算,确定轴承安装的预负荷大小。通常在齿轮箱中,预负荷通过添加调整垫片来实现。这显然对于一般的电机结构而言,显得复杂了一些。
除了使用角接触球轴承以外,在齿轮箱结构中,也会使用圆锥滚子轴承做交叉定位。如下图所示:
使用圆锥滚子轴承做交叉定位结构的布置方式工作原理和角接触球轴承一样,只是圆锥滚子轴承具有更大的轴向负荷承载能力,这也使得整个轴系统能够承受较大的轴向负荷。这种结构中,两个轴承的交叉定位布置的主要作用就不仅仅是轴系统的定位,更大的作用是承受轴系统带来的较大的双向轴向负荷。当然这个结构在应用中存在一定的复杂性,首先是要对预负荷进行计算,同时在安装过程中需要对圆锥滚子轴承的安装和预负荷调整进行关注,以保证整个结构的可靠性。这些操作在齿轮箱生产中是常规操作,但是对于电机生产企业来说,并不常见。并且在实际应用中,两种结构对润滑的要求也有不同。因此电机中很使用这种结构的不多。