公差國家標準中與軸承配合的殼體孔偏差溫升補償研究

文/湯學華 徐榮華 張貽杰

引言

隨著現代工業的高速發展，軸承的使用也隨之增多。同樣型號的軸承，由于使用材料和場合的不同，決定了某些使用配合會有所變化，而軸承的使用范圍又十分廣泛，上至軍用航空等高精技術領域，下至我們日常生活中的民用設備中都必不可少。但目前國內采用的與軸承配合的殼體孔標準中考慮的因素不全。目前在選擇軸承外圈與殼體孔的公差配合時,只能參考沒有計算方式的“GB/T 1801-2009《產品幾何技術規范（GPS）極限與配合公差帶和配合的選擇》公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”及“GB/T 275-1993滾動軸承與軸和外殼的配合”等。

現有標準中殼體孔的公差帶代號主要考慮軸承所受負載的性質和大小，只提到當軸處于高溫場合時，可以選擇代號G。

但在軸處于高溫場合時，還有其他許多因素需要考慮，例如此時殼體孔的溫升值、軸承和殼體孔配合的基本尺寸、它們材料的熱膨脹系數，這些都會影響到它們之間的熱變形量，并破壞其配合性質。

由此我們發現如果不從熱變形對配合性質的影響方面作一定的研究，那么國產軸承受熱變形的影響可能不只降低一些使用壽命，而是在使用初期就直接出現故障，造成無法工作。本論文主要是針對軸承外圈與殼體孔在受熱變形后的配合性質進行研究并給出其計算結果，根據此計算結果反推其在室溫裝配時所需要的配合尺寸。

一、技術方案

在工作時由于軸承和殼體孔受熱變形的影響而使其配合發生變化，導致工作時的配合性質不能滿足使用要求。故計算時算出受熱變形的影響量（影響熱變形量的主要因素是溫升范圍、軸承基本尺寸和材料的熱膨脹系數），本論文是對溫升一致的情況和材料熱膨脹系數不同的情況進行定性的分析和計算，裝配時在原配合的基礎上預留此影響量，使得軸承和殼體孔在實際工作時受熱變形影響后仍能保證其原要求的配合性質。

當殼體孔材料選定后,設殼體孔的工作溫升值為A1，軸承的工作溫升值為A2，作為溫度基本計算數據A1、A2，軸承鋼熱膨脹系數為b，殼體孔材料熱膨脹系數為c，軸承外圈直徑為D。首先根據軸承基本尺寸和精度等級確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據其工作情況確定其為間隙配合，由軸承的基本尺寸D、正常工作時溫升值A1、A2和材料的熱膨脹系數b、c計算軸承與殼體孔在溫升范圍內產生的間隙變動量△X=D[c×10-6×A1-b×10-6×A2]，判斷是間隙減小還是增大，然后對其進行相應的補償即修正殼體孔的上下偏差，接著用修正后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終殼體孔的上下偏差及其公差帶代號。

二、應用實例

實例1（當軸承和殼體孔溫升情況一致時，如果殼體孔材料的膨脹系數小于軸承鋼的膨脹系數）

此時在機械旋轉運行產生溫升后，若軸承外圈與軸承孔的配合在最小間隙為零的狀態下，采用原標準中下偏差為零的代號，則殼體孔勢必會壓縮軸承外圈，從而減小軸承運行內部游隙值及應有的潤滑油沫層，當軸承運行無游隙時就會造成干摩擦加劇溫升，從而形成缺油摩損或壓縮性硬摩損損壞。

現按照112機座電機選用6306軸承，當軸承材料為軸承鋼熱膨脹系數為b=12×10-6，殼體孔材料為鑄鐵件熱膨脹系數為c=8.7×10-6時，軸承外圈基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級（外圈Ф相當于軸的公差等級為IT5級TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級為IT6級TH=0.019mm。先根據軸承基本尺寸和精度等級確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時溫升值A=50℃和材料的熱膨脹系數b、c計算電機軸承與殼體孔在溫升范圍內產生的間隙變動量△X=72[（c-b）×10-6×A]=72[（8.7-12）×10-6×50]mm=-0.012mm，判斷是間隙減小，然后對其進行相應的補償即選定殼體孔為接著用補償后的基本偏差查表“GB 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是Ф其與軸承的配合情況如圖1所示。

這樣當工作時，產生的最大過盈仍能夠保證為零，使軸承外圈和殼體孔在受熱變形后其配合仍能確保正常工作。

由于下偏差存在一定的間隙值，可彌補一些殼體孔的圓度、徑向跳動偏差，減少裝配沖擊力。同時初始軸承外圈無壓縮性使用，可提高軸承內滾動部位表面壓縮硬化的均勻性。

實例2（當軸承和殼體孔溫升情況一致時，如果殼體孔材料的膨脹系數大于軸承鋼的膨脹系數）

此時在機械旋轉運行產生溫升后，若殼體孔采用原標準中下偏差為零的代號，軸承孔的膨脹勢必會大于軸承外圈，從而增大軸承外圈與軸承孔的間隙值，易引起軸承外圈旋轉及軸承孔摩損性擴大，形成摩損性升溫，導致孔擴大變形損壞。

現按照112機座電機選用6306軸承，當軸承材料為軸承鋼熱膨脹系數為b=12×10-6，殼體孔材料為不銹鋼熱膨脹系數c=16.6×10-6時，軸承外圈基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級（外圈相當于軸的公差等級為IT5級TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級為IT6級TH=0.019mm。先根據軸承基本尺寸和精度等級確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時溫升值A=50℃和材料的熱膨脹系數b、c計算電機軸承與殼體孔在溫升范圍內產生的間隙變 動 量 △X=72[（c-b） ×10-6×A]=72[（16.6-12） ×10-6×50]mm=0.017mm，判斷是間隙增大，然后對其進行相應的補償即選定殼體孔為Ф，接著用補償后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是Ф其與軸承的配合情況如圖2所示。

同時考慮到過盈對軸承的影響，則可在殼體孔與軸承間添加熱膨脹O形圈，達到降低受熱后振動噪聲與避免軸承外圈旋轉，公差可根據O型圈膨脹系數與強度計算選擇。也可按常規裝配軸承外圈壓蓋。

實例3（當殼體孔和軸承材料的熱膨脹系數一致時，由于熱源是從軸承傳遞到殼體孔，故此種情況只需考慮殼體孔的工作溫升值小于軸承的狀態）。

當軸承和殼體孔材料都為軸承鋼，熱膨脹系數為b=12×10-6時，軸承的工作溫升值為A1=50℃，殼體孔的工作溫升值為A2=40℃（考慮到此時殼體孔厚度較大，熱傳遞影響不能忽略，工作溫升值取殼體孔平均值），由于工作溫升值小于軸承，最終在機械旋轉運行產生熱變形后，若殼體孔采用原標準中下偏差為零的代號，殼體孔勢必會壓縮軸承外圈，從而減小軸承運行內部游隙值及應有的潤滑油沫層，當軸承運行無游隙時就會造成干摩擦加劇溫升，從而形成缺油摩損或壓縮性硬摩損損毀。

現按照112機座電機選用6306軸承，軸承基本尺寸為Φ72mm、尺寸精度為G級（外圈Ф相當于軸的公差等級為IT5級TS=0.013mm），因此取Ф72殼體孔的公差等級為IT6級TH=0.019mm。先根據軸承基本尺寸和精度等級確定軸承的公差帶并由此選取殼體孔的公差帶，再根據其工況確定其為間隙配合即初定殼體孔為Ф，由軸承的基本尺寸Ф72、正常工作時溫升值A1=50℃、A2=40℃和材料的熱膨脹系數計算電機軸承與殼體孔在溫升范圍內產生的間隙變動量△X=72[b×10-6×（A2-A1） ]=72[12×10-6×（40-50） ]mm=-0.009mm，判斷是間隙減小，然后對其進行相應的補償即選定殼體孔為，接著用補償后的基本偏差查表“GB/T 1801公差與配合尺寸至500mm孔、軸公差帶配合”得到最終的殼體孔的公差是其與軸承的配合情況類似于圖1。

以上實例分析了軸承與殼體孔轉動配合中，不同的配合在材料不同（即熱膨脹系數不同）、溫升值不同兩種狀態下，由于熱變形產生的間隙變動量。選擇能保證其正常工作的配合為首選配合偏差依據，始終以保證軸承在有油沫狀態下的運行，從而使產品達到提高無故障運行時間的目的。

三、殼體孔偏差查詢軟件

溫升補償雖然作為一種計算方法使用可以提高軸承與殼體孔配合的可靠性，但并不能有效地提高一線設計人員的設計效率，為了提高設計效率，我們編寫了與此方法對應的殼體孔偏差查詢軟件。

此軟件對有明確規定的20級標準公差等級制作了下拉菜單供用戶選擇，對于基本尺寸≤500mm的孔的極限偏差在標準范圍內可以輸入任意數值進行計算并獲得結果。另外考慮到工作溫度的不確定性，即使極端情況工作在100℃或者-50℃都可在軟件中輸入數值并計算出此種情況下所需要的公差配合代號和等級。此軟件的最大優點是使用方便，容易上手，即學即會，便于普及，只要是從事機械方面的工作人員不必通過任何培訓便可通過軟件界面中各選項框的注解輕松使用。

雙擊此軟件后便會出現下圖所示界面：

圖3中有七個可填寫框和一個下拉選擇框，通過輸入此八項數值后，點擊OK鍵，便可得到殼體孔與軸承配合的受熱變形量、熱變形修正后的孔上下偏差和最終查表得到的殼體孔公差代號。

四、結論

對于軸承殼體公差配合選擇必須注意到工作的狀態時產生的變化，由此我們提出滿足使用要求的軸承外圈配合公差的計算方法。該方法已在上海光陸電機有限公司、浙江光陸電機有限公司、上海良機有限公司等企業中得到了應用，通過在電機制造使用該方法確定的軸承室公差，既明顯降低了軸承使用的初始故障率，又延長了軸承的使用壽命。

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