公差国家标准中与轴承配合的壳体孔偏差温升补偿研究

文/汤学华 徐荣华 张贻杰

引言

随着现代工业的高速发展，轴承的使用也随之增多。同样型号的轴承，由于使用材料和场合的不同，决定了某些使用配合会有所变化，而轴承的使用范围又十分广泛，上至军用航空等高精技术领域，下至我们日常生活中的民用设备中都必不可少。但目前国内采用的与轴承配合的壳体孔标准中考虑的因素不全。目前在选择轴承外圈与壳体孔的公差配合时,只能参考没有计算方式的“GB/T 1801-2009《产品几何技术规范（GPS）极限与配合公差带和配合的选择》公差与配合尺寸至500mm孔、轴公差带配合”及“GB/T 275-1993滚动轴承与轴和外壳的配合”等。

现有标准中壳体孔的公差带代号主要考虑轴承所受负载的性质和大小，只提到当轴处于高温场合时，可以选择代号G。

但在轴处于高温场合时，还有其他许多因素需要考虑，例如此时壳体孔的温升值、轴承和壳体孔配合的基本尺寸、它们材料的热膨胀系数，这些都会影响到它们之间的热变形量，并破坏其配合性质。

由此我们发现如果不从热变形对配合性质的影响方面作一定的研究，那么国产轴承受热变形的影响可能不只降低一些使用寿命，而是在使用初期就直接出现故障，造成无法工作。本论文主要是针对轴承外圈与壳体孔在受热变形后的配合性质进行研究并给出其计算结果，根据此计算结果反推其在室温装配时所需要的配合尺寸。

一、技术方案

在工作时由于轴承和壳体孔受热变形的影响而使其配合发生变化，导致工作时的配合性质不能满足使用要求。故计算时算出受热变形的影响量（影响热变形量的主要因素是温升范围、轴承基本尺寸和材料的热膨胀系数），本论文是对温升一致的情况和材料热膨胀系数不同的情况进行定性的分析和计算，装配时在原配合的基础上预留此影响量，使得轴承和壳体孔在实际工作时受热变形影响后仍能保证其原要求的配合性质。

当壳体孔材料选定后,设壳体孔的工作温升值为A1，轴承的工作温升值为A2，作为温度基本计算数据A1、A2，轴承钢热膨胀系数为b，壳体孔材料热膨胀系数为c，轴承外圈直径为D。首先根据轴承基本尺寸和精度等级确定轴承的公差带并由此选取壳体孔的公差带，再根据其工作情况确定其为间隙配合，由轴承的基本尺寸D、正常工作时温升值A1、A2和材料的热膨胀系数b、c计算轴承与壳体孔在温升范围内产生的间隙变动量△X=D[c×10-6×A1-b×10-6×A2]，判断是间隙减小还是增大，然后对其进行相应的补偿即修正壳体孔的上下偏差，接着用修正后的基本偏差查表“GB/T 1801公差与配合尺寸至500mm孔、轴公差带配合”得到最终壳体孔的上下偏差及其公差带代号。

二、应用实例

实例1（当轴承和壳体孔温升情况一致时，如果壳体孔材料的膨胀系数小于轴承钢的膨胀系数）

此时在机械旋转运行产生温升后，若轴承外圈与轴承孔的配合在最小间隙为零的状态下，采用原标准中下偏差为零的代号，则壳体孔势必会压缩轴承外圈，从而减小轴承运行内部游隙值及应有的润滑油沫层，当轴承运行无游隙时就会造成干摩擦加剧温升，从而形成缺油摩损或压缩性硬摩损损坏。

现按照112机座电机选用6306轴承，当轴承材料为轴承钢热膨胀系数为b=12×10-6，壳体孔材料为铸铁件热膨胀系数为c=8.7×10-6时，轴承外圈基本尺寸为Φ72mm、尺寸精度为G级（外圈Ф相当于轴的公差等级为IT5级TS=0.013mm），因此取Ф72壳体孔的公差等级为IT6级TH=0.019mm。先根据轴承基本尺寸和精度等级确定轴承的公差带并由此选取壳体孔的公差带，再根据其工况确定其为间隙配合即初定壳体孔为，由轴承的基本尺寸Ф72、正常工作时温升值A=50℃和材料的热膨胀系数b、c计算电机轴承与壳体孔在温升范围内产生的间隙变动量△X=72[（c-b）×10-6×A]=72[（8.7-12）×10-6×50]mm=-0.012mm，判断是间隙减小，然后对其进行相应的补偿即选定壳体孔为接着用补偿后的基本偏差查表“GB 1801公差与配合尺寸至500mm孔、轴公差带配合”得到最终的壳体孔的公差是Ф其与轴承的配合情况如图1所示。

这样当工作时，产生的最大过盈仍能够保证为零，使轴承外圈和壳体孔在受热变形后其配合仍能确保正常工作。

由于下偏差存在一定的间隙值，可弥补一些壳体孔的圆度、径向跳动偏差，减少装配冲击力。同时初始轴承外圈无压缩性使用，可提高轴承内滚动部位表面压缩硬化的均匀性。

实例2（当轴承和壳体孔温升情况一致时，如果壳体孔材料的膨胀系数大于轴承钢的膨胀系数）

此时在机械旋转运行产生温升后，若壳体孔采用原标准中下偏差为零的代号，轴承孔的膨胀势必会大于轴承外圈，从而增大轴承外圈与轴承孔的间隙值，易引起轴承外圈旋转及轴承孔摩损性扩大，形成摩损性升温，导致孔扩大变形损坏。

现按照112机座电机选用6306轴承，当轴承材料为轴承钢热膨胀系数为b=12×10-6，壳体孔材料为不锈钢热膨胀系数c=16.6×10-6时，轴承外圈基本尺寸为Φ72mm、尺寸精度为G级（外圈相当于轴的公差等级为IT5级TS=0.013mm），因此取Ф72壳体孔的公差等级为IT6级TH=0.019mm。先根据轴承基本尺寸和精度等级确定轴承的公差带并由此选取壳体孔的公差带，再根据其工况确定其为间隙配合即初定壳体孔为，由轴承的基本尺寸Ф72、正常工作时温升值A=50℃和材料的热膨胀系数b、c计算电机轴承与壳体孔在温升范围内产生的间隙变 动 量 △X=72[（c-b） ×10-6×A]=72[（16.6-12） ×10-6×50]mm=0.017mm，判断是间隙增大，然后对其进行相应的补偿即选定壳体孔为Ф，接着用补偿后的基本偏差查表“GB/T 1801公差与配合尺寸至500mm孔、轴公差带配合”得到最终的壳体孔的公差是Ф其与轴承的配合情况如图2所示。

同时考虑到过盈对轴承的影响，则可在壳体孔与轴承间添加热膨胀O形圈，达到降低受热后振动噪声与避免轴承外圈旋转，公差可根据O型圈膨胀系数与强度计算选择。也可按常规装配轴承外圈压盖。

实例3（当壳体孔和轴承材料的热膨胀系数一致时，由于热源是从轴承传递到壳体孔，故此种情况只需考虑壳体孔的工作温升值小于轴承的状态）。

当轴承和壳体孔材料都为轴承钢，热膨胀系数为b=12×10-6时，轴承的工作温升值为A1=50℃，壳体孔的工作温升值为A2=40℃（考虑到此时壳体孔厚度较大，热传递影响不能忽略，工作温升值取壳体孔平均值），由于工作温升值小于轴承，最终在机械旋转运行产生热变形后，若壳体孔采用原标准中下偏差为零的代号，壳体孔势必会压缩轴承外圈，从而减小轴承运行内部游隙值及应有的润滑油沫层，当轴承运行无游隙时就会造成干摩擦加剧温升，从而形成缺油摩损或压缩性硬摩损损毁。

现按照112机座电机选用6306轴承，轴承基本尺寸为Φ72mm、尺寸精度为G级（外圈Ф相当于轴的公差等级为IT5级TS=0.013mm），因此取Ф72壳体孔的公差等级为IT6级TH=0.019mm。先根据轴承基本尺寸和精度等级确定轴承的公差带并由此选取壳体孔的公差带，再根据其工况确定其为间隙配合即初定壳体孔为Ф，由轴承的基本尺寸Ф72、正常工作时温升值A1=50℃、A2=40℃和材料的热膨胀系数计算电机轴承与壳体孔在温升范围内产生的间隙变动量△X=72[b×10-6×（A2-A1） ]=72[12×10-6×（40-50） ]mm=-0.009mm，判断是间隙减小，然后对其进行相应的补偿即选定壳体孔为，接着用补偿后的基本偏差查表“GB/T 1801公差与配合尺寸至500mm孔、轴公差带配合”得到最终的壳体孔的公差是其与轴承的配合情况类似于图1。

以上实例分析了轴承与壳体孔转动配合中，不同的配合在材料不同（即热膨胀系数不同）、温升值不同两种状态下，由于热变形产生的间隙变动量。选择能保证其正常工作的配合为首选配合偏差依据，始终以保证轴承在有油沫状态下的运行，从而使产品达到提高无故障运行时间的目的。

三、壳体孔偏差查询软件

温升补偿虽然作为一种计算方法使用可以提高轴承与壳体孔配合的可靠性，但并不能有效地提高一线设计人员的设计效率，为了提高设计效率，我们编写了与此方法对应的壳体孔偏差查询软件。

此软件对有明确规定的20级标准公差等级制作了下拉菜单供用户选择，对于基本尺寸≤500mm的孔的极限偏差在标准范围内可以输入任意数值进行计算并获得结果。另外考虑到工作温度的不确定性，即使极端情况工作在100℃或者-50℃都可在软件中输入数值并计算出此种情况下所需要的公差配合代号和等级。此软件的最大优点是使用方便，容易上手，即学即会，便于普及，只要是从事机械方面的工作人员不必通过任何培训便可通过软件界面中各选项框的注解轻松使用。

双击此软件后便会出现下图所示界面：

图3中有七个可填写框和一个下拉选择框，通过输入此八项数值后，点击OK键，便可得到壳体孔与轴承配合的受热变形量、热变形修正后的孔上下偏差和最终查表得到的壳体孔公差代号。

四、结论

对于轴承壳体公差配合选择必须注意到工作的状态时产生的变化，由此我们提出满足使用要求的轴承外圈配合公差的计算方法。该方法已在上海光陆电机有限公司、浙江光陆电机有限公司、上海良机有限公司等企业中得到了应用，通过在电机制造使用该方法确定的轴承室公差，既明显降低了轴承使用的初始故障率，又延长了轴承的使用寿命。

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