تعیین نیروی پیش بار

یش‌بار را می‌توان بر حسب نیرو یا مسیر (جابه جایی ) بیان نمود،‌البته نیروی پیش‌بار عامل اساسی می‌باشد. وابسته به روش تنظیم، پیش‌بار به طور غیر مستقیم به ممان اصطکاکی در بیرینگ نیر مرتبط است.
مقادیر تجربی برای پیش‌بار بهینه که از طرح‌های موفق قبلی به دست آمده اند را می‌توان در طرح‌های مشابه به کار برد. برای طرح‌های جدید توصیه می‌شود که نیروی پیش بار محاسبه و صحت آن در آزمایش بررسی شود. از آنجایی که تأثیر عوامل مؤثر در عملکرد دقیقاً مشخص نمی‌باشند، معمولاً اصلاحات در عمل لازم است. قابلیت اطمینان محاسبات بیش از هر چیز بستگی به مطابقت فرضیات مربوط به شرایط دمایی و رفتار الاستیک اجزای مرتبط به خصوص نشیمنگاه با شرایط واقعی دارد.
هنگام تعیین پیش بار ابتدا باید نیروی پیش‌بار لازم برای به دست آوردن ترکیب بهینه از هر سفتی، عمر بیرینگ و قابلیت اطمینان را محاسبه کرد. مقادیر نیروی محاسبه شده باید هنگام تنظیم بیرینگ در زمان نصب اعمال شوند. درهنگام نصب، بیرینگ باید در دمای محیط بوده و تحت بارهای ناشی از کارکرد نباشد.
پیش‌بار مناسب در دمای کارکرد بستگی به بار بیرینگ دارد . بلبیرینگ‌های تماس زاویه‌ای و روولربیرینگ‌هی مخروطی بار محوری و شعاعی را به طور همزمان تحمل می‌کنند. تحت بار شعاعی یک نیروی محوری در داخل این بیرینگ‌های ایجاد می‌شود که لازم است با یک بیرینگ مشابه دیگر در سمت مقابل که در جهت مخالف بیرینگ اول قرار دارد، خنثی شود. جا به جایی شعاعی خالص یک رینگ بیرینگ نسبت به دیگری به این معنی است که نصف محیط (نیمی از اجزای غلتنده) تحت بار بوده و بار محوری ایجاد شده برابر با بلبیرینگ‌ها تماس زاویه‌ای یک ردیفه Fa = R Fr  و یا رولربیرینگ‌های مخروطی یک ردیفه  Fa = 0,5 Fr/Y است که در آن   Fr بار شعاعی بیرینگ است.
مقادیر متغیر R به شرایط تماس در داخل بیرینگ تماس زاویه‌ای بستگی دارد و مقدار آن از بخش «تعیین بار محوری برای بیرینگ‌های تکی یا جفتی پشت سر هم» تعیین می‌شود.
مقادیر ضریب محوری Y برای رولربیرینگ‌های مخروطی در جداول بیرینگ آورده شده‌اند.


وقتی یک بیرینگ تکی تحت بار شعاعی Fr  قرار دارد یک نیروی خارجی Fa  با مقدار بالا باید به بیرینگ وارد شود تااز ظرفیت اسمی حمل بار (نیمی از محیط بیرینگ تحت بار) به طور کامل استفاده شود. اگر بار خارجی  وارده کم‌تر از میزان فوق باشد،‌تعداد اجزای غلتنده تحت بار کم‌تر شده و ظرفیت حمل بار بیرینگ کاهش می‌یابد.
در چیدمان بیرینگ‌ها که شامل دو بلبیرینگ تماس زاویه‌ای یا دو رولربیرینگ مخروطی به صورت پشت به پشت یا جلو به جلو می‌باشند هر بیرینگ بار محوری بیرینگ مقابل را تحمل کند. اگر دو بیرینگ مشابه باشند، بار شعاعی در وسط دو بیرینگ اعمال شود و چیدمان بیرینگ‌ها برای لقی صفر تنظیم شود، توزیع بار که در آن نیمی از اجزای غلتنده تحت بار می‌باشند. به طور طبیعی به دست می‌آید. در شرایط بارگذاری متفاوت، به خصوص در صورت وجود بار محوری خارجی، ممکن است برای جبران لقی ایجاد شده ناشی از تغییر شکل الاستیک بیرینگی که بار محوری را تحمل می‌کند و توزیع مناسب بار در بیرینگ دیگر که تحت بار محوری نمی‌باشد، لازم باشد که بیرینگ‌ها پیش‌بار شوند.
پیش‌بار همچنین باعث افزایش سفتی بیرینگ می‌شود سفتی یک چیدمان تنها به تغییر شک بیرینگ تحت بار بستگی ندارد بلکه به الاستیسیته شفت و نشیمنگاه انطباق رینگ ها و تغییر شکل دیگر اجزا در محدوده بار نظیر پله‌ها نیز بستگی دارد. تمام موارد فوق بر سفتی کل سیستم مؤثر می‌باشند. سفتی محوری و شعاعی بیرینگ به طرح داخلی آن نظیر شرایط تماس (تماس نقطه‌ای یا خطی)، تعداد و قطر اجزای غلتنده و زاویه تماس بستگی دارد. هر چه زاویه تماس بزرگ‌تر باشد،‌سفتی بیرینگ در جهت محوری بیشتر است.
اگر، در تقریب اول، یک رابطه‌ی خطی بین سفتی و بار در نظر گرفته شود (به عبارت دیگر ضریب فنر ثابت) مقایسه نشان می دهد که جا‌به جایی محوری در چیدمان بیرینگ‌ها تحت پیش‌بار کم‌تر از چیدمان بیرینگ‌ها بدون پیش‌بار، تحت بار محوری خارجی مشابه  ka است. (نمودار 2)

برای مثال چیدمان بیرینگ‌های در یک پنیون شامل دو رولربیرینگ مخروطی B,A با ابعاد متفاوت و ثابت فنر cA  و cB  می‌باشد که تحت نیروی پیش بار  F0 قرار دارند اگر بار محوری ka  به بیرینگ A وارد شود. بیرینگ B بدون بار خواهد شد و بار اضافی بر بیرینگ A اعمال شده و جا به جایی محوری  §a کم‌تر از بیرینگ بدون پیش‌بار است. ولی اگر بار خارجی بیشتر از مقدار

 Ka = F0 [1 + (cA/cB)]

باشد در بیرینگ B نیروی محوری پیش بار آزاد شده و جا‌به جایی محوری تحت بار اضافی مشابه بیرینگ بدون پیش‌بار خواهد بود و فقط با ثابت فنر بیرینگ A تعیین می‌شود. به منظور جلوگیری از بدون بار شدن بیرینگ B وقتی بیریگ A تحت بار محوری   قرار دارد، نیروی پیش بار زیر لازم است.
 
F0= Ka cB/(cA + cB)

نیروها و تغیر شکل‌های الاستیک در یک چیدمان بیرینگ پیش بار شده وهمچنین اثرات تغییر نیروی پیش‌بار  در نمودار نیروی پیش‌بار/ مسیر پیش بار شرح داده شده است (نمودار زیر). این نمودار شامل منحنی فنر بیرینگ‌هایی است که نسبت به یکدیگر تنظیم می‌شوند تا پیش‌بار تنظیم شود همچنین این نمودار اطلاعات زیر را به دست می‌دهد.
• رابطه بین بار محوری خاطرجی   و بار بیرینگ برای چیدمان بیرینگ‌هی پیش‌بار شده و همچنین تغییر شکل الاستیک ناشی از نیروهای  خارجی
در نمودار زیر تمام اجزای تحت بار اضافی ناشی از کارکرد به وسیله‌ی منحنی‌هایی که از چپ به راست گسترش یافته‌اند نشان داده شده‌اند و اجزای بدون بار با منحنی‌هایی که راست به چپ گسترش یافته اند، نشان داده شده‌اند. منحنی‌های 1 و 2 و 3 برای نیروی پیش‌بار متفاوت  (F01, F02 < F01 and F03 = 0).   می‌باشند. منحنی‌های خط چین نشان دهنده‌ی بیرینگ  به تنهایی می‌باشند ولی منحنی‌های کامل نشان دهنده موقعیت بیرینگ در حالت کلی (بیرینگ به همراه اجزای در برگیرنده) می‌باشند.
با استفاده از نمودار Cزیر می‌توان روابط را شرح داد، برای مثال، در یک چیدمان بیرینگ  پنیون (شکل ) که در آن بیرینگ A نسبت به بیرینگ B به کمک شفت و نشیمنگاه تنظیم شده تا پیش بار ایجاد شود، بار خارجی محوری ka  (مؤلفه‌های محوری نیروی دندانه‌ها) به نیروی پیش‌بار F01 (منحنی1) اضافه می‌شود به طوری که بیرینگ A تحت بار  بیشتری قرار می‌گیرد. ولی بیرینگ B بدون بار می‌شود. نیروها در موقعیت بیرینگ A با Fab و در موقعیت بیرینگ B با  FaA نشان داده شده‌اند.

تحت نیروی  Ka،  محور پنیون به میزان §a1  در جهت محوری جا به جای می شود. پیش بار کم‌تر  F02 (منحنی2) طوری انتخاب شده است که بیرینگ B تحت بار محوری بدون بار شود به طوری که   Ka, i.e. FaB = 0 and FaA = Ka است. در این حالت جا به جایی محوری شفت به میزان   است در حالی که چیدمان تحت پیش‌بار نیست جا به جایی محوری شفت پنیون بیشترین مقدار ممکن است (δa3 > δa2) .