高速角接觸球軸承系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)

馮海豐， 查榮明， 卞玉霞

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 銷(xiāo)售部，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱哈軸精密滾子制造有限公司，黑龍江 哈爾濱150036；3.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 工程技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱 150025）

高速角接觸球軸承系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)

馮海豐1， 查榮明2， 卞玉霞3

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 銷(xiāo)售部，黑龍江 哈爾濱 150036；2.哈爾濱哈軸精密滾子制造有限公司，黑龍江 哈爾濱150036；3.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 工程技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱 150025）

高速角接觸球軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。為提升自主創(chuàng)新能力，針對(duì)當(dāng)前使用中存在的相關(guān)問(wèn)題，對(duì)高速角接觸球軸承進(jìn)行了設(shè)計(jì)改進(jìn)（指接觸角為15°或25°的軸承），取得了良好的效果。

高速角接觸球軸承；溝曲率半徑系數(shù)；溝深比；保持架

1 前言

高速角接觸球軸承的主要性能：高精度、高轉(zhuǎn)速、低溫升、低噪音、高剛性。為提高該類(lèi)軸承性能，參考了FAG、NTN等世界先進(jìn)的軸承公司樣品，對(duì)高速角接觸球軸承的溝曲率半徑系數(shù)、溝深比系數(shù)的選取以及保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了軸承壽命和高速性能，進(jìn)一步開(kāi)拓了軸承市場(chǎng)。

2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

對(duì)于滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)，要根據(jù)其具體的工況特點(diǎn)和使用要求，深入理解其受載狀況、內(nèi)部力學(xué)特點(diǎn)以及影響軸承性能的各種暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)分析方法并找出相關(guān)規(guī)律，以適應(yīng)不同的要求，在此基礎(chǔ)上對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)該類(lèi)軸承的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

制約角接觸球軸承高速性的主要因素是軸承的溫升。滾動(dòng)軸承的溫升主要來(lái)源于摩擦。滾動(dòng)軸承是借助于摩擦進(jìn)行工作的，沒(méi)有摩擦，滾動(dòng)軸承就沒(méi)有存在的意義。用低的旋轉(zhuǎn)摩擦來(lái)支撐主軸是采用滾動(dòng)軸承的目的，也是軸承性能要求之一。由于摩擦的存在，滾動(dòng)軸承要消耗一定的功率來(lái)抵制因摩擦引起的運(yùn)動(dòng)衰滯，而消耗的這部分功率將變成熱能使整個(gè)系統(tǒng)溫度升高，從而降低潤(rùn)滑油的粘性，減小了油膜厚度，導(dǎo)致軸承迅速摩損失效；同時(shí)也破壞了主軸箱和機(jī)床等其它部件的熱平衡，引起機(jī)床的熱變形，造成機(jī)床加工精度下降，所以，必須致力于減少摩擦的研究。在軸承類(lèi)型、潤(rùn)滑、材質(zhì)、載荷一定的情況下，改進(jìn)軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，譬如：溝曲率半徑系數(shù)、溝深比系數(shù)、保持架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等是減少軸承摩擦發(fā)熱的最佳方法。

2.1 溝曲率半徑系數(shù)f值的選取

溝曲率半徑系數(shù)是影響角接觸球軸承壽命、剛性、摩擦和使用性能的主要參數(shù)。正確地選擇溝曲率半徑系數(shù)f，是軸承設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。它對(duì)軸承的壽命、剛性、摩擦力矩均有很大影響。對(duì)于一般轉(zhuǎn)速的角接觸球軸承或深溝球軸承大多數(shù)的破壞情形表現(xiàn)在軸承的內(nèi)圈最先出現(xiàn)疲勞剝落。當(dāng)溝曲率半徑系數(shù)減小時(shí)，軸承的剛性、動(dòng)負(fù)荷容量都增加，而摩擦損失顯著增加，使軸承溫度升高，導(dǎo)致軸承加速損壞；當(dāng)溝曲率半徑系數(shù)增大時(shí)，軸承的摩擦損失顯著減小，而剛性、動(dòng)負(fù)荷容量將隨之下降。故此，在綜合考慮軸承各項(xiàng)性能及在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中軸承內(nèi)套失效概率遠(yuǎn)大于外圈的情況，對(duì)于一般轉(zhuǎn)速的軸承，內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)fi=0.515，外溝曲率半徑系數(shù)fe=0.525，這樣可以使內(nèi)，外圈滾道處的接觸應(yīng)力相近，內(nèi)、外圈壽命相同，體現(xiàn)等強(qiáng)度設(shè)計(jì)思想。

而對(duì)于高速角接觸球軸承來(lái)說(shuō)，承載能力并不是最重要的因素。根據(jù)軸承的高速性能和工作原理，將內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)進(jìn)行調(diào)換，即：內(nèi)溝曲率大于外溝曲率，這樣潤(rùn)滑油易進(jìn)入內(nèi)滾道，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，在離心力的作用下潤(rùn)滑油甩入外滾道，實(shí)現(xiàn)了最佳潤(rùn)滑狀態(tài)，減少了摩擦發(fā)熱，提高了軸承高速性能，降低了軸承噪音。

一般球軸承溝曲率半徑系數(shù)f值在0.515～0.54。改進(jìn)前的角接觸球軸承內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)fi=0.515，外溝曲率半徑系數(shù)fe=0.525。改進(jìn)后的角接觸球軸承內(nèi)溝曲率半徑系數(shù)fi=0.525～0.55，外溝曲率半徑系數(shù)fe=0.515～0.525，fi、fe取值根據(jù)具體軸承的載荷、轉(zhuǎn)速來(lái)確定。 超高速輕載軸承取較大的值。

2.2 溝深比系數(shù)的確定

溝深比系數(shù)決定軸承擋邊直徑大小。角接觸球軸承除承受徑向載荷外，還能承受軸向載荷，若軸向載荷過(guò)大，接觸橢圓有可能被擋邊邊緣截?cái)唷８倪M(jìn)前的角接觸球軸承溝深比系數(shù)與相同外形尺寸的深溝球軸承相同，也就是說(shuō)，當(dāng)時(shí)為實(shí)現(xiàn)通用性和有利于在制品管理: 接觸角為15°和25°的角接觸球軸承的內(nèi)圈與深溝球軸承內(nèi)圈通用。根據(jù)不同的系列，溝深比系數(shù)取值為0.3～0.4。此溝深比對(duì)于深溝球軸承是完全適應(yīng)的，因?yàn)樯顪锨蜉S承接觸角為0°，接觸點(diǎn)恰好在溝底，而角接觸球軸承接觸點(diǎn)偏離溝底15°或25°，在載荷作用下，滾動(dòng)體與套圈之間由點(diǎn)接觸擴(kuò)展成微小的面接觸，接觸法線(xiàn)垂直的平面內(nèi)的投影為一橢圓（見(jiàn)圖1）。由Hetz點(diǎn)接觸理論可知，其橢圓的長(zhǎng)半軸為 a、短半軸為 b。經(jīng)分析，如果溝深比較小，在載荷和接觸角均為極限狀態(tài)下（載荷作用）接觸橢圓將會(huì)被擋邊直徑所截?cái)啵斐蓢?yán)重的摩擦磨損，因此，在控制接觸應(yīng)力的情況下可以推算出擋邊的高度。將高速角接觸球軸承溝深比系數(shù)調(diào)整為0.4，避免極限狀態(tài)下接觸橢圓被擋邊直徑所截所產(chǎn)生的摩擦發(fā)熱和損壞現(xiàn)象，提高了軸承使用壽命。

圖1 軸承受力后滾道接觸點(diǎn)處的接觸橢圓

圖2 保持架示意圖

2.3 保持架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

保持架主要是用來(lái)使?jié)L動(dòng)體保持分離，以防止相鄰滾動(dòng)體的直接接觸，使軸承的摩擦發(fā)熱保持在最低溫度，但是，滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中保持架所受機(jī)械應(yīng)力來(lái)自摩擦力、應(yīng)變力、慣性力（離心力）作用，因此，設(shè)計(jì)和選擇保持架材料對(duì)保持架動(dòng)平衡等性能及軸承運(yùn)行可靠性是至關(guān)重要的。

2.3.1 保持架厚度的改進(jìn)

采用酚醛膠布管作為保持架材質(zhì)的高速角接觸球軸承為外圈引導(dǎo)。在保持架外徑一定情況下，改進(jìn)前的厚度系數(shù)為0.8，改進(jìn)后的厚度系數(shù)調(diào)整為0.65，保持架結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2 。

改進(jìn)前保持架內(nèi)徑：dc=Dc-0.8Dw，

改進(jìn)后保持架內(nèi)徑：dc=Dc-0.65Dw。

Dc——保持架外徑，

Dw——鋼球直徑。

改進(jìn)后保持架內(nèi)徑加大，保持架變薄了，其重量隨之減少，有利于軸承高速性能。保持架材質(zhì)應(yīng)選取80支以上紗，用以保證保持架的強(qiáng)度。其次，保持架內(nèi)徑加大，使保持架最小梁寬增大，部分產(chǎn)品可增加1～2滾動(dòng)體數(shù)量，提高軸承承載能力。

2.3.2 保持架兜孔的改進(jìn)

保持架的兜孔直徑加大，公差減小。此改進(jìn)保持架兜孔尺寸一致性好，并且對(duì)保持架的橢圓度、壁厚差、兜孔等分差（同心度）都加以嚴(yán)格控制，有利于軸承動(dòng)平衡，消除了保持架的異常聲。保持架兜孔直徑：

Design improvement of high speed angular contact ball bearing series product

Feng Haifeng1,Zha Rongming2,Bian Yuxia3
（1.Market Department,Harbin Bearing Group Corporation,Harbin 150036,China;2.Harbin Hazhou Precision Roller Manufacturing Co., Ltd.,Harbin 150036,China;3.Engineering Technology Department,AVIC Harbin Bearing Co., Ltd.,Harbin 150025,China）

High-speed angular contact ball bearing has been widely used in the high speed running equipment. To enhance independent innovation capability, in view of the existing issues relating to current use, the design improvements of high-speed angular contact ball bearing(refer to the contact angle of 15 or 25 degrees bearing),has been inproved and obtained the good effect.

high-speed angular contact ball bearing; coefficient of groove curvature radius; ratio of depth groove; cage

TH133.33+1

A

1672-4852（2014）04-0010-02

2014-04-29.

馮海豐（曾用名：馮海濤，1964-），男，工程師.