一種單列角接觸球軸承的設(shè)計(jì)

杜少杰，任小中（.黃河交通學(xué)院，河南焦作454950；.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)47003）

一種單列角接觸球軸承的設(shè)計(jì)

杜少杰1，任小中2
（1.黃河交通學(xué)院，河南焦作454950；2.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003）

摘要：角接觸球軸承的設(shè)計(jì)涉及許多結(jié)構(gòu)參數(shù)。著重介紹了角接觸球軸承的鋼球、內(nèi)外套圈等零件主要參數(shù)的確定。基于用戶要求，運(yùn)用ZYB28-98角接觸軸承的設(shè)計(jì)方法，首先確定了所需要的鋼球直徑和鋼球數(shù)，并計(jì)算了其徑向額定負(fù)荷。接著詳細(xì)介紹了內(nèi)外溝曲率半徑、內(nèi)外圈溝徑、內(nèi)外圈擋邊直徑等主要參數(shù)的計(jì)算過(guò)程。

關(guān)鍵詞：角接觸；軸承；鋼球；軸承套圈

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.001

角接觸球軸承能夠同時(shí)承受軸向和徑向載荷，在適當(dāng)?shù)陌惭b配置下也可承受一定的力矩，并適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)［1］，因此被廣泛用于鐵路，礦山，石油，冶金，造紙，紡織，機(jī)床，化工，醫(yī)療器械，航空等行業(yè)機(jī)械中。應(yīng)用戶要求，需要提供一批能在較高的轉(zhuǎn)速和溫度下工作，并能承受較大的徑向和軸向載荷的高精度角接觸球軸承。已知軸承外徑D=100mm，軸承內(nèi)徑d=45mm，套圈寬度B= 25mm。因?yàn)槭欠菢?biāo)軸承，故需要根據(jù)具體的工況特點(diǎn)和受載狀況，對(duì)該軸承進(jìn)行另行設(shè)計(jì)。參照7309系列軸承［2］，選取接觸角為26°，采用沖壓碗型保持架結(jié)構(gòu)。其外形尺寸如圖1所示。

圖1　軸承外形尺寸

1軸承主要參數(shù)的確定

1.1鋼球直徑Dw

為獲取盡可能大的承載能力，鋼球直徑Dw應(yīng)在滿足（1）、（2）式的情況下盡量取大些［3］。

式中，D—外圈外徑，D=100mm；d—內(nèi)圈內(nèi)徑，d=45mm；B—套圈寬度，B=25mm；Kw的取值范圍按ZYB28-98［4］選取，Kw=0.31～0.335；f—保持架與密封圈所需的空間，一般情況下f≥3.7。

將已知數(shù)據(jù)代入（1）式，得Dw=17.05～18.43。將已知數(shù)據(jù)代入（2）式，得Dw≤17.6，選取Dw= 17.463標(biāo)準(zhǔn)鋼球。

1.2鋼球中心直徑Dwp

將已知數(shù)據(jù)代人（3）式，得：

Dwp=72.5±0.025m

1.3鋼球數(shù)Z

式中，KZ—系數(shù)。Dw≤15，KZ=1.01+1.5/Dw；Dw＞15，KZ=1.11。

將已知數(shù)據(jù)代入（4）式，得：

Z=11.65，取Z=11。

1.4徑向額定負(fù)荷計(jì)算

1.4.1額定動(dòng)負(fù)荷Cr

式中，bm—淬硬軸承鋼加工方法額定系數(shù)，查文獻(xiàn)［2］得bm=1.3；

Fc—與軸承零件形狀、精度及材料相關(guān)的系數(shù)，查文獻(xiàn)［2］得fc=59.7；

α—接觸角，α=26°。

將已知數(shù)據(jù)代入（5）式，得

Cr=61.28（kN）

1.4.2額定靜負(fù)荷Cor

式中，fo—與軸承零件形狀及應(yīng)力相關(guān)的系數(shù)，查文獻(xiàn)［2］得fo=13.6。

將已知數(shù)據(jù)代入（6）式，得

Cor=40.91（kN）

2內(nèi)、外圈主要參數(shù)的確定

圖2為徑向游隙為零的情況下，內(nèi)、外圈及鋼球接觸情況。

圖2　軸承內(nèi)、外圈與鋼球接觸情況

2.1內(nèi)溝曲率半徑Ri，外溝曲率半徑Re

溝曲率半徑系數(shù)對(duì)軸承的壽命、剛性、摩擦力矩均有很大影響［5］。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。

根據(jù)ZYB28-98標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，

將已知參數(shù)代入上式得：

Re=9.16，Ri=8.99，允差△R=+0.06

2.2外圈溝徑De、內(nèi)圈溝徑di

根據(jù)圖2幾何關(guān)系得

將已知參數(shù)代入上式得：

De=90.05，di=54.985，允差±0.020

2.3外圈溝位置ae、內(nèi)圈溝位置ai

從圖2幾何關(guān)系可得

式中，δ—為溝位置的上偏差，取δ=+0.03。

將已知參數(shù)代入上式得：

ae=12.61，ai=12.54，允差±0.03

2.4內(nèi)、外圈擋邊直徑d2、D2

當(dāng)軸承承受較大的軸向載荷時(shí)，如果套圈擋邊尺寸不合適，滾動(dòng)體與滾道之間形成的接觸橢圓會(huì)達(dá)到甚至超越擋邊，此時(shí)接觸區(qū)域形成應(yīng)力集中，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)部摩擦現(xiàn)象嚴(yán)重，使軸承處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，導(dǎo)致軸承無(wú)法正常使用。因此，必須根據(jù)工況條件合理設(shè)計(jì)軸承的擋邊尺寸。對(duì)于角接觸球軸承，套圈擋邊直徑可按下式進(jìn)行計(jì)算［4］：

內(nèi)圈擋邊直徑

外圈擋邊直徑

式中，K2i——內(nèi)圈擋邊系數(shù)，取K2i=0.4

K2e——外圈擋邊系數(shù)，取K2e=0.4

將已知參數(shù)代入上式（13）和（14）得

d2=62，允差-0.01；D2=83，允差+0.10

2.5配套徑向游隙g

最小徑向游隙

gmin=2（Rimax+Remax-Dwmin）（1-cos（α+Δα））（15）

最大徑向游隙

gmax=2（Rimin+Remin-Dwmax）（1-cos（α+Δα））（16）

式中，△α—接觸角允差，△α=-3°～+3°

△Dw—鋼球允差，△Dw=-0.017～+0.017

將已知參數(shù)代入式（15）和（16）得

gmin=0.100gmax=0.168

除了上述的主要參數(shù)外，圖2中的ti、te分別代表裝配鎖口及非裝配鎖口高度尺寸，它們的確定不僅與外圈溝徑De、鋼球直徑Dw有關(guān)，還受接觸角、材料線膨脹系數(shù)、軸承工作溫度差等因素的影響。初步確定：ti=0.15 mm，te=0.30 mm。但鎖口高度ti=0.15 mm還必須在試制時(shí)通過(guò)試裝才能最終確定。

最后還要驗(yàn)算接觸角允差是否合適以及軸承裝配高度T是否滿足要求。本設(shè)計(jì)中，Tmax= 24.979 mm＜25 mm，Tmin=24.692 mm＞24.6 mm，滿足要求。

3結(jié)束語(yǔ)

精確設(shè)計(jì)計(jì)算角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一項(xiàng)十分繁瑣的工作，不僅需要知道軸承的工況條件，還要基于用戶限定的輪廓尺寸和性能要求進(jìn)行大量的理論推算。本文參照7309系列軸承，運(yùn)用ZYB28-98標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方法，自行設(shè)計(jì)了一種能承受較大徑向和軸向載荷的高精度角接觸球軸承，滿足了用戶的需求。

參考文獻(xiàn)：

［1］姜韶峰.角接觸球軸承套圈擋邊的設(shè)計(jì)［J］.軸承，2002 （3）：4-6.

［2］劉澤九.滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè)（第2版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］李彬.5205雙列角接觸球軸承的設(shè)計(jì)［J］.軸承，2000（4）：8-10.

［4］高速角接觸球軸承設(shè)計(jì)方法.ZYB28-98［S］.

［5］馮海豐，查榮明，卞玉霞.高速角接觸球軸承系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)［J］.哈爾濱軸承，2000，35（4）：10-11，26.

中圖分類號(hào)：TH133.33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-2928（2016）04-0001-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡(jiǎn)介：杜少杰（1974-），男，黃河交通學(xué)院高級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。任小中（1957-），男，博士，河南科技大學(xué)教授，研究方向：傳動(dòng)件先進(jìn)制造技術(shù)。

（責(zé)任編輯：郝安林）

Design of a Single-row Angular Contact Ball Bearing

DU Shaojie1，REN Xiaozhong2
（1.Huanghe Jiaotong University，Jiaozuo 454950，China；2.School of Mechatronic Engineering，Henan University of Science&Technology，Luoyang，471003，China）

Abstract:The design of angular contact ball bearing involves many structural parameters.The determination of primary parameters of the steel ball，the outer and inner rings is mainly discussed.According to customer requirements，the design methods introduced in ZYB28-98 for the angular contact bearings are used to determine the required diameter and the number of steel balls，and its radial rated load is calculated.Then，the procedure for calculating the curvature radii and the diameters of both inner and outer raceways，and the rib diameters of both inner and outer rings and other parameters are introduced in detail.

Key words:angular contact；bearing；steel ball；bearing ring