球環(huán)分隔式角接觸球軸承的裝球合套條件

劉建志，黃振，祁百龍

（常州東風軸承有限公司，江蘇 常州 213022）

符號說明

aiz——內圈中擋邊寬度

By——內圈溝道半溝寬度（圖3）

By1——內圈溝道與端擋邊外圓之間的引導斜面軸向寬度（簡稱內圈引導斜面軸向寬度）

Cb——保持環(huán)全寬

Ce1——外圈溝道口引導斜面軸向寬度

Cbe1——保持環(huán)擋邊引導斜面軸向寬度

d2d——內圈兩端面擋邊直徑（簡稱內圈端擋邊直徑）

d2z——內圈軸向對稱處擋邊直徑（簡稱內圈中擋邊直徑）

Dw——承載球球徑

Dbw——分隔球球徑

Dpw——承載球組與內圈溝道接觸角為αi時的中心圓直徑

D′pw——承載球組與內圈溝道接觸角為-αimax時的中心圓直徑

Dpwg——承載球與引導斜面中點相切時的中心圓直徑

Dbpw——承載球組與內圈溝道接觸角為αi時的分隔球組中心圓直徑

D′bpw——承載球組與內圈溝道接觸角為-αimax時的分隔球組中心圓直徑

Dbpwg——承載球與引導斜面中點相切時的分隔球組中心圓直徑

Deo——外圈溝道最大直徑

Dbe——保持環(huán)溝道直徑

Db2——保持環(huán)擋邊直徑

fi——內圈溝曲率系數(shù)

Lxo——承載球與內圈在溝道軸向中心接觸時相鄰兩球的周向距離

Lx——承載球與內圈在溝道接觸角αi位置接觸時相鄰兩球的周向距離

Lxg——承載球與內圈引導斜面中點相切時的周向距離

Lyo——承載球與內圈在溝道軸向中心接觸時2列承載球球心的軸向距離

Ly——承載球與內圈溝道接觸角為αi時2列球球心的軸向距離

Ly′——承載球與內圈在溝道接觸角 αi位置接觸2列承載球球心的軸向距離

Lzw1——裝球時保持環(huán)與承載球的接觸點到承載球球心的軸向高度

M，N——中間參數(shù)

Z——單列承載球數(shù)量

αi——內圈公稱接觸角

αimax——內圈最大接觸角

λbe——保持環(huán)引導斜面斜角

1 球環(huán)分隔式角接觸球軸承結構特點和工作特性

文獻［1］對球環(huán)分隔式角接觸球軸承的特性和設計方法進行過分析探討，這里僅簡單介紹。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承的基本結構如圖1所示，由1個雙溝道內圈、2個單溝道外圈、2列承載球、1列分隔球、1個帶溝道的保持環(huán)（類似深溝球軸承的外圈）以及連接環(huán)組成。較大的鋼球主要起承受載荷的作用，稱為承載球；較小的鋼球主要起對承載球做周向和軸向分離作用，稱為分隔球。

圖1 球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承基本結構Fig.1 Universal separated double row angular contact ball bearings

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承外圈有多個連接環(huán)和1個整體連接圈連接2種方式。多個連接環(huán)連接的特點是：外圈與座孔的配合面積大，配合剛度高，但外圈連接環(huán)槽加工困難，2個外圈和連接環(huán)鉚合相對困難，工藝成本較高；整體連接圈連接方式的特點是：外圈連接圈槽加工容易，2個外圈和連接圈的滾壓連接相對容易，因此工藝成本較低，但外圈與座孔配合的軸向寬度面積較小，配合剛度差。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承沒有通常的保持架，主要靠保持環(huán)和分隔球的聯(lián)合作用使承載球周向和軸向分離。

該軸承所有零件之間均為點接觸，沒有通常球與保持架的摩擦；與相同或接近規(guī)格的傳統(tǒng)角接觸球軸承相比，承載球直徑小，受載后承載球與內外圈溝道的接觸橢圓小；軸承內部空間比傳統(tǒng)帶保持架的角接觸球軸承大；保持環(huán)兼有串油環(huán)的作用，使承載球和內外圈溝道得到充分潤滑和熱交換。因此該軸承適應高轉速場合。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承沒有保持架，可利用節(jié)省的周向和軸向空間來布置更多的承載球，從而提高其承載能力。與同外形尺寸的角接觸球軸承相比，其基本額定動載荷可提高25%左右。

如果機構允許負游隙，可以使分隔球組外接圓直徑與保持環(huán)溝道之間形成小的過盈配合，則保持環(huán)就存在由外向內的回復力，其回復力通過分隔球傳遞給承載球，使承載球與內外圈溝道保持適當?shù)念A緊狀態(tài)（或補償調節(jié)軸承的游隙），以提高軸承的接觸剛度、承載能力及使用壽命。

2 球環(huán)分隔式角接觸球軸承的裝球合套

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承由于零件多、工藝復雜、制造成本高，制約了該軸承的推廣應用，其中裝球合套是迫切需要解決的問題。

通過設計制造及計算發(fā)現(xiàn)，裝球合套不僅僅是工藝上的問題，與產品設計也有關聯(lián)。如果設計時只滿足主機要求的載荷、轉速等方面的性能要求，而忽略裝球合套條件，則可能出現(xiàn)不能裝球合套。

2.1 保持環(huán)能夠套上分隔球組外接圓的條件

裝球合套的條件是：保持環(huán)能夠套上分隔球組的外接圓或分隔球能夠進入保持環(huán)溝道。裝球合套后各零件的幾何關系如圖2所示，承載球與內圈在溝道軸向中心位置接觸時，2列承載球的中心距Lyo和Ly相差較小，同一溝道相鄰兩承載球球心距Lxo和Lx相差更小，圖2中沒有加以區(qū)別，但計算時必須區(qū)分。由圖2和文獻［1］可知分隔球組的中心圓直徑為

圖2 裝球合套后的幾何關系Fig.2 Geometric relations after fitted with the ball

式中：M為與分隔球相切的4個承載球所在的平面到軸承軸線的2倍距離；N為分隔球的球心到4個承載球的球心所在平面的2倍距離；Dpw，Dw，Dbw，Ly由軸承設計主參數(shù)決定。

由圖2可知，當分隔球組的外接圓直徑小于保持環(huán)的擋邊直徑時，保持環(huán)溝道才能套在分隔球組的外接圓上。設想用保持環(huán)的擋邊內孔壓迫分隔球組，使分隔球組向軸承中心壓縮，此時分隔球組的中心圓直徑由Dbpw縮小為Dbpwg，其校核判別式為

即只有當分隔球組中心圓直徑的縮小量大于或等于保持環(huán)溝徑與擋邊直徑之差時，保持環(huán)才能套在分隔球組外接圓上。

當Dbpw縮小為Dbpwg時，M和 N縮小為 Mg和Ng，通過（2）式、（3）式可以看出，只有 Lx和 Ly增大為Lxg和Lyg時，才能使M和N縮小為Mg和Ng。

通過計算可知，當承載球與內圈溝道在靠近端面一邊的最大接觸角-αimax位置接觸時，仍不能滿足（5）式。只有當Ly增大到承載球與內圈溝道無接觸時，即假想接觸點離開溝道趨近內圈端面才能滿足（5）式。因此，可通過增大內圈端擋邊直徑d2d，使內圈溝道圓弧端點 （即-αimax位置）與端擋邊外圓之間有一引導斜面，當承載球在內圈引導斜面上的某個位置接觸時，能滿足（5）式。

與（5）式相關的參數(shù)較多，且參數(shù)之間相互制約，需要通過多次試算才能滿足要求，故通過（5）式推導內圈端擋邊直徑計算公式的意義不大。為此，考慮合套時承載球滾動順暢、承載球在引導斜面上有一定的調整空間、盡可能為實現(xiàn)自動或半自動裝球合套預留空間等因素，假設：1）內圈溝道引導斜面與溝道圓弧端點相切；2）承載球在引導斜面中點與引導斜面相切。承載球在過渡斜面的中部位置與過渡斜面接觸時的幾何關系如圖3所示，由圖3可知，內圈引導斜面的徑向高度為0.5（d2d-d2z），而引導斜面的軸向寬度為

圖3 承載球在引導斜面的中部位置與引導斜面接觸時的幾何關系Fig.3 Geometric relations between the middle position of the load bearing steel ball and the transition slope in the middle of the transition slope

當承載球與內圈引導斜面中點相切時

校核保持環(huán)能否套上分隔球組外接圓的過程為：① 用經驗公式得到 d2d的初始值；②用（6），（9），（10）式計算 By1，D′pw，L′y；③用（7），（8）式計算 Lxg，Lyg；④用（2），（3）式計算 Mg，Ng；⑤用（1）式計算 Dbpwg；⑥用（5）式校核。

重復上述過程直到符合（5）式，實際設計可由計算機編程完成，主要是調整內圈端擋邊直徑，其次是調整保持環(huán)擋邊直徑、保持環(huán)溝徑和分隔球球徑。若調整后還不滿足，則需調整其他設計主參數(shù)。

2.2 裝第1列承載球的條件

裝第1列承載球時的幾何關系如圖4所示。為了在裝球時外圈不對承載球產生壓痕，及第1列承載球進入內圈溝道后處于穩(wěn)定狀態(tài)，也為了增加裝球空間便于實現(xiàn)自動或半自動裝球，提高裝球合套效率，將外圈溝道的內端設計為一個軸向寬度為Ce1、斜度為90°-αimax的引導斜面。由圖4可以看出，承載球要通過A1和B1點形成的楔口進入內圈溝道，并與內圈引導斜面中點相切，必須使楔口寬度Q1大于承載球直徑Dw，即

圖4 裝第1列承載球時的幾何關系Fig.4 Geometric relations for loading the first column Load ball

（12）式為滿足裝第1列承載球的條件，該條件與內圈端擋邊直徑有關。

2.3 裝分隔球的條件

裝分隔球時相關零件的幾何關系如圖5所示。裝分隔球之前，先將保持環(huán)套在第1列承載球組上。為使保持環(huán)在第1列承載球組上穩(wěn)定，合套時保持環(huán)不對承載球產生壓痕；為了給裝第2列承載球預留較大空間，將保持環(huán)的擋邊也設計為有引導斜面。

圖5 裝分隔球時的幾何關系Fig.5 The geometric relations of Loading separating ball

前文討論滿足套裝保持環(huán)條件 （5）式時，假設2列承載球組和1列分隔球組裝好后再套裝保持環(huán)，而這里是先裝好第1列承載球組和保持環(huán)后再裝入分隔球，感覺很矛盾。從產品結構和工藝上分析，裝球后再裝保持環(huán)非常困難。按照先裝球后裝保持環(huán)的思路討論裝保持環(huán)條件，是為了找到第1列承載球滿足（5）式的位置，反之，只有滿足（5）式，裝第1列承載球和保持環(huán)后，分隔球才能進入保持環(huán)溝道，否則不能裝第2列承載球。故（5）式是分隔球能夠進入保持環(huán)溝道的必要條件。

下面討論分隔球能夠進入保持環(huán)溝道的充分條件。由圖5可知，分隔球要進入保持環(huán)溝道，首先要通過內圈中擋邊和保持環(huán)擋邊形成的環(huán)形通道，也即分隔球要通過E和D，由此可得判別式為

另外，為了使分隔球能夠流入保持環(huán)溝道，當分隔球通過E和D點與內圈中擋邊接觸時，Dbpwg大于Dpwg，分隔球在自身重力的作用下，按照圖5中所示的方向流入保持環(huán)溝道，由此得到判別式

由（13）式、（14）式得

若內圈中擋邊直徑不能滿足條件（15）式時，為保證能裝球，必須滿足（13）式。

2.4 裝第2列承載球的條件

裝第2列球時的幾何關系如圖6所示。承載球需通過A2和B2進入內圈溝道，與裝第1列承載球相同，A2B2的寬度必須大于承載球直徑，即

圖6 裝第2列承載球時的幾何關系Fig.6 Geometric relations for loading the second column load ball

由（16）式可知，裝第2列承載球的條件同樣與內圈端擋邊直徑有關。保持環(huán)的裝球引導斜面斜角λbe的近似值可由下式計算

λbe的實際取值按稍小于（17）式的計算值圓整即可。

3 結束語

由設計實踐和計算可知，對于球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承，如果僅僅在產品設計時滿足主機的性能指標，而不考慮如何滿足裝球合套條件，則工藝上很難實現(xiàn)、甚至不能裝球合套。從滿足套裝保持環(huán)的條件出發(fā)，通過計算承載球在內圈溝道不同位置（不同接觸角）時分隔球組中心圓直徑的變化規(guī)律，分析產品設計時，需要滿足裝球合套的幾何條件，其中內圈端擋邊直徑最重要。一旦主參數(shù)確定，需調整內圈端擋邊直徑來校核能否實現(xiàn)裝球合套。同時外圈溝道內端和保持環(huán)擋邊設計有裝球引導斜面，引導斜面不僅可以避免裝球時外圈和保持環(huán)對承載球和分隔球造成的壓痕，而且會增強裝球合套過程中相關零件的穩(wěn)定性，增加裝球空間，便于實現(xiàn)自動或半自動裝球合套。