球環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——保持環全寬

Ce1——外圈溝道口引導斜面軸向寬度

Cbe1——保持環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——保持環溝道直徑

Db2——保持環擋邊直徑

fi——內圈溝曲率系數

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

Z——單列承載球數量

αi——內圈公稱接觸角

αimax——內圈最大接觸角

λbe——保持環引導斜面斜角

1 球環分隔式角接觸球軸承結構特點和工作特性

文獻［1］對球環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（類似深溝球軸承的外圈）以及連接環組成。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

球環分隔式雙列角接觸球軸承外圈有多個連接環和1個整體連接圈連接2種方式。多個連接環連接的特點是：外圈與座孔的配合面積大，配合剛度高，但外圈連接環槽加工困難，2個外圈和連接環鉚合相對困難，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，主要靠保持環和分隔球的聯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；與相同或接近規格的傳統角接觸球軸承相比，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帶保持架的角接觸球軸承大；保持環兼有串油環的作用，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。

球環分隔式雙列角接觸球軸承沒有保持架，可利用節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溝道之間形成小的過盈配合，則保持環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的預緊狀態（或補償調節軸承的游隙），以提高軸承的接觸剛度、承載能力及使用壽命。

2 球環分隔式角接觸球軸承的裝球合套

球環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現，裝球合套不僅僅是工藝上的問題，與產品設計也有關聯。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，則可能出現不能裝球合套。

2.1 保持環能夠套上分隔球組外接圓的條件

裝球合套的條件是：保持環能夠套上分隔球組的外接圓或分隔球能夠進入保持環溝道。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中沒有加以區別，但計算時必須區分。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由軸承設計主參數決定。

由圖2可知，當分隔球組的外接圓直徑小于保持環的擋邊直徑時，保持環溝道才能套在分隔球組的外接圓上。設想用保持環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溝徑與擋邊直徑之差時，保持環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）式相關的參數較多，且參數之間相互制約，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，其次是調整保持環擋邊直徑、保持環溝徑和分隔球球徑。若調整后還不滿足，則需調整其他設計主參數。

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定狀態，也為了增加裝球空間便于實現自動或半自動裝球，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，先將保持環套在第1列承載球組上。為使保持環在第1列承載球組上穩定，合套時保持環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，而這里是先裝好第1列承載球組和保持環后再裝入分隔球，感覺很矛盾。從產品結構和工藝上分析，裝球后再裝保持環非常困難。按照先裝球后裝保持環的思路討論裝保持環條件，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列承載球和保持環后，分隔球才能進入保持環溝道，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溝道的必要條件。

下面討論分隔球能夠進入保持環溝道的充分條件。由圖5可知，分隔球要進入保持環溝道，首先要通過內圈中擋邊和保持環擋邊形成的環形通道，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、甚至不能裝球合套。從滿足套裝保持環的條件出發，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。一旦主參數確定，需調整內圈端擋邊直徑來校核能否實現裝球合套。同時外圈溝道內端和保持環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定性，增加裝球空間，便于實現自動或半自動裝球合套。