一種單列角接觸球軸承的設計

杜少杰，任小中（.黃河交通學院，河南焦作454950；.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽47003）

一種單列角接觸球軸承的設計

杜少杰1，任小中2
（1.黃河交通學院，河南焦作454950；2.河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003）

摘要：角接觸球軸承的設計涉及許多結(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?；谟脩粢?，運用ZYB28-98角接觸軸承的設計方法，首先確定了所需要的鋼球直徑和鋼球數(shù)，并計算了其徑向額定負荷。接著詳細介紹了內(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)的計算過程。

關鍵詞：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承受軸向和徑向載荷，在適當?shù)陌惭b配置下也可承受一定的力矩，并適用于高速運轉(zhuǎn)［1］，因此被廣泛用于鐵路，礦山，石油，冶金，造紙，紡織，機床，化工，醫(yī)療器械，航空等行業(yè)機械中。應用戶要求，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。因為是非標軸承，故需要根據(jù)具體的工況特點和受載狀況，對該軸承進行另行設計。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標準鋼球。

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徑向額定負荷計算

1.4.1額定動負荷Cr

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

Fc—與軸承零件形狀、精度及材料相關的系數(shù)，查文獻［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額定靜負荷Cor

式中，fo—與軸承零件形狀及應力相關的系數(shù)，查文獻［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)對軸承的壽命、剛性、摩擦力矩均有很大影響［5］。當溝曲率半徑系數(shù)減小時，軸承的剛性、動負荷容量都增加，而摩擦損失顯著增加，使軸承溫度升高，導致軸承加速損壞；當溝曲率半徑系數(shù)增大時，軸承的摩擦損失顯著減小，而剛性、動負荷容量將隨之下降。故此，在綜合考慮軸承各項性能及在實際應用過程中軸承內(nèi)套失效概率遠大于外圈的情況，對于一般轉(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力相近，內(nèi)、外圈壽命相同，體現(xiàn)等強度設計思想。

根據(jù)ZYB28-98標準的優(yōu)化設計要求，

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

當軸承承受較大的軸向載荷時，如果套圈擋邊尺寸不合適，滾動體與滾道之間形成的接觸橢圓會達到甚至超越擋邊，此時接觸區(qū)域形成應力集中，軸承旋轉(zhuǎn)時內(nèi)部摩擦現(xiàn)象嚴重，使軸承處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)，導致軸承無法正常使用。因此，必須根據(jù)工況條件合理設計軸承的擋邊尺寸。對于角接觸球軸承，套圈擋邊直徑可按下式進行計算［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，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還必須在試制時通過試裝才能最終確定。

最后還要驗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。本設計中，Tmax= 24.979 mm＜25 mm，Tmin=24.692 mm＞24.6 mm，滿足要求。

3結(jié)束語

精確設計計算角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)是一項十分繁瑣的工作，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行大量的理論推算。本文參照7309系列軸承，運用ZYB28-98標準的設計方法，自行設計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：

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

［2］劉澤九.滾動軸承應用手冊（第2版）［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

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

［4］高速角接觸球軸承設計方法.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)品的設計改進［J］.哈爾濱軸承，2000，35（4）：10-11，26.

中圖分類號：TH133.33

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0001-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：杜少杰（1974-），男，黃河交通學院高級工程師，研究方向：機械設計與制造。任小中（1957-），男，博士，河南科技大學教授，研究方向：傳動件先進制造技術(shù)。

（責任編輯：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