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(fēng)軸承有限公司，江蘇 常州 213022）

符號(hào)說(shuō)明

aiz——內(nèi)圈中擋邊寬度

By——內(nèi)圈溝道半溝寬度（圖3）

By1——內(nèi)圈溝道與端擋邊外圓之間的引導(dǎo)斜面軸向?qū)挾龋ê?jiǎn)稱內(nèi)圈引導(dǎo)斜面軸向?qū)挾龋?/p>

Cb——保持環(huán)全寬

Ce1——外圈溝道口引導(dǎo)斜面軸向?qū)挾?/p>

Cbe1——保持環(huán)擋邊引導(dǎo)斜面軸向?qū)挾?/p>

d2d——內(nèi)圈兩端面擋邊直徑（簡(jiǎn)稱內(nèi)圈端擋邊直徑）

d2z——內(nèi)圈軸向?qū)ΨQ處擋邊直徑（簡(jiǎn)稱內(nèi)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(nèi)圈溝道接觸角為αi時(shí)的中心圓直徑

D′pw——承載球組與內(nèi)圈溝道接觸角為-αimax時(shí)的中心圓直徑

Dpwg——承載球與引導(dǎo)斜面中點(diǎn)相切時(shí)的中心圓直徑

Dbpw——承載球組與內(nèi)圈溝道接觸角為αi時(shí)的分隔球組中心圓直徑

D′bpw——承載球組與內(nèi)圈溝道接觸角為-αimax時(shí)的分隔球組中心圓直徑

Dbpwg——承載球與引導(dǎo)斜面中點(diǎn)相切時(shí)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(nèi)圈溝曲率系數(shù)

Lxo——承載球與內(nèi)圈在溝道軸向中心接觸時(shí)相鄰兩球的周向距離

Lx——承載球與內(nèi)圈在溝道接觸角αi位置接觸時(shí)相鄰兩球的周向距離

Lxg——承載球與內(nèi)圈引導(dǎo)斜面中點(diǎn)相切時(shí)的周向距離

Lyo——承載球與內(nèi)圈在溝道軸向中心接觸時(shí)2列承載球球心的軸向距離

Ly——承載球與內(nèi)圈溝道接觸角為αi時(shí)2列球球心的軸向距離

Ly′——承載球與內(nèi)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(shí)保持環(huán)與承載球的接觸點(diǎn)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(nèi)圈公稱接觸角

αimax——內(nèi)圈最大接觸角

λbe——保持環(huán)引導(dǎo)斜面斜角

1 球環(huán)分隔式角接觸球軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性

文獻(xiàn)［1］對(duì)球環(huán)分隔式角接觸球軸承的特性和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行過(guò)分析探討，這里僅簡(jiǎn)單介紹。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由1個(gè)雙溝道內(nèi)圈、2個(gè)單溝道外圈、2列承載球、1列分隔球、1個(gè)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(duì)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(jié)構(gòu)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(gè)連接環(huán)和1個(gè)整體連接圈連接2種方式。多個(gè)連接環(huán)連接的特點(diǎn)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(gè)外圈和連接環(huán)鉚合相對(duì)困難，工藝成本較高；整體連接圈連接方式的特點(diǎn)是：外圈連接圈槽加工容易，2個(gè)外圈和連接圈的滾壓連接相對(duì)容易，因此工藝成本較低，但外圈與座孔配合的軸向?qū)挾让娣e較小，配合剛度差。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承沒(méi)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(diǎn)接觸，沒(méi)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(nèi)外圈溝道的接觸橢圓??；軸承內(nèi)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(nèi)外圈溝道得到充分潤(rùn)滑和熱交換。因此該軸承適應(yīng)高轉(zhuǎn)速場(chǎng)合。

球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承沒(méi)有保持架，可利用節(jié)省的周向和軸向空間來(lái)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(dòng)載荷可提高25%左右。

如果機(jī)構(gòu)允許負(fù)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(guò)盈配合，則保持環(huán)就存在由外向內(nèi)的回復(fù)力，其回復(fù)力通過(guò)分隔球傳遞給承載球，使承載球與內(nèi)外圈溝道保持適當(dāng)?shù)念A(yù)緊狀態(tài)（或補(bǔ)償調(diào)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(fù)雜、制造成本高，制約了該軸承的推廣應(yīng)用，其中裝球合套是迫切需要解決的問(wèn)題。

通過(guò)設(shè)計(jì)制造及計(jì)算發(fā)現(xiàn)，裝球合套不僅僅是工藝上的問(wèn)題，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)也有關(guān)聯(lián)。如果設(shè)計(jì)時(shí)只滿足主機(jī)要求的載荷、轉(zhuǎn)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(jìn)入保持環(huán)溝道。裝球合套后各零件的幾何關(guān)系如圖2所示，承載球與內(nèi)圈在溝道軸向中心位置接觸時(shí)，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(méi)有加以區(qū)別，但計(jì)算時(shí)必須區(qū)分。由圖2和文獻(xiàn)［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(guān)系Fig.2 Geometric relations after fitted with the ball

式中：M為與分隔球相切的4個(gè)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(gè)承載球的球心所在平面的2倍距離；Dpw，Dw，Dbw，Ly由軸承設(shè)計(jì)主參數(shù)決定。

由圖2可知，當(dāng)分隔球組的外接圓直徑小于保持環(huán)的擋邊直徑時(shí)，保持環(huán)溝道才能套在分隔球組的外接圓上。設(shè)想用保持環(huán)的擋邊內(nèi)孔壓迫分隔球組，使分隔球組向軸承中心壓縮，此時(shí)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(dāng)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(shí)，保持環(huán)才能套在分隔球組外接圓上。

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

通過(guò)計(jì)算可知，當(dāng)承載球與內(nèi)圈溝道在靠近端面一邊的最大接觸角-αimax位置接觸時(shí)，仍不能滿足（5）式。只有當(dāng)Ly增大到承載球與內(nèi)圈溝道無(wú)接觸時(shí)，即假想接觸點(diǎn)離開(kāi)溝道趨近內(nèi)圈端面才能滿足（5）式。因此，可通過(guò)增大內(nèi)圈端擋邊直徑d2d，使內(nèi)圈溝道圓弧端點(diǎn) （即-αimax位置）與端擋邊外圓之間有一引導(dǎo)斜面，當(dāng)承載球在內(nèi)圈引導(dǎo)斜面上的某個(gè)位置接觸時(shí)，能滿足（5）式。

與（5）式相關(guān)的參數(shù)較多，且參數(shù)之間相互制約，需要通過(guò)多次試算才能滿足要求，故通過(guò)（5）式推導(dǎo)內(nèi)圈端擋邊直徑計(jì)算公式的意義不大。為此，考慮合套時(shí)承載球滾動(dòng)順暢、承載球在引導(dǎo)斜面上有一定的調(diào)整空間、盡可能為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)裝球合套預(yù)留空間等因素，假設(shè)：1）內(nèi)圈溝道引導(dǎo)斜面與溝道圓弧端點(diǎn)相切；2）承載球在引導(dǎo)斜面中點(diǎn)與引導(dǎo)斜面相切。承載球在過(guò)渡斜面的中部位置與過(guò)渡斜面接觸時(shí)的幾何關(guān)系如圖3所示，由圖3可知，內(nèi)圈引導(dǎo)斜面的徑向高度為0.5（d2d-d2z），而引導(dǎo)斜面的軸向?qū)挾葹?/p>

圖3 承載球在引導(dǎo)斜面的中部位置與引導(dǎo)斜面接觸時(shí)的幾何關(guān)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(dāng)承載球與內(nèi)圈引導(dǎo)斜面中點(diǎn)相切時(shí)

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

重復(fù)上述過(guò)程直到符合（5）式，實(shí)際設(shè)計(jì)可由計(jì)算機(jī)編程完成，主要是調(diào)整內(nèi)圈端擋邊直徑，其次是調(diào)整保持環(huán)擋邊直徑、保持環(huán)溝徑和分隔球球徑。若調(diào)整后還不滿足，則需調(diào)整其他設(shè)計(jì)主參數(shù)。

2.2 裝第1列承載球的條件

裝第1列承載球時(shí)的幾何關(guān)系如圖4所示。為了在裝球時(shí)外圈不對(duì)承載球產(chǎn)生壓痕，及第1列承載球進(jìn)入內(nèi)圈溝道后處于穩(wěn)定狀態(tài)，也為了增加裝球空間便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)裝球，提高裝球合套效率，將外圈溝道的內(nèi)端設(shè)計(jì)為一個(gè)軸向?qū)挾葹镃e1、斜度為90°-αimax的引導(dǎo)斜面。由圖4可以看出，承載球要通過(guò)A1和B1點(diǎn)形成的楔口進(jìn)入內(nèi)圈溝道，并與內(nèi)圈引導(dǎo)斜面中點(diǎn)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(shí)的幾何關(guān)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(nèi)圈端擋邊直徑有關(guān)。

2.3 裝分隔球的條件

裝分隔球時(shí)相關(guān)零件的幾何關(guān)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(shí)保持環(huán)不對(duì)承載球產(chǎn)生壓痕；為了給裝第2列承載球預(yù)留較大空間，將保持環(huán)的擋邊也設(shè)計(jì)為有引導(dǎo)斜面。

圖5 裝分隔球時(shí)的幾何關(guān)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(shí)，假設(shè)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(jué)很矛盾。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(jìn)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(jìn)入保持環(huán)溝道的必要條件。

下面討論分隔球能夠進(jìn)入保持環(huán)溝道的充分條件。由圖5可知，分隔球要進(jìn)入保持環(huán)溝道，首先要通過(guò)內(nèi)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(guò)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(dāng)分隔球通過(guò)E和D點(diǎn)與內(nèi)圈中擋邊接觸時(shí)，Dbpwg大于Dpwg，分隔球在自身重力的作用下，按照?qǐng)D5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(nèi)圈中擋邊直徑不能滿足條件（15）式時(shí)，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(shí)的幾何關(guān)系如圖6所示。承載球需通過(guò)A2和B2進(jìn)入內(nèi)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(shí)的幾何關(guān)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(nèi)圈端擋邊直徑有關(guān)。保持環(huán)的裝球引導(dǎo)斜面斜角λbe的近似值可由下式計(jì)算

λbe的實(shí)際取值按稍小于（17）式的計(jì)算值圓整即可。

3 結(jié)束語(yǔ)

由設(shè)計(jì)實(shí)踐和計(jì)算可知，對(duì)于球環(huán)分隔式雙列角接觸球軸承，如果僅僅在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)滿足主機(jī)的性能指標(biāo)，而不考慮如何滿足裝球合套條件，則工藝上很難實(shí)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(guò)計(jì)算承載球在內(nèi)圈溝道不同位置（不同接觸角）時(shí)分隔球組中心圓直徑的變化規(guī)律，分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足裝球合套的幾何條件，其中內(nèi)圈端擋邊直徑最重要。一旦主參數(shù)確定，需調(diào)整內(nèi)圈端擋邊直徑來(lái)校核能否實(shí)現(xiàn)裝球合套。同時(shí)外圈溝道內(nèi)端和保持環(huán)擋邊設(shè)計(jì)有裝球引導(dǎo)斜面，引導(dǎo)斜面不僅可以避免裝球時(shí)外圈和保持環(huán)對(duì)承載球和分隔球造成的壓痕，而且會(huì)增強(qiáng)裝球合套過(guò)程中相關(guān)零件的穩(wěn)定性，增加裝球空間，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)裝球合套。