一種配對角接觸球軸承預(yù)緊量控制方法

劉蘭波++蘇永勝++陳磊++鹿昌劍++李勇

摘 要：介紹了角接觸球軸承預(yù)緊方法，根據(jù)驅(qū)動機(jī)構(gòu)常用預(yù)緊結(jié)構(gòu)形式，重點針對其預(yù)緊量精密控制方法進(jìn)行了研究、試驗，并通過啟動摩擦力矩對預(yù)緊力的合理性進(jìn)行了驗證。

關(guān)鍵詞：角接觸球軸承；預(yù)緊；測量

中圖分類號：TH133.33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）14-0063-02

1 前言

成對、施加預(yù)緊力的角接觸球軸承，既能提高支承剛性，又能提高旋轉(zhuǎn)精度，減小振動，因而在航天、航空等領(lǐng)域的驅(qū)動機(jī)構(gòu)、慣導(dǎo)平臺等結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

雖然配對角接觸球軸承具有較多優(yōu)點，但預(yù)緊力大小卻對軸承性能有著極為重要影響。預(yù)緊力過大，雖可獲得較高軸向剛度及抗卸載能力，卻使軸承摩擦力矩增大，影響其使用壽命；預(yù)緊力過小，情況相反。因此，裝配過程中，施加合適預(yù)緊力，可有效地防止鋼球發(fā)生公轉(zhuǎn)打滑和陀螺旋轉(zhuǎn)，從而減小摩擦和發(fā)熱，延長使用壽命。

2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)中常用預(yù)緊結(jié)構(gòu)形式

2.1 角接觸球軸承預(yù)緊方法

定位預(yù)緊：兩套相同角接觸球軸承成對安裝，通過調(diào)整隔套或墊片厚度尺寸，獲得合適預(yù)緊量；也可直接使用預(yù)先調(diào)好預(yù)緊量的成對軸承來實現(xiàn)預(yù)緊。凡經(jīng)過軸向預(yù)緊的軸承，使用時相對位置不發(fā)生變化。

定壓預(yù)緊：采用螺旋、碟形彈簧等使軸承得到合適預(yù)緊。預(yù)緊彈簧剛性通常比軸承剛性小得多，使用時軸承相對位置會有變化，預(yù)緊量基本不變。

研究表明，在預(yù)緊量相等時，定位預(yù)緊對軸承剛性增加效果較大，且剛性變化對軸承負(fù)荷影響也小很多[1]。

2.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)形式

如圖1所示，為提高驅(qū)動機(jī)構(gòu)剛性和抗變形能力，角接觸球軸承采用背靠背形式配置使用；并且采用內(nèi)、外圈隔套進(jìn)行定位預(yù)緊。

驅(qū)動機(jī)構(gòu)在航空、航天領(lǐng)域中，屬于高精度軸承支承系統(tǒng)，對軸承實際所承受預(yù)緊力精度要求較高，不允許多次往復(fù)拆裝。通常，設(shè)計師根據(jù)運轉(zhuǎn)速度、工作載荷等實際工況確定預(yù)緊力大小和精度。因此，在裝配前，根據(jù)預(yù)緊力大小，精確測量出預(yù)緊力狀態(tài)下的軸承軸向位移量，進(jìn)而確定內(nèi)、外隔套厚度差值。

3 預(yù)緊量的精密控制方法

3.1 預(yù)緊量測量原理分析

角接觸球軸承軸向游隙包括原始游隙和預(yù)緊游隙兩部分。原始軸向游隙指一個套圈固定，另一個套圈沿軸向從一端極限位置平行移動到另一端極限位置的最大活動量δ0。軸向預(yù)載荷作用下，套圈會進(jìn)一步偏移一定位移量δa。因此，在受軸向預(yù)緊載荷作用下，角接觸球軸承軸向位移量為：δ=δ0+δa。

本文自制一套預(yù)緊測量設(shè)備，實現(xiàn)軸向預(yù)緊載荷和軸向位移的精密測量。通過伺服壓裝機(jī)連續(xù)對被測軸承施加軸向預(yù)緊力；外置千分表和預(yù)緊測量工裝，測量出軸向預(yù)緊位移量，如圖2所示。

3.2 預(yù)緊量測量

測量方法如下：將被測軸承平穩(wěn)固定在預(yù)緊測量工裝上，確保軸承外圈在極限位置；設(shè)定壓裝設(shè)備主要參數(shù)：開始位置、停止壓力和最大允許力，其他參數(shù)不變；調(diào)整高度尺保證千分表正常讀數(shù)，記錄千分表讀數(shù)；啟動設(shè)備對軸承外圈加載預(yù)緊力F、保壓，記錄千分表變化量，即為被測軸承在軸向預(yù)緊力F作用下的軸向位移量。

相關(guān)資料表明，軸向預(yù)緊分為輕預(yù)緊力（FL）、中預(yù)緊力（FM）和重預(yù)緊力（FH）三種，18系列軸承預(yù)緊力如下：FL=0.01Cr；FM=0.02Cr；FH=0.04Cr。以71805C角接觸球軸承為例進(jìn)行測量試驗，Cr=4200N，設(shè)定預(yù)緊力分別為（20、42、60、84）N，實際加載預(yù)緊力（20.2、42.3、60.3、84.3）N，結(jié)果見表1。

3.3 配對軸承預(yù)緊力控制

實際生產(chǎn)過程中，軸承自身厚度誤差、凸出量、零件加工公差均會對預(yù)緊效果造成影響，因此必須對軸承內(nèi)、外圈尺寸鏈進(jìn)行分析，如圖1所示。

軸承外圈尺寸鏈：B=B端蓋1+B1+B外+B2+B端蓋2 （1）

軸承內(nèi)圈尺寸鏈：b=b1+B內(nèi)+b2+b內(nèi)端蓋 （2）

軸承背對背配置時，內(nèi)隔套厚度小、外隔套厚度大。通常保持外隔套不變，修配內(nèi)隔套厚度，它們之間的尺寸關(guān)系為：B外=B內(nèi)+δ1-δ10+δ2-δ20 （3）

其中，δ1、δ2—軸承1、2軸向位移量，δ10、δ20—軸承1、2凸出量。

以上隔套寬度計算公式僅背對背配對結(jié)構(gòu)形式，其他安裝方式，公式有別，不再多述[2]。

4 采用摩擦力矩測試驗證預(yù)緊力

由于角接觸球軸承預(yù)緊測量會受到設(shè)備系統(tǒng)誤差、測試誤差、軸承精度等多種因素影響，配對軸承預(yù)緊力也受到軸承精度和零件精度的影響。因此，對配對角接觸球軸承預(yù)緊力進(jìn)行驗證是十分必要的。

研究表明，成對角接觸球軸承在結(jié)構(gòu)形式、參數(shù)和潤滑方式一定情況下，所受軸向載荷與摩擦力矩有固定對應(yīng)關(guān)系，可將預(yù)緊力作為軸向載荷來考慮，對施加預(yù)緊力的軸承啟動摩擦力矩進(jìn)行計算，與實際摩擦力矩比較，判斷軸承內(nèi)部實際預(yù)緊力[3]。

軸承啟動摩擦力矩計算公式為： （4）

式中，M—啟動摩擦力矩；dm—軸承節(jié)圓直徑（mm）；μ—摩擦系數(shù)（0.0012～0.0015）；F—軸向預(yù)緊力。

以角接觸球軸承（71805C/P4）為例，dm=31mm。加載預(yù)緊力（20.2、42.3、60.3、84.3）N條件下，理論摩擦力矩值為（0.75～0.94、1.57～1.97、2.24～2.80、3.14～3.92）N·mm，通過試驗實測摩擦力矩為（0.88、1.75、2.61、3.29）N·mm。結(jié)果表明，實際摩擦力矩與理論值基本一致，說明實際施加預(yù)緊力符合設(shè)計值。

5 結(jié)語

精確控制預(yù)緊力對成對角接觸球軸承綜合性能有著極為重要影響。安裝使用前預(yù)緊量和相關(guān)尺寸的測量過程需要保證方法正確，不可馬虎，任何不規(guī)范做法，都將影響軸承性能，降低被支撐系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)精度和剛度。對軸承實際預(yù)緊力進(jìn)行驗證是十分必要的。

參考文獻(xiàn)

[1]張利正.角接觸球軸承安裝預(yù)緊淺析[J].哈爾濱軸承，2011，32（2）：59-61.

[2]王福成.一種確定軸承預(yù)緊力的方法[J].現(xiàn)代零部件，2006（4）：80-81.

[3]蔣蔚，粱波，李廣文.配對軸承預(yù)緊力分析及測試方法[J].軸承，2001，4：25-27.