精密擺線減速器軸承裝配關(guān)系與預(yù)緊技術(shù)研究

段素爽，趙　盛，劉紹炎

(國(guó)機(jī)智能技術(shù)研究院有限公司，北京　100020)

0　引言

精密擺線減速器近年來(lái)發(fā)展迅速，是我國(guó)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目之一，其技術(shù)難點(diǎn)主要在于擺線和軸承兩個(gè)方面。經(jīng)過(guò)多年的深入研究，擺線輪優(yōu)化設(shè)計(jì)理論得到飛速發(fā)展，但是精密擺線減速器專用高精度軸承技術(shù)的研究尚有不足。單套減速器的軸承數(shù)量在10套～14套，根據(jù)不同的減速機(jī)型號(hào)，曲柄軸排列方式有所不同，軸承的數(shù)量有一定變化，但其已占據(jù)減速器零件數(shù)量的一半左右，從整體上影響精密擺線減速器的性能、使用壽命和傳動(dòng)精度。本文通過(guò)對(duì)軸承裝配關(guān)系與預(yù)緊技術(shù)的研究，給出精密擺線減速器軸承最佳裝配設(shè)計(jì)解決方案。

1　精密擺線減速器軸承裝配關(guān)系的確定

1.1　軸承安裝方式的確定

圖1為精密擺線減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。精密擺線減速器內(nèi)部主要包括3種軸承：①一對(duì)角接觸球軸承，背靠背使用，以便支撐外部復(fù)合載荷，并且雙向軸向定位；②一對(duì)滾針保持架組件，每個(gè)曲柄軸中間位置有一組滾針軸承，支承擺線輪，承受徑向載荷，允許軸向位移；③一對(duì)圓錐滾子軸承，每個(gè)曲柄軸兩端有一對(duì)圓錐滾子軸承支承曲柄，主要承受徑向載荷，每個(gè)軸承對(duì)軸做單向定位。

對(duì)于精密擺線減速器中的這三類軸承，實(shí)際應(yīng)用情況確定如下：成對(duì)角接觸軸承為定位軸承；兩個(gè)滾針軸承(滾針與保持架組件)為非定位軸承；成對(duì)圓錐滾子軸承為交叉定位軸承。

1.2　軸承配合方式的確定

本精密擺線減速器選擇軸承配合方式時(shí)主要考慮以下因素：①旋轉(zhuǎn)狀況，即旋轉(zhuǎn)負(fù)荷、靜止負(fù)荷、負(fù)荷方向；②負(fù)荷大小，過(guò)盈程度與負(fù)荷大小相關(guān)，負(fù)荷愈大，特別是具有沖擊特性時(shí)，所需過(guò)盈愈大；③軸承內(nèi)部間隙，不同類型的軸承有不同的原始游隙和允許減小量；④溫度狀況，減速器溫度不超過(guò)45 ℃；⑤旋轉(zhuǎn)精度，軸至少加工到標(biāo)準(zhǔn)公差5級(jí)，軸承座孔至少相當(dāng)于6級(jí)，圓柱度也應(yīng)采用較高公差等級(jí)；⑥軸和軸承座不允許不均勻變形(不圓)，為了使軸承圈有足夠的支承，在使用薄壁軸承座或者空心軸的情況下，應(yīng)使用比一般推薦更緊的過(guò)盈配合。

圖1　精密擺線減速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

本文研究的減速器軸與孔配合情況如表1所示。

表1　本文研究的減速器軸與孔配合情況

2　精密擺線減速器軸承預(yù)緊狀態(tài)及載荷的確定

2.1　軸承預(yù)緊的作用

預(yù)緊可以達(dá)到很多種使用效果：①使旋轉(zhuǎn)軸在軸向和徑向正確定位，提高軸的旋轉(zhuǎn)精度；②增加軸承剛度；③減少軸承的振動(dòng)和噪聲；④控制滾動(dòng)體的自旋滑動(dòng)，減少滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)打滑等。預(yù)緊后的軸受到工作載荷時(shí)，其內(nèi)外圈的徑向及軸向相對(duì)移動(dòng)量要比未預(yù)緊的軸承減少很多，預(yù)緊力的大小對(duì)于軸承的剛度和壽命有重要的影響，合適的預(yù)緊力既能適當(dāng)增大使用時(shí)的剛度及平穩(wěn)性，又可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。但若預(yù)緊力過(guò)大將導(dǎo)致軸承溫度過(guò)高而燒死，若預(yù)緊力過(guò)小將導(dǎo)致磨合后軸承的預(yù)緊消失，因此，保證預(yù)緊力在正常的范圍內(nèi)是尤為重要的。軸承預(yù)緊后的間隙與疲勞壽命的關(guān)系如圖2所示。

圖2　軸承預(yù)緊后的間隙與疲勞壽命的關(guān)系

2.2　軸承游隙狀態(tài)分析

軸承能否得到滿意性能，在普通運(yùn)行狀態(tài)下很大程度上取決于其徑向游隙。一般來(lái)說(shuō)，角接觸球軸承徑向運(yùn)行間隙應(yīng)該為零，甚至有輕微預(yù)載荷；圓柱與球面滾子軸承在運(yùn)行中必須具有很小的剩余徑向間隙。但是對(duì)于對(duì)剛性有一定要求的精密擺線減速器，在受擺動(dòng)重載荷作用時(shí)，成對(duì)角接觸軸承主要考慮軸向游隙，角接觸球軸承安裝中需要根據(jù)受力狀況確定施加一定的預(yù)載荷；而成對(duì)圓錐滾子和滾針軸承主要考慮徑向游隙。

2.3　軸承預(yù)緊量的確定與配合控制

2.3.1角接觸球軸承

本減速器是采用單列角接觸球軸承與另一套同類軸承以背對(duì)背的形式安裝，其預(yù)緊量主要考慮負(fù)載、轉(zhuǎn)速、剛度、發(fā)熱等因素，預(yù)緊方法采用定位預(yù)緊，以提高剛性。角接觸球軸承的預(yù)負(fù)荷估算公式為：

Gm=ff1f2GC.

(1)

其中：f為軸承尺寸系列系數(shù)，f=1.49；f1為接觸角的修正系數(shù)，f1=1.1；f2為預(yù)負(fù)荷等級(jí)修正系數(shù)，f2=1；Gc為安裝前軸承預(yù)負(fù)荷，Gc=2 680 N。

將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得：Gm=3 993 N。

在角接觸球軸承實(shí)際安裝過(guò)程中由于采用過(guò)盈配合，考慮克服摩擦力的作用，并根據(jù)圖3中角接觸球軸承位移與預(yù)緊力的關(guān)系，確定本減速器角接觸球軸承軸向壓縮量為0.008 mm～0.01 mm。

2.3.2圓錐滾子軸承

精密擺線減速器中的圓錐滾子軸承不允許軸相對(duì)外殼有傾斜，其目的是為了防止附加軸向力的產(chǎn)生。根據(jù)本減速器使用經(jīng)驗(yàn)，圓錐滾子軸承內(nèi)外圈均采用過(guò)盈配合，徑向游隙采用預(yù)游隙配置。小游隙輔助組C1和C2適用于精密擺線減速器旋轉(zhuǎn)精度較高、需嚴(yán)格控制外殼孔的軸向位移以及需減少振動(dòng)和噪聲的場(chǎng)合，本圓錐滾子軸承取徑向游隙C1為0 mm～-0.01 mm，其徑向工作游隙為：

δ=δ0-δ1-δ2-δ3.

(2)

其中：δ0為初始游隙，δ0=C1；δ1為內(nèi)圈與軸徑配合后游隙減少量，δ1=0.012 8 mm；δ2為外圈與軸座孔配合后游隙減少量，δ2=0.014 mm；δ3為內(nèi)外圈溫差引起的游隙減少量，δ3=0.001 9 mm。

將數(shù)值代入式(2)計(jì)算得：δ=-0.026 9 mm～-0.018 7 mm。

裝配后軸向游隙最大值為：

δamax=C1/tanβ.

(3)

其中：β為外圈滾道角度，β=12°。將數(shù)值代入式(3)計(jì)算得：δamax=0.047 mm。

圖3　本角接觸球軸承位移與預(yù)緊力的關(guān)系

2.3.3滾針與保持架組件

本精密擺線減速器中滾針軸承只包括滾針和保持架兩部分，其中每個(gè)保持架軸向名義尺寸為12 mm，兩個(gè)滾針保持架與曲軸配合，曲軸軸向尺寸(24.1 mm～24.2 mm)保證軸向定位即可，如圖4所示。

圖4　滾針軸承與曲軸配合尺寸

滾針徑向熱膨脹量δt1為：

δt1=αΔtD.

(4)

其中：α為軸承鋼線膨脹系數(shù)，α=12.5×10-61/℃；Δt為溫度差，Δt=5 ℃；D為徑向尺寸，D=5 mm。將數(shù)值代入式(4)計(jì)算得：δt1=0.000 3 mm。

滾道徑向縮小量δt2為：

δt2=αΔtDe.

(5)

其中：De為滾子軸承外圈滾道直徑，De=33.5 mm。將數(shù)值代入式(5)計(jì)算得：δt2=0.002 1 mm。

滾針軸承徑向游隙縮小量δt為：

δt=δt1+δt2.

(6)

將數(shù)值代入式(6)計(jì)算得：δt=0.002 4 mm。

滾針軸承受熱后徑向游隙變化不大。根據(jù)實(shí)際工況，選擇徑向游隙C2( 0 mm～0.025 mm)即可滿足工作。

以上對(duì)精密擺線減速器三種軸承的工作游隙狀態(tài)進(jìn)行了分析與計(jì)算，在安裝后，這三類軸承都需進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，要求軸承在規(guī)定條件下進(jìn)行，先低速運(yùn)轉(zhuǎn)同時(shí)勻脂，然后逐漸加速直達(dá)工作轉(zhuǎn)速。檢查聲音和軸承溫度，以便于確認(rèn)并且微調(diào)到軸承的最佳工作狀態(tài)。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)精密減速器軸承運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力的分析，得到如下結(jié)論：

(1) 角接觸軸承需施加預(yù)負(fù)荷，主要是為了增加剛度，提高軸導(dǎo)向精度，減小噪聲，獲得更長(zhǎng)的工作壽命，預(yù)加載荷預(yù)估在4 000 N左右。

(2) 與滾針配合的軸、孔保持裝配后徑向游隙初步在0 mm～0.01 m。

(3) 圓錐滾子軸承在內(nèi)外圈都過(guò)盈的情況下，軸向采用預(yù)游隙配合形式，避免使用中溫升過(guò)高損壞軸承，軸向游隙預(yù)估在0.03 mm～0.04 mm。

(4) 精密減速器最佳的軸承裝配關(guān)系及預(yù)緊方式應(yīng)根據(jù)不同條件下的計(jì)算結(jié)果、使用經(jīng)驗(yàn)和與軸承溫升噪聲綜合考慮。本文研究的三類軸承試驗(yàn)中運(yùn)行平穩(wěn)，運(yùn)行噪聲低于65 dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳龍,頡譚成,新濤.滾動(dòng)軸承應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]郭惠俊.SKF滾動(dòng)軸承綜合型錄[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994.

[3]李洪,曲中謙,楊曉蔚.實(shí)用軸承手冊(cè)[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2001.

[4]竇峰,寇鵬,王斌.軸承的游隙及游隙的選擇[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(4)：264-265.