球徑規(guī)值對(duì)轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承徑向游隙的影響*

張振強(qiáng) 朱川峰 尹延經(jīng) 楊浩亮 敖正紅

(①洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；②河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039； ③滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

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球徑規(guī)值對(duì)轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承徑向游隙的影響*

張振強(qiáng)①②③朱川峰①②③尹延經(jīng)①②③楊浩亮①②③敖正紅①②③

(①洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；②河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039； ③滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

四點(diǎn)接觸球軸承在合套過程中，其徑向游隙的變動(dòng)量與滾動(dòng)體直徑的變化量并不清晰。為更好地指導(dǎo)軸承生產(chǎn)，對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行了分析計(jì)算。結(jié)果表明，四點(diǎn)接觸球軸承的徑向游隙除受溝底直徑與滾動(dòng)體直徑影響外，還與溝曲率半徑及溝曲率中心偏心距相關(guān)，并且其徑向游隙與球徑變化量為非直線型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在相同球徑偏差的情況下，原始接觸角越大，徑向游隙的變化量也越大，反之亦然。

球徑偏差；四點(diǎn)接觸球軸承；徑向游隙

轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承為具有桃形溝道的特殊軸承，其內(nèi)圈、外圈和滾動(dòng)體之間形成4個(gè)接觸點(diǎn)，能在較高的轉(zhuǎn)速下承受很大的徑向載荷和軸向載荷，并且運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。普通四點(diǎn)接觸球軸承的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，一種為雙半內(nèi)圈型(外圈為一體)。另一種為雙半外圈型(內(nèi)圈為一體)。而轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承的內(nèi)圈和外圈都為一體型結(jié)構(gòu)，滾動(dòng)體通過設(shè)置在軸承外圈上的裝球孔進(jìn)行合套安裝。

對(duì)于具有雙半套圈的四點(diǎn)接觸球軸承而言，其游隙調(diào)整主要通過修磨雙半套圈內(nèi)端面來實(shí)現(xiàn)；但對(duì)于轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承而言，由于此類軸承不具有雙半套圈，故上述方法無從實(shí)施。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承的徑向游隙主要通過選配套圈進(jìn)行控制；為提高此類軸承的合套率，也經(jīng)常調(diào)換并采用其它規(guī)值的滾動(dòng)體，以滿足其徑向游隙要求。但是此類軸承徑向游隙變動(dòng)量與滾動(dòng)體直徑變化量之間的關(guān)系并不清晰。為更好地指導(dǎo)軸承生產(chǎn)，本文對(duì)上述關(guān)系進(jìn)行了分析計(jì)算，并且著重分析了球徑規(guī)值(偏差)對(duì)轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承徑向游隙的影響，以期為轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承的選配合套提供指導(dǎo)。

1 游隙調(diào)整原理

對(duì)于深溝球軸承、角接觸球軸承等普通球類軸承而言，其徑向游隙Gr可以用公式(1)來表示，式中，De表示外溝底直徑，di表示內(nèi)溝底直徑，Dw代表球徑，ΔDw代表球徑偏差。從式中可以看到，游隙與球徑偏差之間為負(fù)相關(guān)的直線關(guān)系，球徑增加ΔDw，游隙減小ΔDw[1-3]。

Gr=De-di-2(Dw+ΔDw)

(1)

從式中可以看到，軸承徑向游隙受到3個(gè)方面的影響，即：外溝底直徑、內(nèi)溝底直徑和滾動(dòng)體直徑。故對(duì)于普通球類軸承而言，其徑向游隙調(diào)整可以從上述3個(gè)方面著手，選擇具有合適參數(shù)的軸承套圈及滾動(dòng)體進(jìn)行軸承合套。

對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承而言，人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)際中發(fā)現(xiàn)，其徑向游隙與溝底直徑及球徑的關(guān)系不能用上述公式(1)來表示，并且其徑向游隙的變化量與球徑偏差并不呈直線型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。究其原因在于測(cè)量徑向游隙時(shí)，鋼球與溝道的接觸點(diǎn)并不是溝底最低點(diǎn)直徑處(外圈為溝底最大直徑處，內(nèi)圈為溝底最小直徑處)，即使溝道參數(shù)及形狀固定不變，球與溝道之間的接觸點(diǎn)也會(huì)隨球徑的不同而產(chǎn)生變化，從而導(dǎo)致實(shí)際游隙產(chǎn)生變化。如圖1所示，標(biāo)準(zhǔn)球與溝道的接觸點(diǎn)為點(diǎn)A與點(diǎn)B，如果更換球徑較小的球，那么球與滾道的接觸點(diǎn)將上移至點(diǎn)C與點(diǎn)D，反之，接觸點(diǎn)則會(huì)下移，并且由于接觸點(diǎn)隨弧形溝道變化，致使實(shí)際游隙變化量與球徑偏差之間為非直線關(guān)系。

2 理論計(jì)算

為求解球徑偏差對(duì)四點(diǎn)接觸球軸承徑向游隙變化量的影響，可以建立如圖2所示的坐標(biāo)系，圖中弧AB既是軸承外圈桃形溝道的一部分，同時(shí)也是圓O′的一部分，圓O為鋼球的幾何表示，圓O′與圓O相切于點(diǎn)E，也即鋼球與溝道在點(diǎn)E相接觸，軸承設(shè)計(jì)接觸角為α，鋼球理論公稱直徑為Dw，以鋼球球心為坐標(biāo)系原點(diǎn)，則圓O′的圓心為(-e，-f)，此時(shí)圓O′可以用式(2)表示。當(dāng)鋼球直徑發(fā)生變化時(shí)，球心將沿Y軸上下移動(dòng)，設(shè)其移動(dòng)量為a，則此時(shí)的鋼球中心O″為(0，a)，圓O″所在方程如式(3)所示，

(x+e)2+(y+f)2=Re2

(2)

x2+(y-a)2=(Dw1/2)2

(3)

式中：Re為外溝曲率半徑，e、f為接觸角為α(設(shè)計(jì)接觸角)時(shí)，外圈溝曲率中心在軸向和徑向的偏心距。

e=(Re-Dw)·sinα

(4)

f=(Re-Dw/2)·cosα

(5)

為求解圓心的變動(dòng)量a，還需建立圖2所示輔助三角形，在直角三角形ΔO′E′F中，設(shè)E′點(diǎn)坐標(biāo)為(X0，Y0)，

∵O″E′/O′E′=O″G/O′F

(6)

∴(Dw1/2)/Re=X0/(X0+e)

(7)

式中：Dw1為實(shí)際球徑。將E′點(diǎn)坐標(biāo)(X0，Y0)代入式(2)和式(3)中，并與式(7)聯(lián)立即可求出切點(diǎn)坐標(biāo)(X0，Y0)及圓心的變動(dòng)量a，此時(shí)鋼球與外溝道之間的徑向游隙變動(dòng)量為2a，同理可以求出鋼球與內(nèi)溝道之間的游隙變動(dòng)量2b，則當(dāng)鋼球直徑在Dw附近上下浮動(dòng)時(shí)，四點(diǎn)接觸球軸承的徑向游隙變化量為2(a+b)。

3 實(shí)例分析

以某轉(zhuǎn)盤類四點(diǎn)接觸球軸承為例，該軸承理論球徑Dw為10.319 mm，內(nèi)溝曲率半徑Ri為5.37 mm，外溝曲率半徑Re為5.37 mm，設(shè)計(jì)游隙為0。球徑規(guī)值(偏差)與接觸角對(duì)其徑向游隙的影響如表1所示。從表中可以看到，當(dāng)設(shè)計(jì)接觸角為45°時(shí)，球徑變化0.003 mm，軸承徑向游隙向相反方向變化將近0.009 mm；球徑變化0.006 mm時(shí)，徑向游隙向相反方向變化約0.017 mm；球徑變化0.009 mm時(shí)，徑向游隙向相反方向變化約0.025 mm；當(dāng)設(shè)計(jì)接觸角為30°時(shí)，球徑偏差對(duì)軸承徑向游隙的影響與45°時(shí)的變化趨勢(shì)相同，但變化量相對(duì)減小。當(dāng)設(shè)計(jì)接觸角為60°時(shí)，球徑偏差對(duì)軸承徑向游隙的影響與45°時(shí)的變化趨勢(shì)相同，但變化量相對(duì)增大。由此可以看出，四點(diǎn)接觸球軸承在合套裝配過程中，球徑偏差越大，其對(duì)軸承徑向游隙的影響也就越大，并且原始設(shè)計(jì)接觸角越大，球徑偏差對(duì)軸承徑向游隙的影響也就越大，且徑向游隙與球徑偏差為非線性的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這與角接觸球軸承等其它類型的球軸承是不一樣的。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)軸承的具體參數(shù)，按照表1列出在某接觸角條件下，不同球徑規(guī)值(偏差)對(duì)軸承徑向游隙的影響，進(jìn)而在軸承合套時(shí)，即可根據(jù)表中所列的各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行徑向游隙的調(diào)整，具體調(diào)整方法如下：以60°接觸角的上述四點(diǎn)接觸球軸承為例，如果其初測(cè)徑向游隙值偏大，并且徑向游隙在初測(cè)值的基礎(chǔ)上減小0.035 mm后能夠滿足設(shè)計(jì)要求，那么此時(shí)將該組滾動(dòng)體直徑統(tǒng)一減小0.009 mm后即可滿足該軸承的徑向游隙要求。以此類推，即可通過調(diào)整不同規(guī)值的滾動(dòng)體進(jìn)行徑向游隙的調(diào)整。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)意識(shí)到此類軸承在溝曲率、偏心距等方面的不同及影響，從而在對(duì)此類軸承的徑向游隙進(jìn)行調(diào)整時(shí)更有針對(duì)性和有效性，提高工作效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4 結(jié)語

(1)角接觸球軸承徑向游隙的計(jì)算及選配方法不適用于轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承，其原因在于球與溝道之間的接觸點(diǎn)并不在溝底，并且接觸點(diǎn)隨球徑的不同而產(chǎn)生變化。

表1 球徑規(guī)值(偏差)、接觸角對(duì)徑向游隙的影響 mm

(2)轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承的徑向游隙不僅受到內(nèi)外圈溝底直徑和球徑的影響，還與溝曲率半徑及溝曲率中心偏心距相關(guān)。

(3)轉(zhuǎn)盤四點(diǎn)接觸球軸承徑向游隙變動(dòng)量與球徑變化量為非直線型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，球徑偏差越大，其對(duì)軸承徑向游隙的影響也就越大，并且在相同球徑偏差的情況下，原始設(shè)計(jì)接觸角越大，徑向游隙的變化量也越大。

[1]岡本純?nèi)? 球軸承的設(shè)計(jì)計(jì)算[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[2]Harris T A, Kotzala M N. 滾動(dòng)軸承分析[M].羅繼偉，馬偉，楊咸啟，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]萬長(zhǎng)森.滾動(dòng)軸承的分析方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.

(編輯 汪 藝)

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Effect of ball diameter gauge on slewing four point contact ball bearing radial clearance

ZHANG Zhenqiang①②③, ZHU Chuanfeng①②③, YIN Yanjing①②③, YANG Haoliang①②③, AO Zhenghong①②③

(①Luoyang Bearing Science & Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, CHN;②Henan Key Laboratory of High Performance Bearing Technology, Luoyang 471039, CHN;③Strategic Alliance for Technology Innovation in Rolling Bearing Industry, Luoyang 471039, CHN)

In the process of four point contact ball bearing assembly, the relationship between the variation of bearing radial clearance and the change quantity of ball diameter is not clear, in order to guide bearing production better, this paper analyzes and calculates the relationship above. The results show that the radial clearance of the four point contact ball bearing is affected by not only the groove bottom diameter and the diameter of the rolling body, but also the gully radius of curvature and curvature center eccentricity. The radial clearance and ball diameter variation is not linear corresponding relation, under the condition of the same ball diameter deviation, the greater the original contact angle, the greater the amount of radial clearance change and vice versa.

ball diameter deviation; four point contact ball bearing; radial clearance

TH161.5

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.027

2016-04-12)

161134

* 國家863 計(jì)劃: 機(jī)器人用精密軸承研制及應(yīng)用示范( 2015AA0403004)