角接触球轴承设计方法 1 主题内容和适用范围 本设计方法适用于外圈带琐口的特轻(1)、轻(2)窄、中(3)窄系列的36000、46000型 及内、外圈均带琐口的轻(2)窄、中(3)窄系列的66000型角接触球轴承的产品设计。 轴承名称 分离型角接触球轴承 角接触球轴承 锁口在内圈上的角接触球轴承 成对双联角接触球轴承 2 代号与含义 KDW ：钢球直径系数 F0 ：轴承径向额定静负荷系数 fc ：轴承径向额定动负荷系数 kd ．套圈挡边直径系数 新代号 S71900 S7000 S7200 71900c 7000 7000AC 7200C 7200AC 7200B 73000C 7300AC 7300B B7000C B7000AC B7200C B7200AC 71900C／DB 71900C，DF 71900C／DT 7000C／DB 7000C／DF(T) 7000AC／DB(F，T) 7200C／DB(F，T) 7200AC／DB(F，n 7200B／DB(F，T) 7300C／DB(F，T) 7300AC／DB(F，T) 7300B／DB(F，T) 旧代号 1006900 6loo 6200 1036900 36l00 46100 36200 46200 66200 36300 46300 66300 136100 146100 136200 146200 1236900 1336900 1436900 236100 3(4)36100 2(3，4)46100 2(3，4)36200 2(3，4)46200 2(3，4)66200 2(3，4)36300 2(3，4)46300 2(3，4)66300 kt、δt ：装配锁口高度系数 Kpi、kpe：内、外圈滚道直径系数 εi、ε e：实体保持架内、外径引导间隙 kc ：实体保持架内、外径系数 3 设计要点 整篇文章把dn≥0．6×10^6的称为高速，dn≥1．8×10^6的称为超高速。 结构形式 优 点 缺 点 采用公司 单挡边外圈有利于外圈沟道 SKF-7000 外圈单挡边、内多 FAG-B7000 圈双挡边．保持余润滑剂流出，不仅减小润滑 架外引导 剂 NSK-7000 搅动摩擦．而且有利于降低接 GMN-S6000 触 保持架内径减小，相该结构一般根少 外圈单挡边、内与上面相比，由于采刚内圈烈应钢球数减少，轴承采用 圈双挡边，保持挡 刚度减小，同时润滑 架内引导 边引导保持架，运动平稳。 剂不易进入内圈沟 GMN—S6000TB NSK．BNC系列 内外圈均为单挡集中了单挡边内、外圈结构的保持架受力不平衡 SNFA_VE系列 边结构，保持架优 GMN—SH6000 外引导 点是超高速轴承首选结构 与上述结构相比。外 内圈单挡边、外 圈沟道滞留过多润 SKF．7000CC 圈双挡边，保持保持架受力平衡，也适用于超滑剂，增加了搅动阻 SNFA-V系列 架外引导 高 力，不易带走摩擦我国一B7000系 速运转 热 列 而降低轴承温升 对要求高刚性的高速应用场合，不宜采用内圈引导保持架结构和内圈可分离结构。 3、1 角接触球轴承的钢球公称直径、球数和中心圆直径在满足一定的约束条件下，使球轴承尽可能获得最大的额定动负荷容量，但对于高速球轴承亦可适当减小球径、增加球数量。 3、2角接触球轴承有双挡边的套圈和深沟球轴承相应规格的套圈应通用，但46100系列轴承的套圈挡边直径按深沟球轴承设计方法取。 3、3角接触球轴承内、外圈滚道曲率半径同深沟球轴承相应规格的套圈滚道曲率半径，但对于高速轴承，其套圈滚道曲率半径系数可适当增大。 3、4角接触球轴承通用深沟球轴承内圈时其保持架采用内引导，通用深沟球轴承外圈时其保持架采用外引导，高速轴承采用外引导。 表b 结构参数对高速性和刚性的影响 高速精密角接触球轴承，自旋滑动产身的摩擦力矩占轴承摩擦力矩组人比 接触角a 例。减 小a，有利于降低轴承发热，从而提高轴承的运转速度。因此，所有的轴承制造 钢球直径Dw 曲率半径fi、fe 商，超高速精密角接触球轴承只采用15接触角，而25接触角的精密角接减小单个钢球直径，仅对接触刚度系数产生微弱的影响．但对一套轴承．而言， 意味着增加钢球个数，将显著增加轴承的径向、轴向刚度和角刚度。并有利于减 小高速轴承的摩擦力矩，即减少摩擦温升，从而在同样的温升下可以提高从减少摩擦、提高旋转速度方面而言，内周应尽量采用较大的fi,而外圈o。采用较小 的fe。但fe减小，不利于润滑剂带走摩擦热，fi增大，将增大自由状态F的轴向 在不同的旋转速度F，都存在一个对应的最小预紧力，在大于最小预紧力 预紧力的影响 前提下， 轴向预紧力越小，轴承的运转速度越高。在超高速应用场合，推荐采用样本上给 出的预紧载荷。FAG公司给出了在轻、中、重预紧状态下的极限转速减小 轴承精度 SNFA公司样本给出精度等级为ABEC9(P2，超高速)，ABEC7(P4，超精密级，高速)，ABEc5(P5，精密级，高速)时，轴承极限转速系数分别为1.1、1.O和 0 .9。轴承精度对刚度没影响，但精度越高，轴承Hq性略有改善。 高速精密角接触球轴承通常采用油雾润滑、油气润滑或脂润滑。脂润亍骨或油雾润 滑适用于高速．油气润滑或油雾润滑适用于超高速。脂润滑的极限转速为油雾润 在高速应用场台，为提高主轴的承受载荷能力，可采用配对安装的方法，包括DF、 DB和DT。成对安装将降低运转速度，大部分轴承样本给出的极限转速减小l、超高速：宜内、外围单挡边或内圈单挡边，外圈双挡边，保持架外引导2、高速：宜外圈单挡边、内圈单挡边，保持架外引导 3、超高速：小接触角，轻载荷预紧，采用油气润滑或油雾润滑，P2级 4、高刚性应用场合：大接触角，中、重载荷 5、减小钢球直径和加大内、外圈沟道半径，不仅有利于提高轴承的极限转速，而 且也将提高轴承的刚性 润滑方式 配对方式 结论 对微型轴承而言，其引导间隙和兜孔间隙之比必须小于1。(1：1.28) 4 主参数的确定 4、1轴承的外型尺寸d、D、B、rs、rls以及接触角α应符合GB292的规定 4、2钢球中心圆直径P，钢球公称直径Dw，球数z的初算： 取值精度 允差 P'=0. 5(d+D) O.0l Dw’=KDw'(D d) KDW'见表1 0.0001 表1 KDW'值 直径系列 KDW' Z'=πP'／Kz X Dw' 表2 KZ值 钢球公称直径 Kz 金属保持架 胶木保持架 ≤15 1.01+1.5/Dw 1.01+1.9/Dw ＞15 1.11 1.134 1 0.3 2 0.31 3 0.317 4.3约束检验 计算所得Dw，z值必须与一般规定中表52中的英制球径相对应，特例除外。同时Dw应符合以 下约束条件： (1) Kemin≤Dw／(D-d)≤Kemax， (2)Kc X Dw≤0．96B 表3 Kemin，Kemax值 1 2 3 36000,46000 Kemin 0.27 0.27 0.27 Kemax 0.32 0.32 0.32 0.29 0.30 660000 Kemin Kemax 0.33 0.335 “C”型冲压保持架：Kc=2.8/Dw+1.12 实体保持架： Kc=1.14／Dw+l.20 πP／(Dw X Z)≥Kz Kz见表2 初算的P'若不满足约束条件，则可按步长O 002(d+D)逐步增大P'值，但最大不超过0.5l(d+D) 。当约束条件同时成立时，则接着进行计算，否则继续进行约束检验，最后确定P、Z。 Dw、z值的最终确定根据具体情况请考虑最大的额定负荷的获得，及表b 配套用钢球公差等级的确定(引自JB／T 10336) 轴承公差等级 2 4 5 6、0 钢球公称直径 超过 - 18 - 18 - 18 - 18 30 50 到 18 30 18 30 18 30 18 30 50 80 钢球公称直径 球轴承（外球面除外） G5 G10 G10 G16 G6 G20 G!6 G20 G24 G28 G20 G24 G28 G40 外球面 通用0000型内圈时：P=di+Kpi*Dw 0.001 通用0000型外圈时：P=De—Kpe*Dw 0.001 表4 Kpi，Kpe，Kt，Kc值 a Kpi Kpe Kt 15 1.00102 1.0017 1 25 1.00281 1.00468 1 40 1.00702 1.0117 0.6 针对不同的接触角a（例如a=12），Kpi、Kpe 有一计算公式如下： Kpi=2fi-(2fi- 1)COSα 公式a Kpe=2fe-(2fe—l)COSα 公式b 4．4额定动负荷cr的计算 (1)当Dw≤25．4mm 时 Cr=fc(i*COSα)^0.7 X z^(2/3) X Dw^1.8 (N) (2)当Dw>25．4mm时 Cr=3．7 fc(I X COSα)^0.7 X z^(2/3) X Dw^1.8 (N) 一般取整 4．5额定静负荷Cor的计算 C0r=12．3 iZDw^2 COSα (N) 5 套圈的设计 5．1套圈沟道曲率半径的计算 长期的经验和实验证明，深沟和角接触球轴承若要 处于良好的工作状态，沟曲率半径与球半径之比应大于 2％。内、外圈沟曲率半径之差应保证在0．02左右。 Q/LZA001 (1)对一般低转速角接触球轴承而言 表内圈沟道曲率半径Ri： Ri=0．515 Dw 0．01 对于外圈沟道曲率半径Re： Re=0．525 Dw 0．01 级轴承，应 (2)GMN高速电主轴轴承(特例)： 将内圈沟道曲率半径Ri：Ri=O．515Dw 17 对应外圈沟道曲率半径Re：Re=0．510Dw 差压缩至 (3)高速及超高速角接触球轴承 +0． 众多文献分析表明，在外圈沟道控制前提下，钢球 于保证轴承 的旋滚比随内圈沟道fi的增大而增大，随外圈沟道fe 的接触角。 的减小而减小。从减少摩擦热、提高旋转速度而言，内 圈应尽量采用较大的fi，外圈应尽量采用较小的fe。但 外圈fc的减小，不利于润滑剂带走摩擦热，内圈fi增大， 将增大自由状态下轴承的轴向游隙。因此，fi=0．54～ 0．57， fe=0．52～0．55为沟道曲率半径系数的最佳变化范 围 内圈沟道曲率半径Ri：Ri=(O．54～O．57)Dw 外圈沟道曲率半径Re：Re=(0 52～0．55)Dw (4)为降低振动和躁声，公差采用对称分布的双向 公差，同时适当压缩了公差值，减少了尺寸的离散度， 有利于轴向游隙的控制。 5 2内圈滚道直径的计算 52 P4、P5 Dw≤φ R公 03，有利 内圈滚道直径di：di=P—Kpi×Dw 0.001 见表5 通用0000外圈时：di=De一(Kpi+Kpe)Dw 0.001 见表5 外圈滚道直径di． De=P+Kpe X Dw 通用0000内圈时：De=di+(Kpi+Kpe)Dw Kpi、Kpe值见表4 表5 di、De的允差 d 超过 到 允差（±） 一 30 30 80 80 120 120 180 180 250 0.04 250 315 0.05 315 500 0.06 50 0 0.0 7 在设计高精度角接触球轴承(P4级)时，内、外圈之一可能结构型式同0000型， 但通常不会有通用的0000型套圈来替代，因此内、外圈滚道直径需根据几何关 系来计算，而上述公式中将不可用。此时： di=P+(2Ri—Dw)cosα一2Ri=P-KpjxDw De=P—( 2Re--Dw) cosα+2Re=P+KpexDw 式中Kpi、Kpe可查表4，也可根据接触角α利用公式a和公式b计算，推荐利用计算方法。 5 3套圈挡边直径的计算 内圈挡边直径d2：d2=di+Kd X Dw O．1 Q／LZA001 外圈挡边直径D2：D2=De—Kd X Dw O．1 表16 通用0000型内圈或外圈时，d2或I)2可按0000类尺寸取。Kd值见下表6 表6 Kd值 a Kd 15 0.4 25 0.4 40 0.5 0.015 0.02 0.025 0.03 若为双列角接触球轴承，a=40时，考虑Kd=O．61 5．4套圈滚道中心至基准端面的距离的计算 内圈滚道中心至基准端面的距离ai： ai=0.5B+(Ri一0．5Dw)sinα-2δ 0．01 外圈滚道中心至基准端面的距离ae：， ae=0.5C+(Re一0．5Dw)sinα-2δ 0．01 通用0000类内圈或外圈时： ai=0．5B或ae=0．5C 0．01 ae(ai)=0 5B(c)+(Ri+Re--Dw)sinα-2δ 式中δ为滚道位置的上偏差， δ的作用为防止装配高超差 ae，ai实际影响装配高，对接触角无影响；只要T 合格，不论ae或ai初始值多少，确定一个即确定了另 一个，且最终数值需根据T的6．2进行些许调整，因此 上述公式ae(ai)具有参考意义。 表7 ai、ae的允差 d 超过 到 允差（±） - 18 0.02 18 30 30 50 50 80 0.04 80 120 120 250 250 315 0.07 315 500 0.08 0.025 0.03 0.045 0.06 高精度角接触球轴承(P4级)的沟位置公差要压缩， 可考虑d=150时，允差为±O．03，其余自己掌握。ai、 ae影响装配高T和沟形公差，对接触角α无影响。 ai-ae=(Re+Ri-Dw)sin a 5．5 装配锁高度t的计算 t=O. 00053De+Kt×Dw+δt Kt见表8表 0.01 见表12 表8 Kt值 a Kt 内径d δt 超过 到 —— 55 0.03 55 120 0.05 120 —— 0.08 15 0.00206 25 0.00484 40 0.01139 非装配锁口高度为2t，允差为一0 5t，2t≥0．6mm，采用 直径方向标注。装配锁口与非装配锁口处的倾斜角度为3±30’。 表12 t的公差 t 允差 超过 到 - 0.07 -0.01 0.07 0.10 -0.01 0.10 0.20 -0.02 0.20 0.29 -0.03 0.29 0.39 -0.04 0.39 ～ -0.05 装配锁口高度的验算(参考) 最大锁量应满足下式： Ymax=2tmax-gmin-0．001062 De 表9 Ymax值 内径d 超过 —— 30 80 到 30 80 —— 0.04 0.05 0.06 0.06 0.10 0.14 0.06 0.12 0.15 0.08 0.14 0.16 36000 46000 662000 66300 最小锁量应满足下式： Ymin=2train-gmax 且不得超过表lO的规定 表10 Ymin值 内径d Ymin 超过 到 —— 30 0.03 30 80 0.05 80 —— 0.07 当接触角a=40 时，根据上述计算公式计算出的锁口深度t值偏小，必须用下述公式进行修正。 −2Remin−gmax)gmaxtmin=(2Demax （外圈锁口） 2(Demax−2Remin) 当轴承发生内、外圈相对转动时而不散套且此时 Demax、Remin、gmax恰巧同时发生，概率极小， 因此上式可作为锁E1深度t的上限。用这种方法给出的 锁13深度t还必须在试制时进行试装，作必要调整。 +2Ri+g)gt=(2di 2(di+2Ri) (内罔锁口) 5．6标志尺寸的计算 轴承通常在外圈端面上标志，标志字高根据he按Q／LZ表44选取 6 配套径向游隙和装配高的计算 6．1配套径向游隙g gmax=2(Rimin+Remin-Dw)(1--COSαmax) gmin=2(Rimax+Remax--Dw)(1一COSαmin) 理论上依据此公式可保证在Rimin～Remax范围 内任意配对，在保证gmin～gmax前提I-100％接触角 的配套率，而无需检测。但在游隙gmax—gmin<0．01 时可试着将公式中Rmin和Rmax互换以增大游隙。 定制外圈(或内圈)，保证游隙的情况下，依靠R 的变化来获得不同的接触角。接触角a的验算 gDe−di−2Dwcosa=1−2Dw=1−(Ri+Re−Dw)2(fi+fe−1) 6．2装配高极限尺寸按下式计算 Tmax=aemax+aimax-(Rimin+Remin-Dw)sinαmin Tmin=ae min+aimin--(Rimax+Remax--Dw)sinamax 装配高名义尺寸同B，其公差应符合JB／CQl3中表3的规定 装配高超差可调整带锁口套圈的沟位置。 外圈带锁口：利用装配高公式计算出ae max和ae min， 得ae=O 5(aemax+acmln) a的允差：15为±3．5 25为±4 40 为±4 5 7实体保持架的设计 7．1实体保持架内径Dei及外径De的计算 通常情况下 保持架旋转以内圈挡边引导时 Dci=d2+εi 引导面尺寸公差加严两档 Dc=Dci+Kc×Dw Kc见表11 表11 Kc值 a Kc 15 1 25 1 40 0.6 保持架旋转以外圈挡边引导时 De=D2一εe 0.01 Q/LZA001 Dei=De—KcXDw Ke见表11 0.1 表35 εi，εe见表12 表12 引导问隙 引导挡边直径 超过 到 -- 30 0.15 0.2 30 50 0.2 0.3 50 80 0.25 0.4 80 120 0.3 0.5 120 180 0.35 0.6 180 260 0.4 0.7 260 360 0.45 0.8 360 500 0.5 1.0 内引导εi 外引导εe 7 2保持架兜孔直径△c按Q/LZA001中表53选取 (亦可根据△c=1.004Dw+0．12计算) 0.01 在轴承高速旋转时，对保持架兜孔直径△c及其引导 间隙提出了特殊要求，随保持架直径大小而异。洛阳轴 承研究所多年来在主轴轴承领域的国内领先地位，得益 于超越国内各单位的保持架先进的设计理念和完善的 实验验证手段，下表为其公开发表的保持架结构参数推 荐表。表中Ae为兜孔间隙与外引导问隙之比，Be为兜 孔直径与钢球直径之比，两者直接影响轴承的动态稳定 性。B7004C／P4：Ae=1 14，Be=1．05；B7005C：／P4：Ae=l 13， Bc=l 05，主轴实验结果良好。 保持架结构参数推荐表 轴承型号 Ac Bc 备 注 7000 1 10～l.5 l 04～1 06 比值大的适用于大内 B7000 1.10～1.5 1 .05～l 07 径尺寸的轴承 7200 1.11～1.16 1 03～l 04 建议高速轴承(此处指dn≥1．0X10^6)采用椭圆兜 孔保持架。因径向载荷较大时，保持架和钢球的运动特 性使得保持架采用常规的圆兜孔时，球和兜孔表面可产 生激烈碰撞，产生大量的摩擦热和严重的兜孔磨损，并 严重时导致保持架断裂和轴承烧伤。椭圆兜孔则在加大 球与兜孔的环向间隙的同时，稳定了轴向间隙，使得润 滑油更容易流过兜孔，使保持架有效冷却，又避免了保 持架兜孔侧壁强度的减弱以及保持架轴向不稳定性。 保持架材料采用与轴承内、外圈膨胀系数相近的铜材。 附表有经过几十年检验的航发轴承保持架椭圆兜孔尺寸及形状示意图。 同时保持架内径处倒角可适当加大。 7 3保持架宽度Bc的计算 金属实体保持架：Bc=1 14+1．2Dw 0.1 Q/LZA001 胶木保持架：Bc=B一(0．04Dw+O．4) 0.1 表7．4保持架兜孔中心至基准端面的距离Be’的计算 Bc’=O．5Bc 0.01 0.5Bc 7．5保持架兜孔间最小梁宽s的计算 S=DciX sin[180／Z—Sin^-1( △c／Dci)] 0.1 S必须满足以下验算值： 金属实体保持架：S≥0．1Dw≥1mm 胶木保持架：S≥0．15Dw≥1．5mm s值满足上述要求可采用直兜孔，否则采用球兜孔及其它形式， 若仍采用直兜孔，保持架内径兜孔处应开一环形槽，槽宽O．5ae， 槽深不超过0．1(Dc--Dci)，环形槽倒角45。。 7．6实体保持架中心圆直径Dcp的计算 Dcp=P 其允差Dcp<500时±0．05 Dcp≥500时±0．1 7．7保持架两球兜孔中心问的距离C的计算 采用直兜孔时：C=Dcp* sin(180。／Z) 0.001 采用球兜孔时：C=Dcp*sin(180。／Z) 其允差Dcp<500时±0.1 Dep≥500时±0.15 7．8保持架球形兜底与内圆柱面相交的弦长J的计算 J=c2−(Dcp−Dci)2 7．9实体保持架内、外圆柱面与端面倒角的选取按 Q／LzA00l表4l选取 35 的允差 图1 图2 如图示为我已知道的椭圆兜孔尺寸及形状示意圈，其所用轴承型号dn一般不低于0．6 x10^6，且多大于1×10^6。 表一 表二 型号 Dw Rl al Dw a2 b R2 110L 11／ 4.45 9．4+0.2 7／ 11.9+0.2 11.37+0.11 5．69 32in 16in 22.9+0.28 1／4in 6.5/2 6．8+0 2 27／ 21.7+0.14 10.85 7000110L 32in 20.3+0.28 119Q 9／ 14.5／2 3／4in 19.3+0.14 7000101Q 16in 3／16in 3／ 15．2+0. 4.9／2 5.3+0.2 4.9／2 5．3+0.26.8+0.2 5／8in 16.9+0.24 16.1+0.1 8.05 11／18.6+0.28 17.7+0.12 8.85 31／13.1+0.24 12.5+0.12 6.25 1／4in 6.5+0.1 7000104Q 0.1 9．4+0.2 in 109Q 11／32 8.9十 7／8in 22.5+0.14 11.25 in 23.7+0.28 0.12 7.7 60722 3／4 19.3／2 19，32_n 15.4十 29/ l000832L in 注：表1的数据对应图1 表2的数据对应图2。 11.7／2+0.12 12.3。。00‘ 13／ 2l+0.14 10.5 16in 22.1+0.28 3/2in 40.4+0.34 38.5+0.17 19.25
