一種配對角接觸球軸承預緊量控制方法

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緊方法，根據驅動機構常用預緊結構形式，重點針對其預緊量精密控制方法進行了研究、試驗，并通過啟動摩擦力矩對預緊力的合理性進行了驗證。

關鍵詞：角接觸球軸承；預緊；測量

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

1 前言

成對、施加預緊力的角接觸球軸承，既能提高支承剛性，又能提高旋轉精度，減小振動，因而在航天、航空等領域的驅動機構、慣導平臺等結構中得到廣泛應用。

雖然配對角接觸球軸承具有較多優點，但預緊力大小卻對軸承性能有著極為重要影響。預緊力過大，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；預緊力過小，情況相反。因此，裝配過程中，施加合適預緊力，可有效地防止鋼球發生公轉打滑和陀螺旋轉，從而減小摩擦和發熱，延長使用壽命。

2 驅動機構中常用預緊結構形式

2.1 角接觸球軸承預緊方法

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

定壓預緊：采用螺旋、碟形彈簧等使軸承得到合適預緊。預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，預緊量基本不變。

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

2.2 驅動機構典型結構形式

如圖1所示，為提高驅動機構剛性和抗變形能力，角接觸球軸承采用背靠背形式配置使用；并且采用內、外圈隔套進行定位預緊。

驅動機構在航空、航天領域中，屬于高精度軸承支承系統，對軸承實際所承受預緊力精度要求較高，不允許多次往復拆裝。通常，設計師根據運轉速度、工作載荷等實際工況確定預緊力大小和精度。因此，在裝配前，根據預緊力大小，精確測量出預緊力狀態下的軸承軸向位移量，進而確定內、外隔套厚度差值。

3 預緊量的精密控制方法

3.1 預緊量測量原理分析

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。軸向預載荷作用下，套圈會進一步偏移一定位移量δa。因此，在受軸向預緊載荷作用下，角接觸球軸承軸向位移量為：δ=δ0+δa。

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

3.2 預緊量測量

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

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

3.3 配對軸承預緊力控制

實際生產過程中，軸承自身厚度誤差、凸出量、零件加工公差均會對預緊效果造成影響，因此必須對軸承內、外圈尺寸鏈進行分析，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）

軸承內圈尺寸鏈：b=b1+B內+b2+b內端蓋 （2）

軸承背對背配置時，內隔套厚度小、外隔套厚度大。通常保持外隔套不變，修配內隔套厚度，它們之間的尺寸關系為：B外=B內+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構形式，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緊力

由于角接觸球軸承預緊測量會受到設備系統誤差、測試誤差、軸承精度等多種因素影響，配對軸承預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緊力進行驗證是十分必要的。

研究表明，成對角接觸球軸承在結構形式、參數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關系，可將預緊力作為軸向載荷來考慮，對施加預緊力的軸承啟動摩擦力矩進行計算，與實際摩擦力矩比較，判斷軸承內部實際預緊力[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—軸承節圓直徑（mm）；μ—摩擦系數（0.0012～0.0015）；F—軸向預緊力。

以角接觸球軸承（71805C/P4）為例，dm=31mm。加載預緊力（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。結果表明，實際摩擦力矩與理論值基本一致，說明實際施加預緊力符合設計值。

5 結語

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

參考文獻

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

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

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