滾珠絲杠用60°角接觸球軸承支承結構分析與壽命計算

摘要：滾珠絲杠副屬于精密傳動部件，為了滿足高精度、高剛度進給系統的需要，滾珠絲杠傳動機構固定端必須選用軸向剛度高、摩擦力矩小、運轉精度高的60°角接觸球軸承，以組配方式來承受由軸向負荷、徑向負荷合成的外載負荷，并對60°角接觸球軸承進行選型與壽命計算。

關鍵詞：60°角接觸球軸承;滾珠絲杠傳動;軸承組配方式;壽命計算

0 ?引言

滾珠絲杠機構屬于精密傳動部件，機構的剛性對傳動精度影響重大，為滿足數控機床進給系統高精度、高剛度的需求，除了應選用高精度、高剛度的滾珠絲杠副外，還必須選用軸向剛度高、摩擦力矩小、運轉精度高的軸承。滾珠絲杠傳動機構的載荷主要是軸向載荷，徑向載荷指的是絲杠自重，所以滾珠絲杠軸承專門設計成60°大接觸角的高剛度推力角接觸球軸承，它是一種高剛度、低扭矩、高精度、能承受很大軸向負載的特殊角接觸球軸承，專門用于滾珠絲杠固定端的支承。60°角接觸球軸承的接觸角α如圖1所示，軸承能夠承受的軸向載荷與滾珠數量、滾珠載荷、接觸角α之間關系為“軸向載荷=滾珠數量×滾珠載荷×sinα”。在滾珠額定載荷一定的前提下，滾珠數目越多，接觸角α越大，軸承能夠承受的軸向載荷就越大;在軸向載荷一定的前提下，接觸角α越大，則單個滾珠承受的載荷就越小，因此產生的彈性位移量也越小，即軸承的軸向剛性越高，壽命越長。

普通角接觸球軸承的接觸角為15°～40°，以承受徑向載荷為主，60°角接觸球軸承以承受軸向載荷為主，軸承的軸向剛性比普通角接觸球軸承提高兩倍以上。60°角接觸球軸承增加了滾珠數量，滾珠數量比深溝球軸承多，負荷容量在球軸承中最大，同時相應減小了滾珠直徑，使軸承具有很低的啟動扭矩，其摩擦扭矩比圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承都小，用很小的驅動力就可以獲得高精度的回轉運動，能在較高的轉速下工作，獲得穩定的回轉性能。60°角接觸球軸承采用了不可分式設計，選用TN玻璃纖維增強尼龍66保持架，工藝性好重量輕，自潤滑性能好，軸承規格型號有7602系列及7603系列，如760201TN1～760226TN1、760304TN1～760326TN1，主要用于需要精密軸向定位和重復定位精度的工況，例如數控機床進給系統絲杠支撐。

1 ?角接觸球軸承組配方式

因為單只角接觸球軸承只能承受一個方向的軸向載荷，所以必須與第二只角接觸球軸承組配使用，組配使用可承受雙向軸向負荷與徑向負荷合成的外載負荷，角接觸球軸承基本組配方式有三種：背靠背、面對面和串聯（同向），如圖2所示，組配列數有兩列組配、三列組配、四列組配，主要由軸承承受的載荷大小確定，如圖3所示。

①背靠背組配（DB）：DB組配受力作用線向外發散，軸承間的有效支點距離增大，能夠承受雙向軸向載荷和徑向載荷，并有較大的承受傾斜力矩的能力。

②面對面組配（DF）：DF組配受力作用線向內收斂，軸承間的有效支點距離縮小，能夠承受雙向軸向載荷和徑向載荷，但承受傾斜力矩的能力較差，并會較多地降低軸承的極限轉速，一般適合于需要精密調心的場合。

③串聯裝配（DT）：DT組配受力作用線平行，只能承受單向軸向載荷與徑向載荷，如果有反方向的軸向載荷，則需要由另一組，面向相反的軸承來承受。

由于角接觸球軸承的安裝具有方向性，為了避免在組合裝配時裝反，角接觸球軸承外圈表面壓印有“V”形標記，軸承組配后能夠形成“V”字即說明排列正確，如圖3所示。

2 ?滾珠絲桿傳動機構固定端支撐

滾珠絲桿傳動機構固定端也稱固定側，常用的是BK系列（方型固定座），型號有BK10～BK40，圖4為固定端支撐單元典型結構，固定端支撐單元將軸承、軸承端蓋、壓蓋、鎖緊螺母、T型骨架密封、軸承座等零件集成，制成整體外購件。固定端選用60°角接觸球軸承以組配安裝方式構成支承，軸承經預壓出廠，保證軸向零間隙、高剛度，軸承軸向、徑向均能承受約束承受載荷，并可用內外圈的相對位移調整軸向游隙，使用時用軸承端蓋、鎖緊螺母分別將軸承外圈、內圈壓緊，調整預壓，提高剛性。滾珠絲杠傳動機構一般以固定端作為驅動端，并作為軸向位置的基準，尺寸鏈及誤差計算都由此端開始。固定端軸承座內預封潤滑脂，支撐軸外徑公差取h5，軸承座孔公差取H6。

固定端鎖緊螺母對軸承及絲桿進行軸向固定，提高剛性，鎖緊螺母專門設計有緊定螺釘及保護墊片（銅片），緊定螺釘通過保護墊片將鎖緊螺母緊緊壓在滾珠絲杠上，得到完全沒有松動的固定，圖5為典型的鎖緊螺母結構。鎖緊螺母材料為鉻鋼，調質熱處理后硬度可達HRC38-42，鎖緊螺母端面與軸承端面緊密貼合，端面經磨削加工，平面度、垂直度均可控制在0.01mm以內。

固定端支撐除了選用60°角接觸球軸承外，也可選用圓錐滾子軸承、雙向推力角接觸球軸承、圓錐滾子軸承與深溝球軸承組合、推力球軸承與深溝球軸承組合、推力滾子軸承與滾針軸承組合，這些軸承及組合的特點比較見表1。

3 ?滾珠絲杠用60°角接觸球軸承選型與壽命計算

3.1 軸承選型

根據滾珠絲杠設計計算可知，滾珠絲杠選用南京工藝裝備制造有限公司的內循環浮動法蘭式、直筒雙螺母墊片預緊的滾珠絲杠，型號FFZD4008-5，其公稱直徑為40mm，滾珠絲杠軸系組件的軸向固定采用兩端固定支承結構，軸承選用兩只60°角接觸推力球軸承背對背組配，因滾珠絲杠小徑為34.9mm，所以取軸承內徑30mm，查閱60°角接觸球軸承手冊，軸承型號定為7602030角接觸球軸承。

3.2 軸承壽命計算

60°推力角接觸球軸承的壽命計算與一般軸承相同，先計算軸承當量動負荷，徑向負荷Fr=1000N，軸向負荷Fa=2274N，X、Y為當量動負荷因數，根據的比值查取，具體見表2。

3.2.1 計算軸承當量動載荷P

3.2.3 校核軸承

查閱60°角接觸球軸承手冊，7602030角接觸球軸承的額定動載荷Cr=26000N，額定靜載荷C0r=56000N，因為，所以選用60°角接觸球軸承7602030承載能力足夠。

3.2.4 軸承預加負荷

根據滾珠絲杠設計計算可知，軸承所承受的最大軸向載荷FBmax=7024N，軸承實際承受的預加負荷，查閱60°角接觸球軸承手冊，7602030角接觸球軸承的額定預加負荷Fv=2900N，因為，軸承額定預加負荷大于軸承實際承受的預加負荷，所以選用60°角接觸球軸承7602030合適，軸承經預壓處理后軸向零間隙、高剛性。

參考文獻：

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[3]鄭紅.RV減速器擺線輪零件加工工藝設計探討[J].價值工程，2015-08-18.

基金項目：本文系溫州職業技術學院教學建設與研究項目《新工科背景下高職本科機械工程專業人才培養體系構建與實踐——以溫州職業技術學院為例》（WZYZD201902）課題建設階段性研究成果。

作者簡介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業技術學院機械系副教授，高級工程師，碩士，主要研究與教學方向為機械設計與數控工藝。