角接触球轴承设计方法

角接触球轴承设计方法

优化设计目前已有很多成熟的方法，对于维数不高的具有离散型变量的设计系统，用网格法来进行优化筛选是方便的，该方法将设计变量直接在标准值上进行离散，使设计空间成为一个网格系统，然后在每一个网点上进行约束检验与有关计算，从中可挑选出最佳点，如果将以往的设计经验作为参考点，则优化只需要在附近的局部空间中进行，这便是“局部网格法”的思想。

1主参数优化

角接触轴承的优化设计原则是确定Dw、球数Z和球组中心圆直径Dwp 在满足一定约束条件下，使轴承的额定动载荷尽可能地大。

目标函数

在充分保证轴承的使用性能的前提下，以轴承径向基本额定动载荷Cr 最大为目标函数。根据GB/T6391的规定：

当Dw≤25.4mm时，

约束条件

①球径约束：

②球数约束：

上式表明Kz随Dw的增大而减小，但应满足：Kz≥Kzmin

根据设计经验和国外样品分析，可取

对金属保持架bmin=1.5，Kzmin=1.11

对胶木保持架bmin=1.9，Kzmin=1.134

Kz值

保持架结构示意图

注：若②式不成立，则可按步长0.002（D+d）逐步增大Dwp值。

③球组中心圆直径约束

为保证轴承套圈的最小壁厚不小于0.09（D-d），球组中心圆直径受下式

约束：0.5（D+d）≤Dwp≤0.515（D+d）④

K B ×Dw≤0.96B “C”型冲压保持架

K B = 2.8Dw +1.12

实体保持架

K B=

1.14

Dw

+1.202

局部网格法

2.1

当已知轴承的外形尺寸内径d 、外径D 、宽度B 和公称接触角α（GB/T292）以后，根据设计经验确定球数、球径和球组中心圆直径Z 0，Dw 0，Dwp 0：Dwp 0=0.5（d+D），

Dw 0=Kw＇（D-d），Z 0=

π×Dwp 0

Kz×Dw 0

其中Kw＇按下表采用，Kz 按上面的表（Kz 值）采用。

Kw＇值

直径系列123Kw＇

0.3

0.31

0.317

2.2

将Z 和Dw 各取N 档数值（N 为奇数，一般为5或7），这样就构成一个N×N 的二维网格系统，每个网点的坐标Dwi 和Zj（i，j=1，2，3…，N）

按下式取值：

设常用钢球表中的每档球径为D T

wk （K=1，2，…，M，其中M 为球径总数），将Dw 0与D T

wk 按由小到大的顺序逐一进行比较，一旦Dw 0≤D T

wk 成立，则停止比较，并记下此时的K 值，则

3设计参数的研究

一般的轴承设计，如果单纯追求轴承的额定动载荷能力，在限定的轴承横截面积内，一味加大钢球直径和增加球数是不现实的，必须对轴承进行精心的设计，在充分利用轴承横截面积的情况下，选择最佳的结构参数，改善轴承零件接触应力分布状态，采用有利于润滑油膜形成的最优接触形状，来提高轴承的使用性能和使用寿命。

接触角

接触角是接触球轴承的重要设计参数，它对轴承内部的载荷分布、运动关系、摩擦、润滑等都有重要影响。

目前，国内外通用角接触球轴承的公称接触角多为15°、25°和40°三种。过去大多采用控制径向游隙和装配高的方法来控制接触角，然而角接触球轴承径向游隙本身存着很大的测量误差，而且接触角不仅与径向游隙有关，还与内、外沟曲率半径和球径有关，因此仅用控制径向游隙的方法来控制接触角很难达到预期的要求。

本次设计通过大量的分析计算，确定了径向游隙和接触角的关系，给出适用的配套径向游隙计算公式，确定了接触角的允差，见下表：径向配套游隙计算公式：

最小径向游隙gmin：gmin=2（Rimax+Remax-Dwmin）（1-cosαmin）

最大径向游隙gmax：gmax=2（Rimin+Remin-Dwmax）（1-cosαmax）

按以上公式计算出的径向游隙进行配套，其接触角允差基本落在规定的范围之内。

接触角α的允差

α

Dw(mm)

α的允差超过到

15°

4.55±3.5°

545±3°

25°

4.57+3°/-5°

745+2°/-4°

40°745+3°/-6°

沟道曲率半径Ri、Re（允差见附表）

沟道曲率半径可表示为Ri=fi×Dw，Re=fe×Dw

其中fi、fe分别为内、外圈的沟曲率半径系数。过去我国深沟球轴承一直采用相等的曲率系数。即fi=fe=0.515，由于制造公差的影响，对一套轴承来讲，就出现了内沟曲率半径大于外沟曲率半径的现象。

从等强度概念出发，经过计算，取fi=0.515，fe=0.525比较合适，这样可使内、外圈沟道处的接触应力相近，有利于润滑，提高轴承的极限转速，降低振动，改善轴承使用性能，最终达到提高轴承寿命的目的。

沟道曲率半径必须满足Rimax＜0.52Dw，Remax＜0.53Dw且Remax＞Rimax，按照GB/T6391的规定，沟曲率半径小于上述值，轴承的承载能力不一定提高；但是，沟曲率半径大于上述值，承载能力就要降低。

挡边直径

内圈挡边直径d2=d1+K2×Dw

外圈挡边直径D2=D1-K2W×Dw

其中K 2N =0.186+（0.227+0.01135α）2

K 2W =0.182+（0.192+0.01137α）2

α的单位为度，K 2N 和K 2W 也可按下表取值。D2和d2的取值精度为0.1，允差按下表采用（D2取上偏差，d2取下偏差）。

K 2N 和K 2W 值

α15°25°40°K 2N 0.350.450.65K 2W

0.310.41

0.60

D2和d2的允差

D2、

d2

超

10

18

30

50

80

120

180

250

315

到

18305080120180250315400非引导挡边允差d20.180.210.250.300.350.400.460.520.57D2

0.18

0.21

0.25

0.30

0.35

0.40

0.46

0.52

0.57

引导挡边允差

d20.0270.0330.0390.0460.0540.0630.0720.0810.089D20.0270.0330.0390.0460.0540.0630.0720.0810.089

沟道直径及沟位置

沟道直径计算图