滾珠絲杠用60°角接觸球軸承支承結(jié)構(gòu)分析與壽命計(jì)算

摘要：滾珠絲杠副屬于精密傳動(dòng)部件，為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定端必須選用軸向剛度高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度高的60°角接觸球軸承，以組配方式來承受由軸向負(fù)荷、徑向負(fù)荷合成的外載負(fù)荷，并對(duì)60°角接觸球軸承進(jìn)行選型與壽命計(jì)算。

關(guān)鍵詞：60°角接觸球軸承;滾珠絲杠傳動(dòng);軸承組配方式;壽命計(jì)算

0 ?引言

滾珠絲杠機(jī)構(gòu)屬于精密傳動(dòng)部件，機(jī)構(gòu)的剛性對(duì)傳動(dòng)精度影響重大，為滿足數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)高精度、高剛度的需求，除了應(yīng)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(yùn)轉(zhuǎn)精度高的軸承。滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)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(shè)計(jì)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(fù)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(shù)量、滾珠載荷、接觸角α之間關(guān)系為“軸向載荷=滾珠數(shù)量×滾珠載荷×sinα”。在滾珠額定載荷一定的前提下，滾珠數(shù)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(gè)滾珠承受的載荷就越小，因此產(chǎn)生的彈性位移量也越小，即軸承的軸向剛性越高，壽命越長(zhǎng)。

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(shù)量，滾珠數(shù)量比深溝球軸承多，負(fù)荷容量在球軸承中最大，同時(shí)相應(yīng)減小了滾珠直徑，使軸承具有很低的啟動(dòng)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(qū)動(dòng)力就可以獲得高精度的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能在較高的轉(zhuǎn)速下工作，獲得穩(wěn)定的回轉(zhuǎn)性能。60°角接觸球軸承采用了不可分式設(shè)計(jì)，選用TN玻璃纖維增強(qiáng)尼龍66保持架，工藝性好重量輕，自潤(rùn)滑性能好，軸承規(guī)格型號(hào)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(fù)定位精度的工況，例如數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)絲杠支撐。

1 ?角接觸球軸承組配方式

因?yàn)閱沃唤墙佑|球軸承只能承受一個(gè)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(fù)荷與徑向負(fù)荷合成的外載負(fù)荷，角接觸球軸承基本組配方式有三種：背靠背、面對(duì)面和串聯(lián)（同向），如圖2所示，組配列數(shù)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(fā)散，軸承間的有效支點(diǎn)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(duì)面組配（DF）：DF組配受力作用線向內(nèi)收斂，軸承間的有效支點(diǎn)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(huì)較多地降低軸承的極限轉(zhuǎn)速，一般適合于需要精密調(diào)心的場(chǎng)合。

③串聯(lián)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(shí)裝反，角接觸球軸承外圈表面壓印有“V”形標(biāo)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(dòng)機(jī)構(gòu)固定端支撐

滾珠絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定端也稱固定側(cè)，常用的是BK系列（方型固定座），型號(hào)有BK10～BK40，圖4為固定端支撐單元典型結(jié)構(gòu)，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(gòu)件。固定端選用60°角接觸球軸承以組配安裝方式構(gòu)成支承，軸承經(jīng)預(yù)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(nèi)外圈的相對(duì)位移調(diào)整軸向游隙，使用時(shí)用軸承端蓋、鎖緊螺母分別將軸承外圈、內(nèi)圈壓緊，調(diào)整預(yù)壓，提高剛性。滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)一般以固定端作為驅(qū)動(dòng)端，并作為軸向位置的基準(zhǔn)，尺寸鏈及誤差計(jì)算都由此端開始。固定端軸承座內(nèi)預(yù)封潤(rùn)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(duì)軸承及絲桿進(jìn)行軸向固定，提高剛性，鎖緊螺母專門設(shè)計(jì)有緊定螺釘及保護(hù)墊片（銅片），緊定螺釘通過保護(hù)墊片將鎖緊螺母緊緊壓在滾珠絲杠上，得到完全沒有松動(dòng)的固定，圖5為典型的鎖緊螺母結(jié)構(gòu)。鎖緊螺母材料為鉻鋼，調(diào)質(zhì)熱處理后硬度可達(dá)HRC38-42，鎖緊螺母端面與軸承端面緊密貼合，端面經(jīng)磨削加工，平面度、垂直度均可控制在0.01mm以內(nèi)。

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(diǎn)比較見表1。

3 ?滾珠絲杠用60°角接觸球軸承選型與壽命計(jì)算

3.1 軸承選型

根據(jù)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算可知，滾珠絲杠選用南京工藝裝備制造有限公司的內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)法蘭式、直筒雙螺母墊片預(yù)緊的滾珠絲杠，型號(hào)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(jié)構(gòu)，軸承選用兩只60°角接觸推力球軸承背對(duì)背組配，因滾珠絲杠小徑為34.9mm，所以取軸承內(nèi)徑30mm，查閱60°角接觸球軸承手冊(cè)，軸承型號(hào)定為7602030角接觸球軸承。

3.2 軸承壽命計(jì)算

60°推力角接觸球軸承的壽命計(jì)算與一般軸承相同，先計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷，徑向負(fù)荷Fr=1000N，軸向負(fù)荷Fa=2274N，X、Y為當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷因數(shù)，根據(jù)的比值查取，具體見表2。

3.2.1 計(jì)算軸承當(dāng)量動(dòng)載荷P

3.2.3 校核軸承

查閱60°角接觸球軸承手冊(cè)，7602030角接觸球軸承的額定動(dòng)載荷Cr=26000N，額定靜載荷C0r=56000N，因?yàn)椋赃x用60°角接觸球軸承7602030承載能力足夠。

3.2.4 軸承預(yù)加負(fù)荷

根據(jù)滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算可知，軸承所承受的最大軸向載荷FBmax=7024N，軸承實(shí)際承受的預(yù)加負(fù)荷，查閱60°角接觸球軸承手冊(cè)，7602030角接觸球軸承的額定預(yù)加負(fù)荷Fv=2900N，因?yàn)椋S承額定預(yù)加負(fù)荷大于軸承實(shí)際承受的預(yù)加負(fù)荷，所以選用60°角接觸球軸承7602030合適，軸承經(jīng)預(yù)壓處理后軸向零間隙、高剛性。

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基金項(xiàng)目：本文系溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院教學(xué)建設(shè)與研究項(xiàng)目《新工科背景下高職本科機(jī)械工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系構(gòu)建與實(shí)踐——以溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例》（WZYZD201902）課題建設(shè)階段性研究成果。

作者簡(jiǎn)介：鄭紅（1968-），女，江西南昌人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系副教授，高級(jí)工程師，碩士，主要研究與教學(xué)方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與數(shù)控工藝。