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可调游隙滚动球轴承的设计

作者：天津金百联机电              发表时间：2011-07-12

滚动球轴承以其摩擦阻力小、起动灵敏、效率高、旋转精度高、润滑简单、更换方便等诸多优点而广泛地应用在生产和生活中。但因其制造精度要求高、工艺过程复杂，目前标准的滚动轴承均采用专机生产，并由专业工厂生产制造。由于原设计在轴承的内圈、外圈、滚动体等这些刚性零件之间很少考虑可调环节，使轴承的重要精度指标——径向游隙主要靠机械加工公差来保证。这样，即使采用较高精度的机床来加工轴承的零件，由于受不可避免的积累误差的影响，也很难能用直接装配的方法来达到要求的精度。一般都要通过测量选择，用分组装配法来装配，但仍精度有限，使高精度轴承的价格居高不下。同时轴承在使用时因磨损而造成的游隙超差也无法补偿，使其实际使用寿命降低，造成浪费。随着生产的发展，迫切需要解决这一技术问题。为此，笔者经过分析和研究，找到了制约轴承径向游隙精度的主要因素。然后从对轴承的结构进行合理的设计着手，设计出一种新颖的结构形式，使轴承的径向游隙可以方便的调整，解决了以上的技术问题。经试用，效果较好，现作以简要介绍。　　1设计思路、工作原理和具体结构　　众所周知，要调整轴承的径向游隙，必须改变外圈、内圈、滚动体这三者的相对位置关系，直观的做法是使内圈的外径或外圈的内径能根据需要变化。对球轴承而言，已有一种方法是将轴承内圈的内孔加工成一定的锥度，同时与其相配合的轴颈也加工出相应的锥度。装配后通过轴上的附加装置改变内圈在轴上的位置，使内圈变形从而导致外径变化，以调整轴承的游隙。平心而论，这是一个较好的方法，可在一定程度上解决该问题，故沿袭至今。但也有几个明显的不足，一是调整量有限(甚至很微小)，游隙较大时就力不从心。二是轴颈处需加工出较高的精度的锥度，并需设置附加调节装置，使轴的制造工艺复杂。三是内圈承受很大的预应力，且为周向拉应力，对轴承强度极为不利，有时内圈甚至会在调整时“不战自破”。由此可见，这个传统的方法不尽合理，大有改进的必要。　　剖析轴承结构可知，在内圈这个零件上已经做足文章，似无潜力可挖。而滚动体又是“铁板一块”，明显“无利可图”。自然而然，我们把目光转到外圈上来。但这个零件实在是简之又简，用常规的思路对其根本无法下手，必须另辟蹊径。经过冥思苦想，多方讨教，反复推敲，终于茅塞顿开。领悟到：改变轴承的径向游隙，犹如打仗一样，并非只能从正面(径向)强行猛攻，也可以从侧面(轴向)迂回巧取。前提是必须突破传统思维定势的束缚和习惯势力的禁锢，要敢于创新。故大胆设想把轴承的外圈沿横截面剖开，一分为二(反向思维，化简为繁)。使其左右两半能相对轴向移动，然后借助内圈球道上的特殊曲面与滚动体的相互作用，把外圈的相对轴向位移转换成滚动体的径向位移，从而收到间接改变内圈、外圈、滚动体三者之间径向位置的效果，达到调整游隙的目的。基于此，我们可有以下技术方案：将滚动轴承的外圈由整体式改为轴向分体组合式、配以双列滚动体、辅以调整垫片组。通过在装配时增减调整垫片的厚度来方便地调整轴承的径向游隙至需要值，最后将外套用螺纹联接装配成整体。同理，当轴承工作一段时间磨损后，也只需适当减少调整垫片的厚度，就能轻而易举地消除不良游隙，恢复原来精度。达到修复之目的。　　无庸讳言，这是一个全新的方案，具有独创性、可行性和实用性。根据以上原理而设计的具有新颖结构的轴承简图如附图1所示。其中件1、件4为分体式外圈，在件1上加工有外螺纹，在件4上加工有内螺纹，彼此精密互配。为保证外圈的强度和适应螺纹防松的需要，宜采用三角细牙螺纹，并适当加大外圈厚度。件2为钢球，采用双列布置、径向满布的形式，但钢球之间需留有足够的空隙，以免钢球“太挤”，互相摩擦降低轴承效率。件3为调整垫片组，应备有多种不同厚度规格，以便选择组合。有条件的话，也可在其内加入菊花状弹性垫片，使螺纹防松更有效。件5为轴承内圈，设计成左右对称，在其外圆上布有倾斜的特殊曲线球道，以方便滚动体的安装，并起调整游隙的作用。此外，在外圈的每个端面上还设有四至六个均布的扳手孔，用以在调整时插入专用工具旋紧螺纹。以上这些结构简单明了，不足为奇。关键还是在于内、外圈上的球道曲线的设计，乃成败之关键，不能掉以轻心。设计时既要能满足调整游隙的基本要求，更应考虑诸如额定载荷、接触强度、疲劳寿命、加工工艺等重要因素。好在这些方面已有许多前辈做了大量深入的研究工作且卓有成效，很多资料、经验可供借鉴，使笔者受益非浅，在此顺表谢意。限于篇幅，这里暂不展开讨论。　　2本设计的特点　　(1)加工制造容易：由于有了中间可调环节，使零件的加工尺寸公差带可大大放宽，废品率也随之成倍下降。同时可降低对加工机床的精度要求，使在普通精度机床上加工高精度轴承成为可能。对工人的技术等级也可适当降低，具有一定的经济效益。　　(2)装配安装方便：外圈做成分体式后，可以很方便地调整轴承的径向游隙至理想值，不需采用分组装配法即能达到较高的精度。在轴上的安装也很方便，不必附加其它的调整装置，简化了整机的结构。　　(3)改善受力状况：采用双列滚动体可增大承载能力，并能承受双向轴向力。　　(4)减少零件种类：外圈做成分体式后，可使滚动体在球道上满布，这样可省去保持架。此举同时还能减少工序，提高承载能力，可谓是一举多得。　　(5)维护修理方便：当轴承因磨损而造成游隙超差时，只需适当减少调整垫片的厚度，就能减小游隙，恢复原来精度，相应地延长了轴承的使用寿命。此外，当只有个别元件非正常损坏时，还可采用更换损坏零件的方法来修复轴承，甚至可整旧如新，不失为一种精打细算的好方法。1.2不足之处　　(1)增加了在外圈上的切制内、外螺纹的工序。且由于螺纹的存在易产生应力集中，同时使热1P处理变得困难。　　(2)轴承的轴向尺寸相对较大，且由于受调整垫圈厚度的随机性而有较大的波动。　　(3)外圈需加厚，使材料消耗有所增加。　　这里介绍的可调游隙滚动轴承具有构思新颖、结构合理、装配方便、便于维修等优点。尤其是将轴承的外圈由整体式改为轴向分体组合式后，使调整轴承游隙的难题迎刃而解，可供同行们参考。本设计思路也可引伸拓宽到其它类型的轴承设计中去。该设计属非标准轴承设计。还有很多深层的问题尚需探索，不足之处亟待解决。真切地渴望得到同行专家的指导和帮助。
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