黄金展位

7309AA单列角接触球轴承的设计

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冯新宽1 林继龙1 林继泉1 陆娟1 李宪辉2

(1.山东蓝宇精密轴承制造有限公司,山东临清 252664;2.夏津锦丹保持器厂,山东聊城 252600) 

  摘 要:按客户要求,运用ZYB3角接触轴承优化设计方法,设计了7309AA碗形铁保持架单列角接触球轴承。投产制造了一批7309AA/P5轴承,满足了客户要求。

  关键词:7309AA轴承;碗形铁保持架;设计制造

  7309AA轴承广泛应用于铁路,矿山,石油,冶金,造纸,纺织,机床,化工,医疗器械,航空等行业机械中。要求能在较高的转速和温度下工作,并能承受较大的径向和轴向载荷。L&Y角接触球轴承7309AA高精度轴承通常取26度接触角,采用冲压碗型保持架结构。在轴向力作用下,接触角会增大。其外形尺寸如图1所示。

  1 主参数的选择

  1.1 钢球直径Dw

  为获取尽可能大的载荷容量,Dw应在满足(1)、(2)式的情况下尽量取大些

  Kwmin(D-d)≤Dw≤Kwmax(D-d)  (1)

  Dw≤B-2f                   (2)

  式中:D——外圈外径 d——内圈内径

     B——套圈宽度 Kw的取值范围按ZYB3-89,Kw=0.31~0.335

     f——保持架与密封圈所需的空间,一般情况下f≥3.7

  将已知数据代入(1)式,得Dw=17.05~18.43将已知数据代入(2)式,得Dw≤17.6,选取Dw=17.463标准钢球。

  1.2 钢球中心直径Dwp

  Dwp≤0.515(D-d)  (3)

  代人(3)式得Dcp=72.5~74.675mn

  预选:Dwp=72.5,允差±0.025

  1.3 钢球数Z

  Z≤π.Dwp/(kz.Dw)  (4)

  式中kz取值:Dw≤15,kz=1.01+1.5/Dw;Dw>15,kz=1.11

  将已知数据代入(4)式,得Z=11.75,预选:Z=11。

  1.4 径向额定负荷计算

  1.4.1 额定动负荷Cr

  Cr=fc•(COSα)0.7•Z2/3•Dw1.8•bm  (5)

  式中:bm——淬硬轴承钢加工方法额定系数,查表得取bm=1.3

     fc——轴承零件形状、精度及材料相关系数,计算后查表得fc=59.7

  将已知数据代入(5)式,得

  Cr=61.28(KN)

  1.4.2 额定静负荷Cor

  Cor=fo•Z•Dw2•COSα  (6)

  式中:fo——轴承零件形状及应力相关系数,计算后查表得fo=13.6

  将已知数据代入(6)式,得

  Cor=40.91(KN)

  2 内、外圈主要尺寸的计算

  图2为径向游隙为零的情况下,内、外圈及钢球接触情况的剖视图。

  2.1 内沟曲率Ri,外沟曲率Re

  根据ZYB3-89标准的优化设计要求

  Re=0.525Dw  (7)

  Ri=0.515Dw    (8)

  代人已知量计算后得:

  Re=9.16mm

  Ri=8.99mm

  允差△R=+0.06mm

  2.2 外圈沟径De、内圈沟径di

  根据图2几何关系

  De=Dcp+2Re-(2Re-Dw)COSα (9)

  同理

  di=Dwp-2Ri+(2Ri-Dw)COSα  (10)

  代人已知量得

  De=90.05mm di=54.985mm 允差±0.020mm

  2.3 外圈沟位置ae、内圈沟位置ai

  从图3几何关系可得

  ae=0.5B+(Re-0.5Dw)Sinα-2.5δ  (11)

  ai=0.5B+(Ri-0.5Dw)Sinα-2.5δ   (12)

  式中:δ——为沟位置的上偏差,取δ=+0.03

  代人已知量得

  ae=12.61mm ai=12.54mm 允差±0.03

  2.4 内、外圈挡边直径d2、D2

  内圈挡边直径d2=di+K2i•Dw   (13)

  外圈挡边直径D2=De-K2e•Dw  (14)

  式中:K2i——为内圈挡边系数,取K2i=0.4

  K2e——为外圈挡边系数,取K2e=0.4

  代人已知量得

  d2=62mm,允差-0.01mm

  D2=83mm,允差+0.10mm

  2.5 配套径向游隙和接触角允差的计算g、△α

  2.5.1 最小径向游隙gmin

  gmin=2(Rimax+Remax-Dwmin)(1-COS(α+△α)) (15)

  2.5.2 最大径向游隙gmax

  gmax=2(Rimin+Remin一Dwmax)(1-COS(α+△α)) (16)

  式中:接触角允差△α=-3°~+3°

  钢球允差△Dw=-0.017~+0.017mm

  代人已知量得

  gmin=0.100mm gmax=0.168mm

  2.6 装配锁口及非装配锁口高度ti、te

  ti=0.00053•De+Kt•Dw+δt  (17)

  te=2•ti  (18)

  式中:Kt=0.04•(1-COSαmax)/(1+α0•△T)

  α0=11.8×10-6mm/°C 为钢材的线膨胀系数,

  △T=90°C为温度差

  取Kt=0.004677mm

  装配锁口高度系数δt=0.02~0.05 取δt=0.02mm

  代人已知量得

  ti=0.16mm te=0.30mm

  装配锁口与非装配锁口处的倾斜角度3.5°

  2.7 装配锁口锁量的验算e

  最大锁量满足式:

  Ymax=2•tmax-0.001062•De≤0.14  (19)

  最小锁量满足式:

  Ymin=2•tmin-gmax≥0.05  (20)

  代人已知量得

  Ymax=0.124mm<0.14 Ymin=0.095mm>0.05 满足要求。

  但锁口深度ti=0.15mm还必须在试制时进行试装合适后才能最后确定。

  2.8 接触角允差的验算α

  2.8.1 最小接触角αmin

  αmin=(1-COS-1[1-gmin/(2(Rimax+Remax-Dwmin))]  (21)

  2.8.2 最大接触角αmax

  αmax=(1-COS-1[1-gmax/(2(Rimin+Remin-Dwmax))]  (22)

  代人已知量得

  αmin=20°03'44" αmax=28°44'00"

  2.9 轴承装配高的计算

  最大装配高:

  Tmax=aimax+aeimax-(Rimin+Remin-Dwmax)•Sinαmin  (23)

  最小装配高:

  Tmin=aimin+aeimin-(Rimax+Remax-Dwmin)•Sinαmax  (24)

  Tmax和Tmin必须满足如下要求:

  Tmax-B≤δ0,Tmin-B≥δB

  式中:δ0=0,δB=-0.4

  代人已知量得

  Tmax=24.979mm<25mm Tmin=24.692mm>24.6mm满足要求。

  3 保持架的设计

  3.1 保持架的材料及结构

  根据该轴承的使用场合及结构特点,采用冲压成形碗形保持架(如图3示)。

  根据保持架在套圈上的固定形式其材料选用10#或SPPC或ST13冷轧薄钢板冲压及内冲窗孔整形加工制造,表面经磷化处理而成。

  3.2 保持架主要足寸的确定

  3.2.1 保持架钢板厚度S的选定

  S=(0.08~0.10)Dw计算后取标准厚度,本设计取S=1.5mm。

  3.2.2 保持架宽度Bc

  Bc=Dw+(2.8~3.3)+S

  且Bc≤B-(0.06Dw+0.5)

  式中:B—轴承公称宽度

  代人已知量得

  Bc=21.76~22.26mm 取Bc=22mm<23.45mm 允差±0.05

  确定Bc的原则是必须满足装配后保持架端面低于轴承套圈端面,不能与套圈、密封圈或防盖端面相擦碰。必要时,可考虑大端弯边,以增加刚性、强度。

  3.2.3 保持架窗孔数Z’,钢球中心圆直径Dcp

  Z’=Z,Dcp=Dwp

  3.2.4 窗孔冲制角度α’

  α’与轴承原始接触角α的关系为,当α=15°,或α=20°时α’=α,当α>20°时,α’<α一般取α’=20°

  3.2.5 保持架窗孔直径Dwc.

  Dwc.=(0.92~0.98)Dw

  代人已知量得

  Dwc.=16.1~17.1mm 取Dwc.=16.76mm

  3.2.6 保持架钢球回转半径R’w

  R’w=Dw./2+Kc

  式中:Kc—回转半径加大量,Kc=0.02~0.04mm

  代人已知量得

  R’w=8.75~8.77mm 取R’w=8.76mm

  3.2.7 保持架内球面曲率半径Rc

  由图3分析计算得:

  Rc=((R’w2-(Dwc./2+(Dcp/(2COSα))))2+(Dwc./2)2)^(1/2)

  代人已知量得

  Rc=42.01mm 取Rc=42.5mm

  3.2.8 保持架窗孔中心圆直径Dcb

  Dcb=2(Rc+S-Dcp/(2COSα))COSα+Dcp

  代人已知量得

  Dcb=82.69mm

  3.2.9 保持架窗孔处梁宽b

  b=Sin(180°/Z-Sin-1(Dwc/Dcb))Dcb

  代人已知量得

  b=4.5mm

  (计算简图及推导过程,略)

  梁宽b应≥(2.5~4)S。若梁太窄,可考虑减少钢球数;若梁太宽,可考虑增加钢球数。

  3.2.10 保持架小端面至钢球理论中心圆径向平面的距离hc

  保持架小端面与套圈端面间的轴向距离应大于1.2~2.0mm,故得:

  hc=B/2-(1.2~2)

  代人已知量得

  hc=11.3~10.5mm 取hc=11mm 允差±0.05

  3.2.11 保持架小端面至窗孔的轴向距离hc1

  hc1=hc-((R’w^2-(Dwc/2)^2)^(1/2)*TAN20+Dwc/2)*COS20)

  代人已知量得

  hc1=2.24mm。

  3.2.12 保持架小端面至内球面曲率中心轴向距离Bc1

  Bc1=hc+Dcp/2*tgα’且Bc1>Bc

  代人已知量得:Bc1=24.194mm

  3.2.13 保持架小端面内侧与内球面曲率半径交点的径向直径dc1

  dc1=2*(Rc2-(Bc1-S)2)^(1/2)

  代人已知量得:dc1=71.87mm

  3.2.14 保持架小端面内径dc,应使保持架小端内径不与内圈擦碰。

  dc=di+2ti+ε1

  式中:ε1—间隙系数,Dw≤18,ε1=2.518<Dw≤28,ε1=428<Dw≤42,ε1=6

  取ε1=2.5mm

  代人已知量得

  dc=57.8mm 允差+0.10mm

  3.2.15 保持架大端外径Dc

  Dc=2(Rc+S-Dcp/2COSα)*COSα+Dcp=2*((Rc+S)2-(Bc1-Bc)2)1/2

  代人已知量得

  Dc=87.89mm 允差-0.10mm

  3.2.16 保持架中心圆上相邻两兜孔距离C

  C=Dcp*SIN(180/Z)

  代人已知量得

  C=20.426mm 允差±0.025

  3.2.17 保持架装入钢球后,钢球组的最大外接圆直径Fw

  Fw=Dcp+Dw+εFw必须大于外圈滚道直径De,即Fw>Dcp+Dw

  式中:ε—加大量

  当Dw≤10mm,ε=0.15~0.45mm

  10<Dw≤18mm,ε=0.2~0.5mm

  18<Dw≤24mm,ε=0.25~0.55mm

  本设计中取ε=0.35mm,代人已知量得

  Fw=107.863mm>107.513mm

  参考文献:

  [1]ZYB3-89.角接触轴承优化设计方法[S].洛阳轴承研究所.1989.

  [2]ZKL.通用滚动轴承样本[Z].ZKL Bearings CZ.a.s.2010.