微型轴连轴承组件的设计分析

2012-07-20潘钢锋姜维程俊景谢鹏飞

轴承 2012年6期

关键词：外圈力矩电动机

潘钢锋，姜维，程俊景，谢鹏飞

(洛阳轴研科技股份有限公司特种轴承开发部，河南洛阳 471039)

1 设计分析

微型轴连轴承组件与普通微型轴承相比，设计上的主要区别在于：需要精确确定轴与两轴承外圈的双沟沟心距，以及通过计算轴向配套尺寸以确定隔圈的长度。

在轴连轴承组件设计中，首先应选择其结构，然后根据电动机装配尺寸与配合精度要求确定组件的外形尺寸及安装配合表面的尺寸及精度，优化轴承结构主参数，合理选择轴承工作表面几何参数及精度，并精确计算组件内部的几何结构参数。

轴连轴承组件如图1所示，由驱动轴、外圈、钢球、保持架、C形隔圈及凸缘组成。考虑装配工艺性和结构合理性，轴承选用内圈分离型角接触球轴承结构，两轴承为面对面安装。在轴的两沟道旁分别设计填球槽，以利于磨斜坡及轴承装配。

由于轴承内圈与电动机驱动轴为一体结构，提高了轴承系统支承刚度和承载能力；该结构去掉了轴承内圈，改善了套圈装于轴上的同轴度和倾斜度，提高了电动机转子的定位精度；两轴承采用分离型角接触球轴承，并采用C形隔圈定位预紧，通过调整C形隔圈的长度来控制施加预载荷，预紧力控制更为精确，因而，轴承组件具有更高的刚度和长期工作的稳定性。

1—驱动轴；2—外圈；3—钢球；4—保持架；5—C形隔圈；6—凸缘

1.1 结构参数的确定

为保证轴连轴承组件接触角及预过盈量的大小，配套时不仅要考虑径向游隙，而且还要考虑轴向游隙。因此，设计时要计算轴向配套尺寸，确定C形隔圈长度。

采用定位预紧时，轴与两外圈沟心距的几何关系为[1]

Lw=LN+2Tsinα+2δa，

(1)

式中：Lw为两外圈的沟心距；LN为轴上两沟道的沟心距；T为单套轴承内、外圈的沟心距；δa为单套轴承在预载荷下的轴向变形量；α为轴承接触角。

C形隔圈的长度为

l=Lw-2τ，

(2)

式中：τ为外圈沟中心到非基准面的距离。

设计时，先根据主机尺寸初步估算并选取轴上两沟道的沟心距LN，为保证主机选配方便，应使轴连轴承组件尺寸的离散性较小，考虑加工工艺性，LN公差应尽可能小，按照 (1)～(2) 式计算出C形隔圈的长度l后，对设计结果进行轴向配套尺寸的验证。当验证结果不能满足主机配套尺寸要求时，需调整LN，重新进行轴向配套尺寸设计计算，直至最终使两外圈外端面跨距满足电动机配套技术要求。

轴连轴承组件结构参数确定后，还需对轴连轴承的寿命、承载能力和摩擦力矩等进行计算及分析。以某型号轴连轴承组件为例，在其几何参数确定后计算轴承的寿命、承载能力和摩擦力矩。

1.2 寿命

按照Hamrock-Dowson公式[2]分别计算出内、外沟道的最小油膜厚度分别为hmini=0.24 μm，hmine=0.26 μm。轴承的最小油膜厚度hmin为两者中的小者，即hmin=0.24 μm。由此可计算出润滑油膜参数Λ=4.3>3，则轴承处于完全弹性流体润滑状态。

根据滚动轴承疲劳寿命计算方法[3]，当轴承转速为15 000 r/min、可靠度为99.99%时，轴连轴承的疲劳寿命为15年。由于轴连轴承在正常工作状态下，接触应力远小于1 470 MPa，一般不会产生疲劳破坏，常常是由于轴承本身的磨损引起自身的精度降低，造成摩擦力矩或振动增加而失效。所以，对其磨损寿命进行计算和分析是十分必要的。

由于轴承的磨损规律复杂，所以磨损寿命至今尚无完善的计算方法。通常用径向游隙的增量来表示轴承的磨损量，根据许用磨损系数估算出轴连轴承的磨损寿命为7年，因此，满足该电动机对轴连轴承5年的寿命要求。

1.3 承载能力

根据轴连轴承工况条件和轴承优化设计的主参数，计算出轴承的额定静载荷为336 N，能够满足轴承在振动、冲击条件下的力学环境试验。计算出轴承在正常工作状态下的接触应力为1 009 MPa，满足低摩擦磨损轴承最大接触应力应小于1 470 MPa的要求，且钢球与内、外圈接触应力相当，符合等应力的优化设计原则，证明轴承结构主参数选择合适。当轴承在力学环境下产生谐振放大时，轴承径向载荷增大50 N，轴向载荷增大60 N。在这种情况下，轴承的最大接触应力为2 430 MPa，远小于其所能承受的最大接触应力3 430 MPa，轴连轴承的承载能力能够满足电动机的工作要求。