角接触球轴承的游隙分析

胡林林，李国胜，牛玉周，郭长建

(人本集团有限公司 技术中心，上海 201411)

符号说明

d——轴承内径

D——轴承外径

de——内沟道当量直径

E——弹性模量

g——重力加速度

re——外沟曲率半径

ri——内沟曲率半径

Te，Ti——外、内圈温度

α——接触角

α1——套圈的热膨胀系数

Δdi——有效过盈量

ΔGr——径向游隙变化量

ΔGa——轴向游隙变化量

ρ——密度

μ——泊松比

ω——角速度

游隙对滚动轴承的综合性能具有十分重要的影响。安装和运行条件一定时，游隙决定着轴承的载荷分布及最大接触应力，并对轴承的疲劳寿命产生影响,因此存在最佳工作游隙，使得轴承的疲劳寿命最长。对于角接触球轴承来说，游隙同样决定着它的疲劳寿命，如果游隙选择不当，非常容易引起轴承早期失效。

角接触球轴承一般成对使用，使用场合分为预游隙和预载荷2种。刚度要求较高的机床轴承采用预载荷配置，并且轴的配合过盈量很小(约为几微米)，配对时无需考虑配合过盈量对工作游隙的影响。但是对于配合过盈量较大的轴承，必须考虑过盈量对其径向游隙的影响，此时多采用预游隙配置。而JB/T 10186—2000仅对7200B和7300B轴承系列的预游隙值进行了规定，对其他系列没有规定，因此需要进行理论计算，选择一个合适的游隙范围。

配合、温升、离心效应等对深沟球轴承工作游隙的影响，已有较多论述，但这些因素对角接触球轴承游隙的影响涉及较少，故下文对配合、温升和离心效应对角接触球轴承游隙的影响进行分析。

1 影响角接触球轴承预紧的因素

如果轴承的预紧力增大，刚度可以提高，但过大的预紧力将使轴承产生异常发热，从而导致轴承出现早期失效。在定位预紧中，预紧力取决于轴承的安装条件，包括轴承的配合、运行中的离心效应和温升。

1.1 轴承的配合

对于机床轴承，一般内圈为过盈配合，外圈为间隙配合。内圈与轴的过盈配合使其径向尺寸发生变化，从而导致预紧力的增大。

内圈过盈配合(轴为实心轴)引起的径向游隙减小量为[1]

de=0.2(D+4d)。

1.2 离心效应

当轴承高速运行时，内沟道由于离心效应将发生膨胀，引起轴承径向游隙发生变化，并增大预紧量。由离心效应引起的径向工作游隙的减小量为[2]

对于钢制轴承，μ=0.3，E=207 GPa，r1=0.5d,r2=0.25D+0.75d，ρ=7.8×103kg/m3，g=9.8 m/s2。

1.3 温升

当轴承运行时，由于其内部摩擦、润滑剂搅拌和其他外部因素的共同作用,将导致轴承温度升高和零件的膨胀。根据文献[3]的修正公式得出工作温度引起的轴承径向游隙的减小量为

δt=1 000α1(Ti-Te)(0.9d+0.1D)，

Ti-Te一般为5～10 ℃，在有相对气流冷却时为15～20 ℃，下文的实例计算中Ti-Te=5 ℃。

2 径向游隙与轴向游隙的关系

根据轴承的几何尺寸，轴承的轴向游隙变化量可由径向游隙的变化量得到[4-5]

A=re+ri-Dw。

3 实例对比分析

3.1 轴承工况及结构参数

试验轴承型号为7216，转速为10 000 r/min，喷油润滑，安装在传动轴上，配合轴的公差为n6，与轴承座为间隙配合，一端为背靠背两联，另一端为背靠背加串联的三联配置，中间为斜齿轮传动。以3个不同厂家的轴承为例进行分析(三联侧)，各厂家轴承主参数见表1。

表1 轴承主参数

3.2 轴承径向、轴向游隙变化量计算

根据轴承工况和不同的参数，得出的轴承径向、轴向游隙变化量见表2。

表2 游隙变化量的理论值对比 mm

3.3 轴承凸出量对比

3个厂家的三联侧轴承实际凸出量测量值见表3(测量力为100 N)。

表3 三联侧轴承的实际凸出量测量值 mm

3.4 结果分析

(1)由于3个厂家的轴承参数不同，各自的轴向游隙变化量也不相同。B，C厂钢球直径和数量都一样，但是接触角不一样，造成轴向游隙变化量相差较大；A，C厂轴承的接触角相同，尽管钢球尺寸及数量不同，但轴向游隙变化量比较接近，因而可知接触角对轴承轴向游隙变化量的影响较大。

(2)由表2和表3可知，B，C厂轴承的理论轴向游隙变化量和实际测量值比较接近。其误差主要是由于轴承的温度难以测量，对游隙的影响难以准确计算所造成；同时文中只考虑了过盈量平均值对游隙的影响，未考虑散差的影响。尽管如此，文中的计算已可以满足要求。

(3)A厂轴承轴向游隙实际变化量与理论值相差较大，从而导致轴承提前失效(只用了不到2个月的时间)。A厂轴承由于凸出量太小，轴承与轴过盈配合后，不仅游隙直接被抵消掉，并且还产生了大约0.05 mm的轴向变形，轴承本身产生了很大的预紧，导致轴承运行时发热量过大而提前失效。

(4)由表2可看出，在轴承游隙影响因素中，过盈配合导致的轴向游隙变化量最大。

4 结论

(1)轴承参数中，接触角对轴向游隙变化量影响较大。

(2)过盈配合、离心效应、温升对轴承游隙的影响中，过盈配合的影响最大。

(3)实际应用中，如果轴承过盈配合时，需将配合过盈量对轴承游隙的影响考虑在内，应预留一定游隙，以免造成预紧力过大，使轴承提前失效。角接触球轴承在实际配对时，应将其径向游隙变化量转化为轴向游隙变化量进行考虑。

(4)文中仅粗略计算了角接触球轴承的过盈配合、离心效应及温升引起的轴向游隙变化量，计算公式有待细化，影响因素也需要考虑更多，例如人为安装造成的变化和外部载荷等。另外，理论计算也需要通过试验验证来进行修正。