滚珠丝杠用60°角接触球轴承支承结构分析与寿命计算

摘要：滚珠丝杠副属于精密传动部件，为了满足高精度、高刚度进给系统的需要，滚珠丝杠传动机构固定端必须选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运转精度高的60°角接触球轴承，以组配方式来承受由轴向负荷、径向负荷合成的外载负荷，并对60°角接触球轴承进行选型与寿命计算。

关键词：60°角接触球轴承;滚珠丝杠传动;轴承组配方式;寿命计算

0  引言

滚珠丝杠机构属于精密传动部件，机构的刚性对传动精度影响重大，为满足数控机床进给系统高精度、高刚度的需求，除了应选用高精度、高刚度的滚珠丝杠副外，还必须选用轴向刚度高、摩擦力矩小、运转精度高的轴承。滚珠丝杠传动机构的载荷主要是轴向载荷，径向载荷指的是丝杠自重，所以滚珠丝杠轴承专门设计成60°大接触角的高刚度推力角接触球轴承，它是一种高刚度、低扭矩、高精度、能承受很大轴向负载的特殊角接触球轴承，专门用于滚珠丝杠固定端的支承。60°角接触球轴承的接触角α如图1所示，轴承能够承受的轴向载荷与滚珠数量、滚珠载荷、接触角α之间关系为“轴向载荷=滚珠数量×滚珠载荷×sinα”。在滚珠额定载荷一定的前提下，滚珠数目越多，接触角α越大，轴承能够承受的轴向载荷就越大;在轴向载荷一定的前提下，接触角α越大，则单个滚珠承受的载荷就越小，因此产生的弹性位移量也越小，即轴承的轴向刚性越高，寿命越长。

普通角接触球轴承的接触角为15°～40°，以承受径向载荷为主，60°角接触球轴承以承受轴向载荷为主，轴承的轴向刚性比普通角接触球轴承提高两倍以上。60°角接触球轴承增加了滚珠数量，滚珠数量比深沟球轴承多，负荷容量在球轴承中最大，同时相应减小了滚珠直径，使轴承具有很低的启动扭矩，其摩擦扭矩比圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承都小，用很小的驱动力就可以获得高精度的回转运动，能在较高的转速下工作，获得稳定的回转性能。60°角接触球轴承采用了不可分式设计，选用TN玻璃纤维增强尼龙66保持架，工艺性好重量轻，自润滑性能好，轴承规格型号有7602系列及7603系列，如760201TN1～760226TN1、760304TN1～760326TN1，主要用于需要精密轴向定位和重复定位精度的工况，例如数控机床进给系统丝杠支撑。

1  角接触球轴承组配方式

因为单只角接触球轴承只能承受一个方向的轴向载荷，所以必须与第二只角接触球轴承组配使用，组配使用可承受双向轴向负荷与径向负荷合成的外载负荷，角接触球轴承基本组配方式有三种：背靠背、面对面和串联（同向），如图2所示，组配列数有两列组配、三列组配、四列组配，主要由轴承承受的载荷大小确定，如图3所示。

①背靠背組配（DB）：DB组配受力作用线向外发散，轴承间的有效支点距离增大，能够承受双向轴向载荷和径向载荷，并有较大的承受倾斜力矩的能力。

②面对面组配（DF）：DF组配受力作用线向内收敛，轴承间的有效支点距离缩小，能够承受双向轴向载荷和径向载荷，但承受倾斜力矩的能力较差，并会较多地降低轴承的极限转速，一般适合于需要精密调心的场合。

③串联装配（DT）：DT组配受力作用线平行，只能承受单向轴向载荷与径向载荷，如果有反方向的轴向载荷，则需要由另一组，面向相反的轴承来承受。

由于角接触球轴承的安装具有方向性，为了避免在组合装配时装反，角接触球轴承外圈表面压印有“V”形标记，轴承组配后能够形成“V”字即说明排列正确，如图3所示。

2  滚珠丝杆传动机构固定端支撑

滚珠丝杆传动机构固定端也称固定侧，常用的是BK系列（方型固定座），型号有BK10～BK40，图4为固定端支撑单元典型结构，固定端支撑单元将轴承、轴承端盖、压盖、锁紧螺母、T型骨架密封、轴承座等零件集成，制成整体外购件。固定端选用60°角接触球轴承以组配安装方式构成支承，轴承经预压出厂，保证轴向零间隙、高刚度，轴承轴向、径向均能承受约束承受载荷，并可用内外圈的相对位移调整轴向游隙，使用时用轴承端盖、锁紧螺母分别将轴承外圈、内圈压紧，调整预压，提高刚性。滚珠丝杠传动机构一般以固定端作为驱动端，并作为轴向位置的基准，尺寸链及误差计算都由此端开始。固定端轴承座内预封润滑脂，支撑轴外径公差取h5，轴承座孔公差取H6。

固定端锁紧螺母对轴承及丝杆进行轴向固定，提高刚性，锁紧螺母专门设计有紧定螺钉及保护垫片（铜片），紧定螺钉通过保护垫片将锁紧螺母紧紧压在滚珠丝杠上，得到完全没有松动的固定，图5为典型的锁紧螺母结构。锁紧螺母材料为铬钢，调质热处理后硬度可达HRC38-42，锁紧螺母端面与轴承端面紧密贴合，端面经磨削加工，平面度、垂直度均可控制在0.01mm以内。

固定端支撑除了选用60°角接触球轴承外，也可选用圆锥滚子轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承与深沟球轴承组合、推力球轴承与深沟球轴承组合、推力滚子轴承与滚针轴承组合，这些轴承及组合的特点比较见表1。

3  滚珠丝杠用60°角接触球轴承选型与寿命计算

3.1 轴承选型

根据滚珠丝杠设计计算可知，滚珠丝杠选用南京工艺装备制造有限公司的内循环浮动法兰式、直筒双螺母垫片预紧的滚珠丝杠，型号FFZD4008-5，其公称直径为40mm，滚珠丝杠轴系组件的轴向固定采用两端固定支承结构，轴承选用两只60°角接触推力球轴承背对背组配，因滚珠丝杠小径为34.9mm，所以取轴承内径30mm，查阅60°角接触球轴承手册，轴承型号定为7602030角接触球轴承。

3.2 轴承寿命计算

60°推力角接触球轴承的寿命计算与一般轴承相同，先计算轴承当量动负荷，径向负荷Fr=1000N，轴向负荷Fa=2274N，X、Y为当量动负荷因数，根据的比值查取，具体见表2。

3.2.1 计算轴承当量动载荷P

3.2.3 校核轴承

查阅60°角接触球轴承手册，7602030角接触球轴承的额定动载荷Cr=26000N，额定静载荷C0r=56000N，因为，所以选用60°角接触球轴承7602030承载能力足够。

3.2.4 轴承预加负荷

根据滚珠丝杠设计计算可知，轴承所承受的最大轴向载荷FBmax=7024N，轴承实际承受的预加负荷，查阅60°角接触球轴承手册，7602030角接触球轴承的额定预加负荷Fv=2900N，因为，轴承额定预加负荷大于轴承实际承受的预加负荷，所以选用60°角接触球轴承7602030合适，轴承经预压处理后轴向零间隙、高刚性。

参考文献：

[1]现代实用机床设计手册（上册）[M].机械工业出版社，2006.

[2]李绍炎.自动机与自动线[M].清华大学出版社，2007-02.

[3]郑红.RV减速器摆线轮零件加工工艺设计探讨[J].价值工程，2015-08-18.

基金项目：本文系温州职业技术学院教学建设与研究项目《新工科背景下高职本科机械工程专业人才培养体系构建与实践——以温州职业技术学院为例》（WZYZD201902）课题建设阶段性研究成果。

作者简介：郑红（1968-），女，江西南昌人，温州职业技术学院机械系副教授，高级工程师，硕士，主要研究与教学方向为机械设计与数控工艺。