圆锥滚子轴承套圈装配倒角的设计

章志慧

(福建省永安轴承有限责任公司 技术中心，福建 永安 366000)

符号说明

r1，r2——成品套圈装配倒角径、轴向坐标公称尺寸，mm

R——倒角圆弧半径，mm

α——靠大端面处圆弧切线(或斜线)与端面的夹角

β——倒角圆弧切线与内 (外) 径的夹角

ΔB(C)——内(外)圈端面单向磨削余量，mm

ΔD(d)——套圈外(内)径单向磨削余量，mm

在圆锥滚子轴承设计过程中，更多关注的是如何提高轴承的额定载荷，降低轴承的噪声等，而往往忽视了轴承套圈装配倒角的设计。然而轴承套圈装配倒角的形状设计是否恰当，对整机的装配性及使用寿命均有较大的影响。如果轴承套圈装配倒角形状设计不合理，倒角与内/外径过渡处产生锐边，会导致轴承的装配性差，安装轴承时，倒角的锐边会划伤配合件的配合面，甚至刮出一定的金属屑，造成轴承安装不到位，破坏轴承的正常使用。轴承装配倒角在车加工阶段加工成形，磨加工阶段不再加工；但车加工的精度，热处理变形及套圈内、外径和端面的磨削留量对成品套圈倒角形状和坐标尺寸都有一定影响。因此，车加工阶段套圈装配倒角的结构形式及尺寸的设计十分重要，是轴承套圈装配倒角是否合理的关键。

1 套圈装配倒角形状

在GB/T 297—1994《滚动轴承 圆锥滚子轴承 外形尺寸》及GB/T 273.1—2003《滚动轴承 圆锥滚子轴承 外形尺寸总方案》中，仅规定了r1smin，r2smin；洛阳轴承研究所有限公司的圆锥滚子轴承设计方法ZYB 9—93及GB/T 274—2000《滚动轴承 倒角尺寸 最大值》又对最大倒角尺寸做了规定，但对倒角的具体形状没有规定。

轴承套圈装配倒角设计时，不仅要考虑轴承套圈装配倒角坐标的极限值是否满足用户装配要求，还要考虑轴承的装配性。因此在对套圈装配倒角的尺寸进行精确计算的同时还应考虑以下几个方面：(1)避免套圈装配倒角圆弧与内/外径过渡处形成锐角，避免套圈装配倒角与配合件产生干涉；(2)适当增加轴承装配的引导面以改善轴承的装配性能；(3)装配倒角径向坐标尺寸易控制。在此设计原则下，提出以下3种套圈装配倒角的设计方案，并对其优、缺点进行比较。

1.1 纯圆弧倒角形式

纯圆弧倒角如图1所示。理论上成品零件的该形式装配倒角的圆弧(半径为R)与内/外径表面相交处圆弧的切线与轴线的夹角β(也称为导向角)为15°，与端面相交处圆弧的切线与端面的夹角α为30°。

图1 纯圆弧倒角形式

这种倒角的优点是加工时采用的成形刀具刃磨简单。但在实际应用中受车加工的留量误差、热处理变形等因素的影响，工件经磨削加工后，倒角部分的圆弧面由于去除了一定的磨削量，其与内/外径表面可能形成一较大的β角；且倒角的径向尺寸不易控制。如果圆弧半径R设计不合理，磨削量较大时，β角可能超过25°。β角过大，在轴承安装过程中，有可能会对配合面造成划伤。同时，由于内/外径的磨削量一般比端面的磨削量大，可能造成轴承套圈的轴向倒角小于径向倒角，这与标准的要求相悖。

1.2 斜边+圆弧+斜边倒角形式

斜边+圆弧+斜边倒角形式如图2所示。该倒角形式由1段圆弧(半径为R)和2段与圆弧相切的斜线组成，由于斜线的角度在设计时就已确定，可确保磨削后套圈的倒角形状一致。根据轴承的安装特点及加工的可行性，只要选择适当的引导角β，就能满足轴承易安装性，使轴承顺利装入，同时在加工时其尺寸的控制也较纯圆弧倒角相对准确些。考虑装配性能及过盈配合的要求，β取值一般较小。为了避免车削过程中车刀产生振动，β通常取15°。同端面相交的斜边与端面的夹角α不宜选择太大，否则会造成引导角斜边的长度偏短，影响轴承的装配性能，一般取α=22.5°～25°。由于α的值不大，故装配倒角的径向坐标尺寸受端面的磨削量影响较大。

图2 斜边+圆弧+斜边倒角形式

斜边+圆弧+斜边的倒角形式的优点是，相对于纯圆弧形式，在加工、外观及安装等方面都具有较明显的优势。但装配倒角的径向坐标尺寸不易控制，成形刀具刃磨较为困难。径向坐标尺寸失控会影响轴承与配合件的装配关系，偏大时装配倒角的径向尺寸可能大于配合件的挡肩尺寸，造成轴承轴向定位失效；偏小时会与配合件的倒角产生干涉。轴向坐标尺寸的变大只影响装配导向角长度的变化，对装配关系影响不大。

1.3 小圆弧+大圆弧+斜边倒角形式

小圆弧+大圆弧+斜边倒角形式如图3所示。该倒角形式由2段一大一小的圆弧和1段与大圆弧相切的斜边组成。小圆弧的半径为R′，大圆弧的半径为R。该装配倒角形式与斜边+圆弧+斜边倒角形式类似，只是其在靠近端面处为一段与大圆弧相切的小圆弧替代了与端面相交的斜边。在设计时小圆弧的半径一般不宜选择太大，在满足刀具的强度和刃磨可行性的要求下尽量取小值，一般取0.6～1.2 mm。由图4(x,y轴分别代表轴承装配倒角的轴向和径向)可看出，越接近y轴，圆弧切线α角越大，从而端面磨削量偏离理论值的大小对倒角径向坐标尺寸影响越小，故在端面磨削时，应使端面磨削区域落在图4第2象限靠近y轴处，从而减少端面磨削量偏离理论值的大小对倒角径向坐标尺寸的影响。因此，端面磨削量较大时，R′取大值；反之亦然。

图3 小圆弧+大圆弧+斜边倒角形式

图4 端面处小圆弧位置变化示意图

该倒角形式的优点是，只要小圆弧半径R′及其相对端面位置按前面阐述的设计方法取一个合理的值，就具备斜边+圆弧+斜边倒角形式的主要优点，同时倒角径向坐标尺寸也易于控制，并可避免轴承装配时有可能产生的干涉现象。该倒角形式的缺点是成形刀具刃磨较为困难，但只要增加合适的刀具刃磨设备就可以解决。因此认为小圆弧+大圆弧+斜边的倒角形式是目前最适宜的装配倒角形式。

2 小圆弧+大圆弧+斜边倒角的设计

如图5所示，对装配倒角结构尺寸进行设计时，既要满足用户装配要求，又要兼顾美观和易加工性。只要套圈倒角的轴向、径向坐标尺寸按标准规定的最小值设计所形成的倒角曲线(图中曲线AEH部分)，不与以标准规定的最小倒角尺寸为半径形成的圆弧(图中虚线部分)发生干涉，就能满足装配倒角不干涉的要求。大圆弧的曲率半径R的确定是装配倒角设计的一个重要环节，影响着导向部分的长度和倒角的外观。从图5可知，图中实曲线为将要加工的实际倒角轮廓线；虚曲线为配合件挡肩处的倒角轮廓线(设该倒角最大值等于轴承装配倒角最小值)；A为配合件倒角与其自身内/外径的切点；E为轴承装配倒角上装配引导面与倒角大圆弧的切点。实曲线与虚曲线不产生干涉的最小的半径R的确定条件为：在小圆弧和引导面斜线AD的尺寸及位置确定情况下，大圆弧半径须在虚线圆弧内侧同时相切于斜线AC、小圆弧和虚线圆弧。据此条件用作图法求出R的最小值后，可预先选定一个R值，验算导向部分AE的长度是否等于设计者的期望值(AE一般不小于r1smin/5)。如果与设计者的期望值有偏差，调整R值直到导向部分AE的长度达到设计者的期望值。

图5 倒角设计分析图

图5中Q点为小圆弧的圆心；P点为大圆弧的圆心；H点为小圆弧与端面的交点；AC为大圆弧的切线，并与内(外)径的素线延长线AB形成一个夹角β，切点为E；作两条经Q点分别平行于AC和垂直于AC的辅助线。设∠KQH=λ，∠FQP=φ，已知HN=r1,AN=r2,HQ=R′,PE=R,∠BAC=β，则有几何关系可得AE的验算公式为：

以GB/T 297—1993中r1smin=r2smin=2.5 mm为例来介绍大圆弧半径R的选取。为了判断所设计的倒角是否与配合件倒角干涉及确定导向长度的最小值，将实体倒角的坐标值r1，r2分别取为r1smin，r2smin。从轴承倒角的外观和刀具角度考虑，依据轴承套圈的端面磨削量由工作经验取R′=1 mm，λ=45°，β=15°，作图得R最小值为1.65 mm(图6)。因此取R=r1smin=2.5 mm(双点划线部分)， 由(1)～(2)式得φ=27.17°，AE=0.45 mm。AE最小值为0.45 mm

图6 作图求最小R值

3 车加工装配倒角坐标尺寸的计算

从图3及图7可推导出

AQ=BQ=R′ ，

BD=AC-ΔB(C)=R′sin (90°-λ)-ΔB(C) ，

DC=QD-QC=

R′cos (90°-λ)。

故装配倒角的车加工坐标尺寸计算公式为

用尺寸链法计算出车加工图的倒角坐标尺寸偏差值，此处不再赘述。

图7 车加工尺寸计算分析图

4 结束语

对比分析了不同形式装配倒角的特点，认为小圆弧+大圆弧+斜边的装配倒角形式较为合理。对小圆弧+大圆弧+斜边装配倒角形式下装配倒角的参数设计和车加工坐标尺寸的计算进行了理论推导，利用这些数学方法设计出来的装配倒角符合用户的装配要求，虽然在加工中刀具的成本略有提高，但企业从中得到的效益远大于刀具支出的成本。