一种低扭矩高刚性推力球和圆柱滚子组合转盘轴承

王小刚，周琳，赵国强，张彦合，张晓杨

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

转盘轴承可承受径向载荷、双向轴向载荷以及倾覆力矩，适用于需较高运转精度的轴承配置，如回转盘、铣床头和可逆夹具等。目前存在的转盘轴承无法同时满足低扭矩、高精度、高转速、高刚性的使用要求。为了弥补目前转盘轴承综合性能相对较差的不足，提出了一种新型结构的低扭矩、高刚性推力球和圆柱滚子组合转盘轴承。

1 常规转盘轴承的结构特点

常规转盘轴承一般为三排滚子组合推力轴承(YRT结构[1]，图1a)、双排推力角接触球轴承(ZKLDF结构[2]，图1b)及其衍生结构，从应用来看，2种结构转盘轴承的性能又有所区别。YRT结构转盘轴承高精度、高刚性性能更突出，适合于低速、短时运转的应用，如分度工作台及回转铣头等；而ZKLDF结构转盘轴承低摩擦、高转速性能更突出，适合于高速、长期运转的场合，如回转工作台、铣削、磨削、珩磨头等设备。

图1 转盘轴承结构示意图

2 推力球和圆柱滚子组合转盘轴承设计特点

2.1 结构特点

推力球和圆柱滚子组合轴承如图2所示，轴向采用两列推力球结构承受轴向力和倾覆力矩；径向采用圆柱滚子结构承受径向力；推力滚道采用直滚道，改变钢球与弧形沟道相配合的常规设计，降低摩擦，提高转速性能；保持架由内圈挡边引导，进而对钢球进行径向限位，以防止钢球径向滑动引起滑动摩擦。

1—外圈；2—轴向保持架；3—钢球；4—第2内圈；5—连接螺栓；6—径向滚子；7—尼龙隔离块；8—内圈图2 推力球与圆柱滚子组合轴承结构示意图

与YRT结构轴承相比，轴向滚动体由圆柱滚子改为钢球，滚动体与轴向滚道的接触由线接触改为点接触[3]，同时避免了轴向滚子因为内外速度差而造成的滑动摩擦，极大地降低了轴承的摩擦磨损、提高了轴承的高速性能；但其刚性稍差于YRT结构轴承。

与ZKLDF结构轴承相比，径向有圆柱滚子轴承承受径向载荷，轴向有两列多排球承受轴向载荷和倾覆力矩，而ZKLDF结构轴承只有两列成60°接触角的钢球承受由径向力、轴向力和倾覆力矩组成的联合载荷。其刚性优于ZKLDF结构轴承。

尺寸相同的YRT结构轴承、ZKLDF结构轴承和推力球与圆柱滚子组合转盘轴承3种轴承转速与刚性和转速与摩擦力矩的对比分别如图3、图4所示。

图3 转速和刚度性能比较

图4 转速和摩擦力矩性能比较

采用密珠结构如图5所示，密珠结构钢球按螺旋线密集排列,即在轴承的每个径向和轴向截面内均布满钢球,使每个钢球循独自的沟道绕主轴回转。有均化和降低沟道表面磨损的作用,提高轴系的回转精度和使用寿命。同时也解决了YRT结构中滚子两端由于速度差而造成的滑动。根据空间尺寸选用三排或更多排排列方式，沟道采用直沟道，有效地降低摩擦力矩，提高轴承的转速。

图5 轴向钢球分布示意图

2.2 轴向保持架结构设计

轴向保持架采用直兜孔，减小了钢球与保持架的接触面积，从而减小两者之间的摩擦。另外，在保持架支承台阶与内径引导面上增加弧形缺口如图6所示，以减小与套圈间的接触面积，达到减重与降低摩擦的作用。

图6 轴向保持架主视图

2.3 径向滚子间增加尼龙隔离块

径向滚子间的尼龙隔离块如图7所示，材料为聚酰胺1010-HG2-869,除可降低径向滚子之间的摩擦力,减小摩擦力矩外，聚酰胺材料本身具有良好的自润滑作用。此外，隔离块中间增加一个储存油脂的通孔，以提升润滑效果。

图7 径向隔离块示意图

3 应用实例

某新型高精度跟踪架对轴承技术指标要求：摩擦力矩不大于40 N·m；轴向、径向刚度不小于5 kN/μm；倾覆刚度不小于400 kN·m/mrad；转速不小于350 r/min。尺寸相同的3种结构轴承的刚性[4]、转速和摩擦力矩的技术指标见表1。

表1 3种结构轴承的技术指标

4 结束语

根据以上低扭矩高刚性推力球和圆柱滚子组合转盘轴承的设计特点及应用实例，可以看出该组合新型轴承解决了转盘轴承低扭矩、高精度、高转速、高刚性无法同时兼顾的问题，其综合性能要优于YRT和ZKLDF结构轴承，更适合应用于望远镜、试验台等综合性能要求较高的精密回转工作台。