配合形式对直线球轴承刚性的影响

尹存涛

(四川信息职业技术学院，四川 广元 628040)

直线轴承是一种可以实现轴作直线运动的运动单元，以钢球作为滚动零件，钢球在圆柱形轴承体内绕封闭沟道循环运动。轴与轴承在轴线方向做直线往复运动，也可以相对旋转。轴与轴承间实际为钢球的点接触，运动时为滚动摩擦，具有移动拖动力小、无爬行、运动精度高等优点，但也有抗冲击能力差、刚性差等缺点。

1 问题的提出

在某气动压装机上，采用单个标准闭型直线轴承做导向结构，其参数如下：轴承内径50 mm，外径80 mm，长度100 mm。轴在轴承内轴向运动，在距轴承中点160 mm处，轴受到1 kN的径向载荷，载荷最终作用在直线轴承上。此结构要求有足够的刚性，保证轴在运动时的导向精度。

机械设计手册中没有关于直线轴承与轴配合的相关资料，参考直线轴承厂家直线导柱产品相关资料,一般要求直径50 mm直线导柱的配合公差为g6。依据该参数设计，直线轴承与轴承座采用小过盈配合，以保证轴承座有足够的刚度。但设计产品装配调试后发现,该直线轴承导向结构径向刚性较差。在实际工况下，距轴承中心160 mm处施加1 kN径向载荷时，施力点测得相对轴线的径向位移达到0.2 mm，而设计要求径向位移需要控制在0.1 mm以内，故该结构已不能满足要求。

2 问题分析

影响直线轴承结构刚性的因素有以下几点：轴的刚性、轴承座的刚性、轴承的刚性以及轴承与轴的配合间隙。对于轴的刚性分析，可将其简化为长度为110 mm的悬臂梁，一端固定另一端加集中载荷，轴材料为碳钢。其挠度为

(1)

式中：F为集中载荷；L为悬臂梁长度；E为弹性模量；I为截面的惯性矩。

通过(1)式可求得轴端最大位移为0.000 7 mm，远小于使用要求，因此轴刚性的影响可忽略不计。轴承座与轴承采用过盈配合，且轴承座自身刚性较高，可以排除轴承座的影响。

2.1 配合间隙对测量结果的影响

不同直线轴承厂家提供的直线轴承内径公差不同，对于内径为50 mm的直线轴承，不同厂家给出的内径公差见表1。

表1 直线轴承的内径公差Tab.1 Inner diameter tolerances of linear bearing mm

若轴外径取φ50 mm(配合公差为g6)，则外径最小值为50-0.025=49.975 mm，轴承内径的最大值为50+0.013=50.013 mm，可得出轴与轴承的单边最大间隙为(50.013-49.975)/2=0.019 mm。将直线轴承的公称长度(100 mm)看作实际承载长度，其简化图如图1所示，图中，AB为轴承的轴线，CD为受载后的轴线，AC为配合间隙造成的测量位移。通过计算可得该配合间隙对测量点位移影响的最大理论值x为0.068 mm。

图1 配合间隙对测量点位移的影响Fig.1 Influence of fit clearance on measuring point displacement

2.2 轴承刚性对测量结果的影响

直线轴承内部的数列钢球在轴表面沿轴向滚动，对轴提供径向支承。由于钢球循环结构的限制，对轴提供支承的钢球有限，轴承尺寸越小，支承钢球的列数越少。以50 mm内径的直线轴承为例，轴承内部共6列钢球在整个圆周上对轴提供径向支承。但当轴受到某个方向的径向均布载荷时，实际仅1列或2列，最多3列钢球受载(图2)。而实际工况是轴悬臂端受到径向载荷，如图3所示(F′为轴悬臂端的集中载荷)，由于配合间隙，仅靠近轴承两端的钢球承载，承载钢球越少，刚性越差。

图2 承载状态Fig.2 Loading state

图3 轴悬臂端受载时钢球的承载状态Fig.3 Load - bearing state of steel ball at the cantilever end of shaft

3 解决措施

由上述分析可知，测量点位移主要由配合间隙和接触弹性变形引起。若无间隙，就可以使整列钢球承载，提高其刚性。设计时，将直线轴承与轴的配合形式改为过盈配合，由于直线轴承内径公差不同，先确定直线轴承内径的上偏差为+0.013 mm，下偏差为-0.002 mm，再确定轴的外径为φ50 mm(配合公差为n6)，为保证配合有过盈量，设计最大过盈量为0.035 mm。 装配后，由于过盈配合，需施加10～30 N的轴向载荷使轴能够自由移动。按该工况，测量点相对轴线的位移为0.09 mm，满足要求,2种配合对测量结果的影响见表2。

表2 轴与轴承配合方式对测量结果的影响Tab.2 Influence of two kinds of fit on the measurement results mm

由表2可知，改为过盈配合后，消除了配合间隙对测量的影响，减小了轴承刚性对测量的影响，使测量结果减小了0.11 mm。轴承刚性对测量结果的影响由原来的0.132 mm减小到0.09 mm，提高了轴承刚性。

4 结束语

将直线轴承与轴的配合方式由间隙配合改为过盈配合后，消除了轴、钢球和沟道间的间隙，相当于在三者间施加了一定的预压力，明显提高了直线轴承的刚性。但对于轴承与轴配合的过盈量，没有具体的参考资料，一般经验是轴承尺寸越大，过盈量也越大。轴承与轴过盈配合时，需施加10～30 N的轴向载荷，其过盈配合状态相对适中。若增大过盈量，会出现明显的运动爬行甚至卡滞现象，降低轴承寿命；减小过盈量，则对轴承刚性的提高影响较小。

经验证明：过盈量的选择与轴承的公称直径有关，其最佳过盈量为轴承公称直径的0.07%。 由于国家相关标准不完善，不同厂家直线轴承标准不统一，若要确定直线轴承与轴的过盈量，需先确定轴承的内径公差，再选择相应的轴公差。