一种配对角接触球轴承预紧量控制方法

刘兰波++苏永胜++陈磊++鹿昌剑++李勇

摘 要：介绍了角接触球轴承预紧方法，根据驱动机构常用预紧结构形式，重点针对其预紧量精密控制方法进行了研究、试验，并通过启动摩擦力矩对预紧力的合理性进行了验证。

关键词：角接触球轴承；预紧；测量

中图分类号：TH133.33 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）14-0063-02

1 前言

成对、施加预紧力的角接触球轴承，既能提高支承刚性，又能提高旋转精度，减小振动，因而在航天、航空等领域的驱动机构、惯导平台等结构中得到广泛应用。

虽然配对角接触球轴承具有较多优点，但预紧力大小却对轴承性能有着极为重要影响。预紧力过大，虽可获得较高轴向刚度及抗卸载能力，却使轴承摩擦力矩增大，影响其使用寿命；预紧力过小，情况相反。因此，装配过程中，施加合适预紧力，可有效地防止钢球发生公转打滑和陀螺旋转，从而减小摩擦和发热，延长使用寿命。

2 驱动机构中常用预紧结构形式

2.1 角接触球轴承预紧方法

定位预紧：两套相同角接触球轴承成对安装，通过调整隔套或垫片厚度尺寸，获得合适预紧量；也可直接使用预先调好预紧量的成对轴承来实现预紧。凡经过轴向预紧的轴承，使用时相对位置不发生变化。

定压预紧：采用螺旋、碟形弹簧等使轴承得到合适预紧。预紧弹簧刚性通常比轴承刚性小得多，使用时轴承相对位置会有变化，预紧量基本不变。

研究表明，在预紧量相等时，定位预紧对轴承刚性增加效果较大，且刚性变化对轴承负荷影响也小很多[1]。

2.2 驱动机构典型结构形式

如图1所示，为提高驱动机构刚性和抗变形能力，角接触球轴承采用背靠背形式配置使用；并且采用内、外圈隔套进行定位预紧。

驱动机构在航空、航天领域中，属于高精度轴承支承系统，对轴承实际所承受预紧力精度要求较高，不允许多次往复拆装。通常，设计师根据运转速度、工作载荷等实际工况确定预紧力大小和精度。因此，在装配前，根据预紧力大小，精确测量出预紧力状态下的轴承轴向位移量，进而确定内、外隔套厚度差值。

3 预紧量的精密控制方法

3.1 预紧量测量原理分析

角接触球轴承轴向游隙包括原始游隙和预紧游隙两部分。原始轴向游隙指一个套圈固定，另一个套圈沿轴向从一端极限位置平行移动到另一端极限位置的最大活动量δ0。轴向预载荷作用下，套圈会进一步偏移一定位移量δa。因此，在受轴向预紧载荷作用下，角接触球轴承轴向位移量为：δ=δ0+δa。

本文自制一套预紧测量设备，实现轴向预紧载荷和轴向位移的精密测量。通过伺服压装机连续对被测轴承施加轴向预紧力；外置千分表和预紧测量工装，测量出轴向预紧位移量，如图2所示。

3.2 预紧量测量

测量方法如下：将被测轴承平稳固定在预紧测量工装上，确保轴承外圈在极限位置；设定压装设备主要参数：开始位置、停止压力和最大允许力，其他参数不变；调整高度尺保证千分表正常读数，记录千分表读数；启动设备对轴承外圈加载预紧力F、保压，记录千分表变化量，即为被测轴承在轴向预紧力F作用下的轴向位移量。

相关资料表明，轴向预紧分为轻预紧力（FL）、中预紧力（FM）和重预紧力（FH）三种，18系列轴承预紧力如下：FL=0.01Cr；FM=0.02Cr；FH=0.04Cr。以71805C角接触球轴承为例进行测量试验，Cr=4200N，设定预紧力分别为（20、42、60、84）N，实际加载预紧力（20.2、42.3、60.3、84.3）N，结果见表1。

3.3 配对轴承预紧力控制

实际生产过程中，轴承自身厚度误差、凸出量、零件加工公差均会对预紧效果造成影响，因此必须对轴承内、外圈尺寸链进行分析，如图1所示。

轴承外圈尺寸链：B=B端盖1+B1+B外+B2+B端盖2 （1）

轴承内圈尺寸链：b=b1+B内+b2+b内端盖 （2）

轴承背对背配置时，内隔套厚度小、外隔套厚度大。通常保持外隔套不变，修配内隔套厚度，它们之间的尺寸关系为：B外=B内+δ1-δ10+δ2-δ20 （3）

其中，δ1、δ2—轴承1、2轴向位移量，δ10、δ20—轴承1、2凸出量。

以上隔套宽度计算公式仅背对背配对结构形式，其他安装方式，公式有别，不再多述[2]。

4 采用摩擦力矩测试验证预紧力

由于角接触球轴承预紧测量会受到设备系统误差、测试误差、轴承精度等多种因素影响，配对轴承预紧力也受到轴承精度和零件精度的影响。因此，对配对角接触球轴承预紧力进行验证是十分必要的。

研究表明，成对角接触球轴承在结构形式、参数和润滑方式一定情况下，所受轴向载荷与摩擦力矩有固定对应关系，可将预紧力作为轴向载荷来考虑，对施加预紧力的轴承启动摩擦力矩进行计算，与实际摩擦力矩比较，判断轴承内部实际预紧力[3]。

轴承启动摩擦力矩計算公式为： （4）

式中，M—启动摩擦力矩；dm—轴承节圆直径（mm）；μ—摩擦系数（0.0012～0.0015）；F—轴向预紧力。

以角接触球轴承（71805C/P4）为例，dm=31mm。加载预紧力（20.2、42.3、60.3、84.3）N条件下，理论摩擦力矩值为（0.75～0.94、1.57～1.97、2.24～2.80、3.14～3.92）N·mm，通过试验实测摩擦力矩为（0.88、1.75、2.61、3.29）N·mm。结果表明，实际摩擦力矩与理论值基本一致，说明实际施加预紧力符合设计值。

5 结语

精确控制预紧力对成对角接触球轴承综合性能有着极为重要影响。安装使用前预紧量和相关尺寸的测量过程需要保证方法正确，不可马虎，任何不规范做法，都将影响轴承性能，降低被支撑系统旋转精度和刚度。对轴承实际预紧力进行验证是十分必要的。

参考文献

[1]张利正.角接触球轴承安装预紧浅析[J].哈尔滨轴承，2011，32（2）：59-61.

[2]王福成.一种确定轴承预紧力的方法[J].现代零部件，2006（4）：80-81.

[3]蒋蔚，粱波，李广文.配对轴承预紧力分析及测试方法[J].轴承，2001，4：25-27.