低噪声微型深沟球轴承的设计
朱重党
（中国石化三建公司宁波明州有限公司，浙江宁波315207）
摘要：分析影响轴承振动的因素，对微型深沟球轴承套圈、保持架进行参数优化设计，介绍闭式轴承结构特点 和设计方案.
关键词：套圈：保持架：深沟球轴承：微型轴承：优化设计
中图分类号：TH133.33 文献标识码：B 文章编号：1000-3762(2002)12-0007-05
Low Noise Miniature Deep Groove Ball BearingDesign
ZHU Zheng - dang
(China Petrochemical Third Gonstruction Compary Ningio MngZhou Bearing Gb. Ltd. Ningbo 315207 China
Abstraet The Fper analyes the factors affesting bearing vibration and optimiged the parameters of miniature dkcp gooveball bearing rinzs and retainers. The close - type bearing structure and design plan are also intxoduced.sap mmdo: 3eumaq amruu: ugmaq Ieq anoua dap: 3urar: Bu:sp.aom Kay
影响. 安装精度、安装预紧力等的选择都会对噪声产生
1分析影响振动的因素
影响轴承振动的原因较复杂：（1）设计参数和结构的影响.主要是以钢球的球数、套圈的壁厚、游隙影响最大：其次为保持架的结构、密封结构形 式的影响.（2）轴承零件制造误差的影响.包括零件的尺寸公差、形位公差和接触表面质量等因素的影响.从国内外最新的试验研究表明钢球、内外套圈、保持架这四大件的加工质量对轴承振动的影响程度如表！所示.
2 ：优化设计的原则
数和约束条件参照国际名牌轴承公司样品，吸取 采用优化设计方法，建立数学模型即目标函国内外比较成熟的先进技术及科研成果进行设计.
2.1优化设计
轴承额定载荷c 和刚度K. 在优化设计轴承的主参数时，设定目标函数：
表1
加工制造质量 零件 影响程度表面波纹度 钢球内圈外圈 521表面粘污物 （洁净度） 钢球内圈外圈 721几何形状误差 钢球内外圈保持果733 钢球内圈外圈 10 3 1综合质量
当D.≤25.4mm时，额定动载荷
刚度
式中 F 载荷系数
B 材料系数，球轴承取1.3载荷 钢球直径D. 单列轴承中滚动体数
很明显，钢球的质量对轴承振动影响最大，其次为内圈和外圈.主要的因素为圆度、波纹度、表面粗糙度、表面磕碰伤及洁净度等.另外润滑脂、
优化变量是钢球球径D、钢球组中心圆直径D和钢球球数z（相关填球角中）.
通过对综合目标函数优化设计，采用局部网格法和宽许分层序列法，给一个载荷的允许量6，对刚度K进行计算，筛选设计变量，求得优化的轴承主参数.使C.和K最优.
（1）对钢球球径D.的约束
约束条件为
对微型深沟球轴承而言，K=0.48~0.62.优先选取K=0.53.D.应选用标准直径钢球.
（2）对钢球组的中心圆直径D的约束
综合考虑到D、D 和z的相互关系、D与d可以不相等.套圈的最小壁厚（沟道底部）一般不应小于0.09（D-d），即D，≤1.03d.故约束条件如下：
图1填球角示意图
差0.03)
外沟曲率半径R，=f.D（允差0.03）
式中f内沟曲率系数
f外沟曲率系数
（3）对钢球球数z的约束
过去一直都是沿用内外沟等曲率半径的设计.即f=f.=0.515.后来随着时代的发展和科学的不断进步，采用了不等曲率半径的设计、f=0.515，f.=0.525，即内沟高密合度，外沟低密合度.现在根据国外最新研究试验，选取fs0.52，f.s0.56，可使内外沟道最大接触应力值相接近， 便于润滑油膜的形成，降低摩擦力矩、振动值和噪声.提高极限转速和使用寿命.考虑到采用单向加公差能更有效地保证内外圈沟道的不等曲率，故压缩沟曲率半径公差，现设计采用允差为0. 02 mm.
持架的强度、装配力的大小及装配时外圈压缩变 由于填球角约束着D、D和z，还影响到保形量.而最大允许填球角受到轴承几何结构和外圈弯曲许用应力两方面的限制.所以z的约束条件要考虑填球角中的选取.
由图1知
填球角
由于f≤0.52、f.≤0.56已经超出了f=0.515J.=0.525的范围，会影响到额定动载荷C.中的载荷系数F.，载荷能力要减小，故要对F进行修正.
载荷系数F可按下列公式进行计算：
那么填球角的约束条件为
为了在装配时不发生困难，合套容易，设计的填球角中<186°：因球数z必须取整数，并要使中s186°允许D，与d不相等.对尺寸较大的轴承可以通过使外圈弹性变形进行装配，但国外微型轴承的设计中中也有超过186°的. 2.2套圈的结构及其参数设计 增大f.的值.对F.影响程度比控制f.改变f值 通过计算后比较发现，f控制在0.52以内，的影响程度小很多.由此可见这种设计方法对 2.2.1内外圈曲率半径不等的设计 按原标准设计：内沟曲率半径R=fD.（允 F.的影响是不大的. 2.2.2外圈带游隙的沟道直径设计 内圈沟径d=D，D..精确度0.001mm，允差±0.025mm 差±0.025mm 外圈沟径d=DD精确度0.001mm，允 在我们传统的设计方法中一直按无游隙设计.对大批量的生产加工过程，假如d、D.、D的公差均为正态分布时，则理论合套率不足50%，率，往往d取上差，D.取下差，这将有80%无法 而实际生产中操作者为了保证其质量一次合格合套，只好靠选用多种钢球的规值尺寸来弥补. 在本次的优化设计中，采用较为合理的外圈沟径带游隙！的设计方法： 精确度0.001mm，允差±0.015mm. 从理论上分析，游隙Gm、G为上、下极限值.如按正常工艺技术条件加工，公差都在正态分 布时，可使轴承的一次合套率达到100%，同时减少了钢球多规值的储备成本. 2.2.3内外圈不等挡边设计 外圈挡边直径为D=D-ND.，允差0.05mm其中K=0.2~0.3. mm:内圈挡边直径为D=D KD.允差-0.03 套圈挡边直径的大小即是沟道的沟深问题，沟深涉及到轴向极限载荷的承载能力.但沟道过深又影响到加工中的生产效率.从国外著名公司产品的测绘数据来看.内圈沟深一般为0.14D以上，有的达到0.16D..一般情况下，内圈沟深 不应小于0.14D.，外圈沟深不应小于0.12D（均已包括尺寸公差）. 如图2所示，若设计采用浅沟（K取较小值），当轴承在有较大径向游隙，并且承受一定的轴向载荷时，按兹（Hertz）弹性力学理论分析.钢球与 内外圈沟道之间产生弹性接触变形，即通常所称的赫兹接触椭圆.由于载荷大小不同、接触体的主曲率及相对接触位置不同，将会产生大小不同的椭圆压力面积.此时钢球与沟道在边缘的接触将出现不完整的橘圆截断现象，该处会产生应力 集中，易发生疲劳损坏，也就造成轴承过早失效，同时增大了轴承的振动值和噪声，不利于低噪声 深沟球轴承的生产.而采用优化沟深设计，取外圈沟深小于内圈沟深，外圈为正公差，内圈为负公差.使外圈沟道接触椭圆长短轴之比a/b.比内圈的a/b小，保证浅沟的外圈沟道与钢球的接触区域在边缘位置之内，使接触面椭圆不会出现截 断现象. 图2钢球与沟道的弹性接触变形 2.2.4沟位置偏差的设计 沟位置偏差的允差为±0.015mm. 2.3浪型保持架的设计 保持架在轴承中与钢球构成运动副，在低噪声深沟球轴承的优化设计中，为了降低振动值，采 用国际通行的真圆球兜、加宽（或单侧不对称加宽）保持架宽度，减小过度圆角、压缩K值、提高其精度自的是增大对钢球的包容面减少钢球在保持架球兜内的窜动量（也可避免保持架在轴承内部的窜动）. （1）保持架宽度B.的选取 上式中，括号内的系数尽量取大值. 在其他设计参数不变的条件下，保持架宽度愈宽，窜动量愈小.但保持架宽度又受到装配条 件的限制（带爪保持架弯爪的最大外径与外圈最小内径间，必须有便于弯爪模工作的适当间隙，取0.7/0.8mm，以便弯爪模弯爪）. 为了使保持架其有一定的宽度文方使装配，往往采用以下措施： ①采用不对称设计，即在保持架中心径（球兜组中心圆直径）与钢球组的中心圆直径D 一致的条件下保持架在D内的宽度大于D外的宽度. 带爪保持架弯爪后的外径在保持架外径 D.内，不带爪保持架非兜孔处带凹口. （2）保持架兜孔深度K K=0.5D （0.02~0.03）、精确度0.005mm （3）保持架兜孔内球面半径R R =K（0.03~0.05） 精确度0.01mm. （4）结构参数B.、K和R的最终确定 由于浪型保持架是在由钢球引导的工作条件下转动，绝不充许保持架与内、外圈挡边接触，因此初步计算参数BR和K后，要对保持架的窜动量计算.钢球与球兜应按接触点在球兜边缘的 位置，因此我们在计算保持架最大窜动量E时应用以下公式 近似计算可用下式： E x = 0. 96 B - 3闭式（密封）轴承的设计 经注入一定的润滑脂的闭式轴承来说，大多数是 由于微型深沟球轴承在实际使用当中，对已作为无维护运转”一次性使用的，这样有助于简化轴承周围的零件，同时有利于电器的结构和体积等方面的设计.因此闭式轴承在市场中占有较大的份额，其设计的好坏影响到轴承产品质量水平. 闭式轴承是深沟球轴承的变型结构、是在基型上加装了两端的密封圈或防尘盖.主要分为三类：（1）可拆卸式防尘盖.（2）固定式防尘盖.（3）橡胶密封圈，包括接触式密封圈和非接触式密封圈. 目前主要是后两种应用较多. 闭式轴承除外圈设密封槽外，内外圈沟道对两端面对称度也有要求，还要控制外圈挡边直径D的公差和内圈挡边直径d的公差：套圈的其余尺寸、钢球、保持架等均与基型完全一致.国际 上普遍采用开闭和闭式基本代号相同的不同轴承宽度设计（开式宽度为B闭式宽度为B）在实际设计时参考国外一些不同的设计准则，结合实 际情况，拟定以下的设计方案. （1）外圈同一密封槽型.密封圈、防尘盖在外圈上的密封槽采用同一设计尺寸的槽型，主要是周期.同时，接触式密封圈外径密封唇与非接触 为了方使实际生产的物料管理、减少加工成本和式密封圈外径密封唇也可取采用同一设计尺寸. 在设计槽型时应考虑以下几种参数： ①槽止口最小宽度20.3mm，以防止崩口. 易掉盖，因此选取a=45°2°. ②压坡角a<45°时很难冲压盖，但a太大容 ③为了兼顾密封圈与槽接触处，可采用槽底接触和斜面接触两种方法，以及防止掉盖或密封圈滑落，斜面部分不能过窄，因此斜面部分的宽度应保持在0.3mm左右. 本设计的密封圈外唇采用径向定位、轴向引导.径向、侧向联合压缩的定位方法.对密封槽加工精度要求低，定位配合可靠.同时为了减少对外圈的变形力，外唇处开减压槽. （2）接触密封副采用内圈带平直台阶.密封圈内径采用双唇密封.外部唇与内圈台阶有一定间隙，内部唇与内圈台阶垂直面轴向接触.该接触式结构的特点是：密封间隙长，具有动压密封效果：接触压力小，密封寿命长，内圈加工方便.而 非接触式结构的特点是：内圈挡边不带台阶，可磨削加工，其精度高，密封圈避开了轴向公差、轴向游隙的影响，双唇密封效果良好. （3）防尘盖结构采用外卷边、内翻边、开奇数槽.防尘盖外卷边、内翻边，可增加防尘盖的刚 度、强度：径向开奇数槽比开偶数槽对盖的整体刚度、强度都有提高.装压时防尘盖变形小，可减少装配时压力和由装配形成的防尘盖整体外涨力，减小外圈变形. 密封和防尘副的设计应达到以下几项基本要求： ①密封圈和防尘盖与外圈密封槽要紧密结合，达到绝对不漏脂，与内圈间的漏脂量不应超过有关标准的规定. 密封圈与防尘盖在轴承静止或运转状态下均不能与保持架相碰，非接触式密封圈与防尘盖在轴承静止或运转状态下，均不允许与内圈相接触. 外圈而言，不应有松动和转动，更不允许掉盖. ③在轴承运转状态下防尘盖与密封圈相对于 ④应考虑密封空间尽可能大. 公差数据的ActiveXDLL开发模式 林庆平 （永安轴承有限责任公司，福建永安366000） 摘要：利用ActiveXDLL模式进行公差数据库的调用，防止程序开发中因直接对公差数据库的调用而破坏数 据.并结合实际给出一个实例.介绍ActiveXDLL的开发方式. 关键词：ActiveXDXLL：公差：数据库 中图分类号：TP311.13 文献标识码：B 文章编号：1000-3762（2002)12-0011-04 ActiveXDLLDevelopmentMode forToleranceData LN Qing - ping(Yongan Bearing Go. Lid Yongan 366000 China) Abstract : The toleranc data hase is tranferred by using ActiveX DLL Mode the data hrcalage is pevened in pogam devekpmert which is directly transfer tolerance daa bse the practical example is given the devekpme method of ActiveXDXL is intoduced. Key word: ActiveX DLL ; tolerance ; databuse 程序开发中经常要用到共享数据，它可以提供给多个应用程序使用.由于不同的程序员独立 调用，容易造成数据的破坏，而这种破坏又较难发现问题所在，因此必须采取措施加以预防.一个较好的方法是创建一个ActiveXDLL系统.结合在开发圆锥滚子轴承设计时采用ActiveXDLL进行公差数据调用的方法，简介如下. 2建立数据库 据库（重要）公差.mdb 首先建立公差数据库：D：林庆平产品数 建立数据库表：PONeiQuanZhuang（内圈装配图公差） POWaiQuanZhuang（外圈装配图公差） PONeiQuan（内圈零件图公差） 1运行环境 POWaiQuan（外圈零件图公差） POGmZ（滚子零件图公差） 操作系统：Windows98数据库：Access2000 轴承内圈的直径公差和径向圆跳动.包含6个字 今以PONeiQuanZhuang为例，该表公差值包括段：dm、d、V、V和k.字段数据类型为文本型（当然也可为数字型，只要在程序中修改有关属性类型即可）. 开发语言：Visual Basic 5.0 收稿日期：2001-12-26作者简介：林庆平（1976-），男，福建仙游人，永安轴承有限责任公司助理工程师，主要从事轴承产品设计工作. （以最大可能的轴向游隙为计算依据）. ③外圈密封槽底与轴承外径之间应保持一定的厚度. 防尘盖、密封圈不允许与保持架相碰（以最进行计算验证）. 大可能的径、轴向窜动量以及轴承的径、轴向游隙 防尘盖与密封圈不允许超出轴承端面. 防尘盖、密封圈设计后必须对下列项目进行验证： （编辑：张葵） 防尘盖内侧翻边不允许与内圈台阶相碰
