CN101328933B - 高精度推力向心组合圆锥滚子轴承 - Google Patents
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Abstract
高精度推力向心组合圆锥滚子轴承。设止推座圈和动圈，两者间装推力圆锥滚子和保持架；设静止内圈与动圈之间装向心推力圆锥滚子和保持架；由此将形成承受轴向载荷的推力圆锥滚子轴承和承受径向载荷的向心推力圆锥滚子轴承组合为一体。实现承受大推力、大向心载荷的能力，且装调节压环产生零或负游隙，满足数控立车高精度、高刚度、较高转速转台的要求。与现有较佳的INA公司三排短柱轴承比重量仅为89.7％，但轴向、径向动荷分别为3.7和2.1倍，其轴向、径向静载荷分别为2.864和1.54倍。滚道和挡边母线用特殊设计，消除滚子打滑，运转温度低，极限转速高。此结构加工内径、滚道、挡边等均可一次定位、装夹，旋转精度高，径向、轴向跳动能达到≤3μm。可用于高精度数控立车、立磨转台、雷达转台等。
Description
(一)技术领域：本发明涉及一种推力向心圆锥滚子轴承，属轴承类(F16C)。
(二)背景技术：
查阅国内外现有滚动轴承资料，转盘轴承的结构有如下几种：①四点接触单排球转盘轴承。②四点接触双排球转盘轴承。③两点接触双排球转盘轴承。④交叉圆柱滚子转盘轴承(单排)。⑤交叉圆锥滚子转盘轴承(单排)。⑥三排短圆柱滚子转盘轴承。
转盘轴承广泛用于要求承受较大轴向力及倾覆力矩的装备上，如：起重吊车、塔吊、堆取料机、钢包转台、火炮转台、雷达转台、风力发电用变桨偏航支承。这些转盘轴承的承载能力较高但精度不高，转速较低。
近期收到INA公司于2004年推出的《复合载荷的高精度轴承》样本，其推荐的结构为三排短圆柱滚子转盘轴承及两点接触双列球转盘轴承两种，其中内径850～950mm×外径1095～1200mm×高度124～132mm的三排短圆柱滚子轴承的轴向、径向跳动为12μm，最高精度可达6μm，其极限转速为40rpm。与一般用途的转盘轴承比较，无论精度还是转速都得到了较大提高。但是，这两种结构的转盘轴承的精度和刚度与我们研制的数控立车、数控立磨的高精度、高刚度、较高转速转台的要求比较仍有差距，且两种结构均不能在安装使用中调整游隙，确保需要的高精度、高刚度的要求。
(三)发明内容：
本发明提出的高精度推力向心组合圆锥滚子轴承，就是解决上述现有的六种转盘轴承结构，不能满足研制的数控立车、数控立磨需要的高精度、高刚度和较高转速(＞60rpm)要求的问题。其技术方案如下：
高精度推力向心组合圆锥滚子轴承，其特征是：
A.设一个静止的止推座圈1和一个中间的动圈4，4n，两者的滚动面间周向装若干个推力圆锥滚子2和隔离滚子的推力圆锥保持架3；中间的动圈4，4n有下滚道及滚道母线2.1和推力挡边及挡边母线2.3；由此形成承受轴向载荷的推力圆锥滚子轴承；
B.设一个圆锥内圈7，其外滚道与中间动圈4，4n的上滚道间周向装若干个向心推力圆锥滚子5和隔离滚子的向心推力圆锥保持架6；动圈4，4n有上滚道及滚道母线5.1；圆锥内圈7有挡边及挡边母线5.4；由此形成承受径向载荷的向心推力圆锥滚子轴承；在圆锥内圈7上端面7a装有用于调两轴承游隙的轴向位移调节压环8.3；
C.中间的动圈4，4n外周不设或设置与应用设备相配合的外齿4.1和连接孔4.2。在上述圆锥内圈7上端面7a可装有用于调两轴承游隙的轴向位移调节压环8.3。上述推力圆锥滚子2的轴心线2.2和动圈下滚道母线2.1相交于轴承轴心线OO1上同一点O2；动圈上滚道母线5.1、向心圆锥滚子5轴心线5.2和向心圆锥滚子滚道母线5.3三条线可相交于轴承轴心线OO1上同一点O5。上述推力挡边母线2.3或向心挡边母线5.4可均取为直线。
上述动圈下滚道母线2.1与水平面夹角β可取为2°～8°；上述动圈上滚道母线5.1与轴承轴心线OO1夹角α1可取为8°～16°或夹角α2取为40°～60°。上述圆锥内圈7大端面7a凸出高度h7小于圆锥内圈7挡边的厚度b7。上述推力圆锥保持架3和向心推力圆锥保持架6可采用支柱保持架、冲压保持架或实体保持架。
对结构参数尺寸设计说明如下：①轴承外形尺寸包括外径D，内径d，高度H应尽可能采用国标GB/T273.2-1998规定的推力轴承外形尺寸总方案值，但满足上述高度h7小于厚度b7。也可以根据主机要求及允许轴承的安装空间，按非标准外形尺寸进行设计。②轴承各零件尺寸：按上述结构设计原则以及发明人独创的极限设计专有技术.制订了各零件尺寸、角度设计计算公式，近期将在本结构发明专利的保护下，推出成系列的产品。③本发明轴承的额定轴向、径向动载荷、额定轴向、径向静载荷按国标GB/T6391-2003及GB/T4662-2003计算获得。
本发明有益效果：
1)结构紧凑、尺寸小、重量轻、额定载荷高
现将自制高精度车床、磨床转台设计的本发明高精度推力向心圆锥滚子轴承与INA公司尺寸最大的高精度三排柱轴承有关数据列于表1.
表1
由表1数据表明：本发明轴承外径D内径d之差及高度H值均小于INA轴承之值，重量只是INA的89.7％，但基本额定载荷中：轴向、径向动载荷分别为INA的3.7倍和2.1倍，其轴向、径向静载荷分别为INA的2.864倍和1.54倍。
2)用本发明结构各套圈加工工艺性好，可提高轴承的旋转精度。
INA公司推出的高精度推力向心三排圆柱转盘轴承，除前述缺点外，其内圈带有二个平面滚道，一个圆柱滚道，而两个平面滚道必须两次定位、装夹才能完成加工，影响精度的进一步提高，因此，表1所列INA公司YRT950轴承的最高旋转精度只能定为径向和轴向跳动≤6μm。
本发明的轴承结构，无论动圈的推力滚道、推力挡边圆锥滚道，还是圆锥内圈7的内径、滚道、挡边，均可在高精度的数控磨床上一次定位、装夹完成加工，消除了重复定位的装夹误差，提高了加工精度。以我们拥有的高精度数控磨床，加工(表1)所列发明例，其径向、轴向跳动预期能达到≤3μm，如采用超精研、研磨等精密加工工艺，还能进一步提高精度。
3)满足了高精度转台对轴承高刚度的要求
见图3，由于本发明轴承的止推座圈1、内圈7均分别置于静止的轴肩8.1和轴8.2上，只要轴肩和轴的刚性好，座圈及内圈的刚性就好。本发明组合轴承结构所确定：内圈7通过调节压环8.3可作轴向位移，从而可使动圈在轴向及径向获得负游隙(即过盈)或零游隙，确保其具有足够的刚性。此外，轴承承受外加载荷时，其套圈、滚动体将产生弹性变形，此种变形与额定载荷、接触应力、游隙变化密切相关，额定载荷大，接触应力小，游隙小则弹性变形小，刚性就好。本发明的轴承，由于承载能力大，且可调整游隙，故由弹性变形产生的刚性增强，大大优于其它结构的轴承。(受力分析在下面结合附图说明)
3)极限转速高
推力向心三排短圆柱滚子转盘轴承，其滚子在平面滚道上滚动时存在严重打滑现象，摩擦力产生的热量大，由运转温度(≤100℃)决定的极限转速较低。本发明轴承，在轴向和径向均采用了滚动母线与滚子轴心线交汇于轴承轴心线上一点的设计规则，消除了滚子在滚道上的打滑现象，加上两个挡边母线均为直线，其运转温度低，极限转速高。
4)设计的两圆锥轴承锥角β、α1和α2的选择范围，使本发明轴承处于最佳承载能力。
5)设计高度h7＜厚度b7，用以限制轴承高，缩小外形尺寸。
(四)附图说明：
图1本发明实施例1轴承结构图
图2本发明实施例2轴承结构图
图3本发明实施例1轴承应用于立车转台示意图
图4本发明实施例2轴承应用于高精度转盘轴承转台(远程高精度定位的雷达装置)结构示意图
(五)具体实施方式：
实施例1：本实施例1轴承(见图1)应用于立车转台(见图3)。
见图1，设一个静止的止推座圈1和一个动圈4，两者滚动面间装若干个推力圆锥滚子2和隔离滚子2的保持架3；动圈4有动圈下滚道及滚道母线2.1和推力挡边及挡边母线2.3，由此形成承受轴向载荷的推力圆锥滚子轴承。设一个静止圆锥内圈7，它的外滚道5.1与动圈4间周向装若干个向心推力圆锥滚子5和隔离滚子5的保持架6；动圈4上有上滚道及滚道母线5.1，圆锥内圈7有挡边及挡边母线5.4；由此形成承受径向载荷的向心推力圆锥滚子轴承。保持架3和6可采用支柱保持架3，当小尺寸滚子也可采用冲压保持架或实体保持架。推力圆锥滚子2的轴心线2.2和动圈下滚道母线2.1相交于轴承轴心线OO1上同一点O2。推力滚道母线2.1与水平面夹角β取为2°～8°。动圈上滚道母线5.1、向心圆锥滚子5轴心线5.2和向心圆锥滚子滚道母线5.3三条线相交于轴承轴心线OO1上同一点O5。动圈上滚道母线5.1与轴承轴心线OO1夹角α1取为8°～16°。圆锥内圈7大端面7a凸出高度h7小于圆锥内圈7挡边的厚度b7。
见图3，立车转台与实施例1关连的构件有如下：静止支承台8A、可转动的转台9A和工件10。实施例1轴承装于支承台8A和转台9A之间。轴承动圈4上可开通孔装连接件4a将动圈直接固定于转台9A。也可设固定于转台9A的夹板4b，夹紧动圈，均用于防止动圈和转台间打滑，减少磨损。实施例1轴承承受轴向力Pa、径向力Pr和倾覆力矩M。轴向力Pa为刀具加工施加的轴向切削力Pa1和转台工作自重Pa2之和。径向力Pr为刀具加工施加的径向切削力(周向切削力和周向力矩由转台齿轮承受。)倾覆力矩M＝Pr×h10-Pa1×R10，h10为径向切削力作用点至轴承滚子5受力点间距。R10为工件10外周半径。轴承止推座圈1支承于支承台8A静止的轴肩8.1上平面，内圈7紧套于支承台8A静止的轴8.2外圆。作用在动圈4上的轴向力Pa(Pa1+Pa2)，由座圈传递到轴肩的支反力平衡，径向力Pr则由内圈传递到轴的支反力平衡，而作用在动圈4上的倾覆力矩M，则由座圈另一侧的轴向支反力平衡。
见图3，圆锥内圈7上端面7a装调节压环，即螺母8.3，在静止轴8.2顶端设外螺纹8.21与螺母8.3内螺纹啮合，旋转螺母8.3施压并使圆锥内圈7轴向位移，使动圈4在轴向及径向获得零游隙或负游隙，满足了高精度转台对轴承高精度、高刚度要求。
本发明实施例1轴承还可应用于数控立车、立磨用高精度、高刚度、高速度转台上，如：应用于自主研制的Φ2500、Φ3500高精度数控立车、高精度数控磨床的立式转台，即用本发明图1轴承装于改进前原C525机床立式转台，将原用的轴向油膜轴承，径向滚动轴承全部以本发明的一套轴承替代，不仅简化了结构，减少了零配件，其转台高度大大降低，大幅度减轻了重量，节省了机床成本，并突出地保证了转台应具有的高精度、高刚度、高转速等各项要求。且能承受大推力、大向心载荷的能力。
实施例2：见图2，图4
本实施例2轴承(见图2)应用于高精度转盘轴承转台(见图4)，即远程高精度定位的雷达装置。实施例2轴承除以下结构及特征与实施例1(见图1)不同外，其余完全相同：
见图2，①动圈采用4n替代图1动圈4，即外周设置与应用设备相配合的外齿4.1和连接孔4.2。②向心滚道母线5.1与轴承轴心线OO1夹角α2取为40°～60°。若选择更大的角度α2将大幅度降低本组合轴承的径向承载能力。
见图4，实施例2轴承安装于雷达装置后，有关结构如下：静止的止推座圈1和内圈7装于静止轴承座8B外，轴承座8B固定于下面支撑的基座11；顶部可转动的塔台9B通过动圈4n上连接孔4.2与动圈连接并可随同转动。通过外齿4.1与传动装置连接。圆锥内圈7上端面7a装螺母8.3，在静止轴8.2顶端设外螺纹8.21与螺母内螺纹啮合，旋转螺母8.3施压并使圆锥内圈7轴向位移，使动圈4n在轴向及径向获得零或负游隙，满足了高精度转台对轴承高精度、高刚度要求。
Claims (2)
1.高精度推力向心组合圆锥滚子轴承，其特征是
A.设一个静止的止推座圈(1)和一个中间的动圈(4，4n)，两者的滚动面间周向装若干个推力圆锥滚子(2)和隔离滚子的推力圆锥保持架(3)；中间的动圈(4，4n)有下滚道及下滚道母线(2.1)和推力挡边及推力挡边母线(2.3)；由此形成承受轴向载荷的推力圆锥滚子轴承；
B.设一个圆锥内圈(7)，其外滚道与中间的动圈(4，4n)的上滚道间周向装若干个向心推力圆锥滚子(5)和隔离滚子的向心推力圆锥保持架(6)；动圈(4，4n)有上滚道及上滚道母线(5.1)；圆锥内圈(7)有挡边及挡边母线(5.4)；由此形成承受径向载荷的向心推力圆锥滚子轴承；在圆锥内圈(7)上端面(7a)装有用于调动圈游隙的轴向位移调节压环(8.3)；调节压环(8.3)采用与轴(8.2)顶端外螺纹(8.21)啮合的螺母(8.31)；所述轴(8.2)为与上述高精度推力向心组合圆锥滚子轴承相配合的应用设备的轴(8.2)；
C.中间的动圈(4，4n)外周不设或设置与应用设备相配合的外齿(4.1)和连接孔(4.2)；
D.推力圆锥滚子(2)的轴心线(2.2)和动圈下滚道母线(2.1)相交于轴承轴心线OO1上同一点O2；动圈上滚道母线(5.1)、向心推力圆锥滚子(5)轴心线(5.2)和向心推力圆锥滚子滚道母线(5.3)三条线相交于轴承轴心线OO1上同一点O5；
E.推力挡边母线(2.3)和挡边母线(5.4)均取为直线；
F.所述动圈下滚道母线(2.1)与水平面夹角β取为2°～8°；所述动圈上滚道母线(5.1)与轴承轴心线OO1夹角取为8°～16°或取为40°～60°；
G.圆锥内圈(7)上端面(7a)凸出高度(h7)小于圆锥内圈(7)挡边的厚度(b7)。
2.权利要求1所述高精度推力向心组合圆锥滚子轴承，其特征是推力圆锥保持架(3)和向心推力圆锥保持架(6)采用支柱保持架、冲压保持架或实体保持架。
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