交叉滚轮轴承设计..doc

洛阳理工学院毕业设计（论文）十字交叉滚轮轴承的设计摘 要轴承是当代机械设备中的一种重要零部件，主要是用来支撑旋转体或其他运动体，引导或移动运动并承受由轴或轴上零件传递而来的载荷。随着技术的革新和轴承的发展，轴承种类也越来越多。其中的滚轮轴承主要应用低速、重载、受一定冲击的场合，应用相当广泛，但是在一些需要双向定位和滚动导向的场合，如电梯、升降机、重型机床和绕固定轨道行走的机械中就需要一种特殊的轴承十字交叉滚轮轴承。十字交叉滚轮轴承不仅结构简单，因为该轴承的大、小滚轮外径的素线相互垂直，所以可以进行双向定位和滚动导向，稳定性和可靠性很高，也可减少磨损和驱动功率。此次设计就是进行十字交叉滚轮轴承的学习，首先根据设计要求进行各组成部分的设计，再进行负载和寿命的计算，最后再编制加工工艺，系统的学习十字交叉滚轮轴承的知识。深入研究十字交叉滚轮轴承。关键词：机械设备，双向定位，滚动导向，十字交叉滚轮轴承 Cross roller bearing designABSTRACTBearingisanimportantpartofcontemporarymechanicalequipment,whichismainlyusedtosupporttherevolverorothersports.Itcanguideormovesportsandbeartheloadtransferredbyaxialshaftparts.Withtheinnovationoftechnologyandthedevelopmentbearing,therearemoreandmorebearingtypes.Rollerbearingsareextensivelyappliedinlowspeed,overloadingandshockedoccasions.Butinsomeoccasionsthattwo-waypositionandrollingguide,suchaselevator,heavymechineandfixedorbitroundtowalkmachineneedaspecialbearing,thatiscrosswheelbearing.Thestructureofrollercrossbearingissimple,becausethelargeandsmallrollerbearingsoutergrainlineisvertical,itcannotonlyundertaketwo-waypositionandrollingguide,stabilityandhighveilability,butalsoreducewearanddrivingpower.Theobjectiveofthisdesignistoproceedthestudyofthecrosswheelbearing,meettherequirementisthefirstpartofthisdesign,andthenthecalculationofloadandlifefinallytopreparethelearningprocesssystemofcrossrollerbearing.Thesecontributetodeepstudyofcrossrollerbearing.KEY WORDS: machinery and equipment，two-way positioning，rolling guide，cross2目录前言1第1章 十字交叉滚轮轴承结构特点及应用31.1十字交叉滚轮轴承的结构特点31.2十字交叉滚轮轴承的应用场合4第2章 十字交叉滚轮轴承的设计方法52.1十字交叉滚轮轴承的设计方案的选择52.2确定型号和参数52.3交叉滚轮设计的总体思想52.4各部分的设计计算62.4.1大滚轮轴承内孔直径d和小滚轮外径的确定62.4.2轴承外壁壁厚、外圈滚道体直径初值的确定72.4.3大滚轮轴承的设计计算和额定载荷82.4.4小滚轮轴承的设计计算和额定载荷92.4.5芯棒、定位套和大挡圈的设计与计算102.4.5 关于的选取132.4.6关于定位套槽宽与大挡圈槽宽132.4.6此次设计中技术条件的制定14第3章 十字交叉滚轮轴承各部分零件加工工艺153.1 大、小滚轮轴承的加工153.1 定位套的加工15结论16谢 辞17参考文献18附录19前言毕业设计是教学计划中最重要的一个综合性创造性实践性教学环节，是实现工科学生培养目标的关键教学环节。也是毕业生毕业前对所学知识的一次较全面的综合训练，对全面提高毕业生的素质，使之能较好地适应工程实践的需要。通过毕业设计，学习系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工作问题，巩固和加深对所学知识的理解，使自己的认知提高到一个新的水平。通过毕业设计的实践，培养调查研究习惯和工作能力，熟练使用有关标准和资料，查阅工具书和参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果。通过毕业设计不但能提高解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且应建立正确的设计和科研思想，加强科学性，牢靠树立实事求是和严肃认真的工作要态度。本次毕业设计以为某用户研发的一个特殊结构的新产品轴承十字交叉滚轮轴承的设计为题。首先通过对设计任务书的分析，明确了设计要求，分析设计的原始数据和工作条件，复习专业课程的有关内容，准备好参考资料，然后开始具体的设计工作，最后画图，编写设计说明书。首先介绍滚轮轴承，所谓滚轮轴承，即指轴承外圈不装入机座孔、轴承箱或轴承座内， 而是直接在钢制轨道上滚动的轴承。这种轴承从结构上讲，基本符合轴承的特征；从使用功能上讲，不完全具备轴承的工作特征， 它兼有轴承和滚动轮毂的作用；从形式上讲， 滚轮轴承有一个显著的特点，就是外圈壁厚比内圈壁厚厚，滚动体直径也大得多。由于滚轮轴承的外圈兼有轮毂的作用，就省去了配装在外圈上的轮毂，使轮毂与外圈合为一体，因此，可简化机构结构， 减少机构体积，重量和零件数量，降低机器制造成本，便于安装，维修， 以及增强轴承的负载能力。从滚轮轴承的工作状态可以看出，滚轮轴承的外形精度并不高，可低于普通轴承的精度要求，但是其内部尺寸和零件(滚道，挡边及滚动体)的精度应等同于普通轴承的精度要求。在某些特殊的场合，滚轮轴承的精度要求特高，如易拉罐生产线上所使用的一种滚轮轴承，其精度要求达到c，d级水平。滚轮轴承一般都在重载、低速的条件下工作，并且还承受一定的冲击载荷， 为了使滚轮轴承保持一定的韧性，往往使其热处理硬度低于常规轴承的硬度。在有些场合，滚轮轴承的转速很高，如有色金属薄板轧制线上的一种滚轮轴承。按滚轮轴承的结构特点和工作性能， 可将其大致分为四种基本类型： 螺栓型滚轮轴承 平挡圈型滚轮轴承， 重型输送链用滚轮滚子轴承和行走机械用滚轮滚子轴承。在滚轮轴承中，十字交叉滚轮轴承是滚轮轴承中非常特殊的一种，十字交叉滚轮轴承的大、小滚轮外径的素线相互垂直，该轴承可用在需作双向定位和滚动导向的场合中。正因为此十字交叉滚轮轴承地稳定性和可靠性很高且结构简单，所以应用比较广泛。下面主要研究交十字叉滚轮轴承的结构特点、应用场合、结构设计和主要部分的加工工艺。 第1章 十字交叉滚轮轴承结构特点及应用1.1十字交叉滚轮轴承的结构特点十字交叉滚轮轴承的基本结构型式如图11所示，它是由大滚轮、内圈、滚子、大挡圈和卡簧等零件构成的一套满装圆柱滚子滚轮轴承(以下简称大滚轮轴承)，由小滚轮、滚针和小挡圈等零件构成一套无内圈满装滚针滚轮轴承(以下简称小滚轮轴承)，以及芯棒和定位套所组成。其中小滚轮轴承通过芯棒与定位套连成一个单元，该单元再装入大滚轮轴承内孔，就形成了大、小滚轮外径素线相互垂直的十字交叉滚轮轴承。图1-1 十字交叉滚轮轴承的基本结构为了保证十字交叉滚轮轴承的充分润滑，在定位套、芯棒等零件上都布置了油孔、油槽，润滑剂可便地进入大、小滚轮轴承内。1.2十字交叉滚轮轴承的应用场合由于交叉滚轮轴承具备两个相互垂直的滚轮轴承，两个滚轮轴承的外径表面可分别在两个相互垂直的导轨面上滚动，所以该轴承可用在需作双向定位和滚动导向的场合中。如升降机、电梯、重型机床和绕固定轨道运行的行走机械等。下面就使用较广的垂直升降机的应用状况作一说明。如图12所示，交叉滚轮轴承的定位套焊接在导轮架上，导轮架用螺栓固定在升降机的升降箱体(安装时应注意使小滚轮外径素线平行于与导轨表面相对运动的方向)，大滚轮的外径表面与槽形轨道的某一侧面接触，小滚轮的外径表面与槽形轨道的正面接触，这样，当交叉滚轮轴承随升降箱在垂直于水平面的方向上下运行时，大、小滚轮轴承就在轨道的侧面和正面上滚动，进而起到定位和滚动导的作用。交叉滚轮轴承在垂直升降机上是成组使用的，一般在升降箱的上、下两端各安装四套，且将大滚轮轴承对着载荷的主要方向.垂直升降机改用交叉滚轮轴承后，简化了升降机的结构，基本上消除了升降机箱体的摆动，提高了定位和导向精度，使升降机工作的平稳性和可靠性增加，并且还减少了磨损和驱动功率。目前交滚轮轴承已有十多个规格的产品供用户使用，其中大滚轮外径D的范围为70l91mm，安装直径为35100mm，安装高度图1-2 十字交叉滚轮轴承的应用第2章 十字交叉滚轮轴承的设计方法2.1十字交叉滚轮轴承的设计方案的选择十字交叉滚轮轴承根据用户的不同需要和应用场合的要求可以进行多种变型设计，较常见的一种变型结构如图12所示该变型结构取消了大挡圈，而增加了个带挡边的连接套。图11中的大挡圈与定位套顶端的配合深度浅且工艺上难以把握好配合的过盈量，过盈量过大，装配困难；如过盈量过小，就会导致大挡圈内槽两侧面与两个小挡圈的端面发生错位使两者之间发生干涉。虽然可以将大挡圈的内槽宽 C3(见图5)做得比定位套槽宽C2(见图4)宽一些，以消除干涉现象，但定位套槽两侧面常进行表面热处理。图2中的定位套和连接套强度较差，但是当用户安装不妥，使小滚轮外径表面素线不与轨道表面的相对运动方向平行时转动连接套，可适当调节小滚轮外径表面素线的方向，使其与相对运动方向平行。对相同外形尺寸的交叉滚轮轴承而言，图l中的小滚轮轴承比图2中的小滚轮轴承的载荷能力强，基于此点，一般情况下，十字交叉滚轮轴承均按图l的结构型式设计当用户有特殊要求时，才按变型结构设计.经分析确定选用图11结构形式2.2确定型号和参数通过比较选择25.23.190型，给定了大滚轮外径D=190、大滚轮宽度C=48、总高T=84.5、安装直径=100、安装高度=64.5和小滚轮宽度C1=50 等外形尺寸，大、小滚轮轴承的基本额定动载荷 基本额定静载荷等载荷参数和该型号轴承的极限转速。2.3交叉滚轮设计的总体思想交叉滚轮轴承的设计，应根据给定的参数，并结合应用场合的实际情况进行设计，在设计时应首考虑哪些部分是最主要的，是需要首先保证的，然后逐步进行设计。下面根据上述外形尺寸和载荷参数，按图11所示的结构型式进行设计。2.4各部分的设计计算2.4.1大滚轮轴承内孔直径d和小滚轮外径的确定根据图11所示，并参考了与大滚轮外径、宽度相同(或接近)的平圈型满装圆柱滚子滚轮轴承的外形尺寸，以及有关标准和样本，可知大滚轮轴承内径d与定位套的安装直径相同或接近 考虑到标准化、通用化和系列化的要求，及制造、检测上的方便，在设计上d原取与相同的公称尺寸，即 d = (1)但因小滚轮外径与d有关，即d越大,就可以随之取大，越大，小滚轮的载荷能力越强。经分析验算确定d=105根据图l所示的装配关系和几何关系可知，小滚轮轴承的大部分套在大滚轮轴承内孔中，并要在内孔中灵活地旋转，所以小滚轮外形轮廓投影(为长方形)的外接圆直径应小于大滚轮轴承的内孔直径，即有式中 小滚轮的最小倒角,本案例取1.1 K 小滚轮轴承在最大轴向位移的情况下不与大滚轮轴承内孔发生干涉，并保证小滚轮轴承能灵活旋转的安全系数，通常取 由上式可导出 (2)(=60)从(2)式可看出要想增加值，可通过加大倒角坐标，减小安全系数K。但的增加是有限度的而K的取值除了要避免发生于涉外，还应考虑装配方面的问题，因此K的减小也是有限的。故当初步取得的值，经调整小滚轮轴承内部各设计参数后，仍不能满足载荷方面的要求时，可适当增大d值。但是，当d增大后，又影响到大滚轮轴承的载荷能力, 所以在设计交叉滚轮轴承时，要综合考虑大、小滚轮轴承的载荷能力，适当选取d、D2值。使大、小滚轮轴承的载荷能力均达到样本上的参数要求。 在以下部分会进行初值得的分析验算。 2.4.2轴承外壁壁厚、外圈滚道体直径初值的确定由滚轮轴承的工作状态可知滚轮轴承的外圈外径表面直接在轨道上滚动，除承受较大的压力外，还承受一定的冲击载荷， 因此外圈必须有足够的抗压强度和冲击韧性。为了能够达到这种性能，除了改变外圈的材料或选择合适的热处理工艺外，更重要的是必须增大外圈的壁厚I， 因而这类轴承相对常规轴承来说，其外圈壁要厚得多。另一方面，外圈壁厚的增大，就相对削弱了滚动体直径和内圈壁厚，减小了滚动体中心圆直径，这就影响到滚轮轴承的动负荷和静负荷能力，所以外圆壁厚的增大也不是无限制的。也就是说外圆壁厚取值要求获得抗压强度，冲击韧性额定负荷诸方面的综合最佳效果。此外圆壁厚的取值是滚轮轴承设计的关键所在；严格地说，滚轮轴承外圈的取值，应该通过理论分析和试验结果来求得，但因目前对滚轮轴承的研究还不够深入，实验条件也不具备；且用量还不广泛，因此暂不能做到这点而只能在对部分样品进行测量比较和统计分析的基础上，对滚轮轴承进行系列的扩展设计。经实践表明这种设计方法基本上是可行的，能满足客户对滚轮轴承的性能要求。 通过分析比较，发现外圈的壁厚E,滚动体中心圆直径与外圆外径D有一定的（或说是近似的）线性关系，即有 E=D =25 (1) =D= 114 (2)式中、见下表 表2-1 、系数表系数重负荷中负荷轻负荷圆柱滚子滚针圆柱滚子滚针圆柱滚子滚针0.1600.1720.210.260.1350.160050.1340.600.480.540.600.670.540.600.670.710.600.64 外圈滚道直径和滚动体直径 根据关系式 =D-2E=(1-2)D=138.7 （3） =-=（1-2-）D=15.2 由（3）、（4）式得出的、是初选值， 应圆整为15此后的计算中还要根据各个约束条件反复修正。2.4.3大滚轮轴承的设计计算和额定载荷外圈宽度C : 外圈外径D : 滚道宽度E : 挡边宽度a : 内圈内径d : 105滚子同LY-N017,尺寸为直径Dw： 长度Lw： 初定内圈滚道直径di: di=d+25=115 115 则滚子组中心圆直径Dpw= di+Dw=115+12 127初定滚子个数Z：Z=Dpw/ Dw33.2 取 Z=33 验算滚子圆周总间隙ZDpwSin(180/Z)- Dw=2.37滚子圆周总间隙应不大于滚子直径的1/4，经验算所取初值符合要求。则内圈滚道直径di115外圈滚道直径DeDpw+ Dw=127+12=139 139外圈挡边内径DbDe-0.8Dw-(0.3 0.5) 取129内圈挡边外径dbDe+0.8Dw+(0.30.5) 取149 其他尺寸见图纸额定负荷的计算：额定动负荷Cr: (按照滚动轴承 额定动负荷和额定寿命GB/T6391-2003计算)式中：常用高质量淬硬轴承钢和良好加工方法系数=1.1用于计算的滚子长度=0.94*Lw=18.8用于计算的滚子直径=Dw=12=0与轴承零件几何形状、制造精度及材料有关的系数fc:fc查GB/T6391-2003中表7，先计算，再由线性插值法求得fc。, 由线性插值法求得fc=83额定静负荷Cor: (按照滚动轴承 额定静负荷GB/T4662-2003计算)对照样本:Cr=210kN, Cor=300 kN ,基本相符。所设计大滚轮轴承合适。2.4.4小滚轮轴承的设计计算和额定载荷外圈宽度C1 : 外圈外径D2 : 滚道宽度E : 挡边宽度a : 滚子同LY-N006,尺寸为直径Dw： 长度Lw： 初定内圈滚道直径di,即芯棒直径d2为 30则滚子组中心圆直径Dpw= di+Dw=30+5=35 初定滚子个数Z：Z=Dpw/ Dw21.99 取Z22调整Dpw=35.5 35.5验算滚子圆周总间隙ZDpwSin(180/Z)- Dw=0.22滚子圆周总间隙不大于滚子直径的1/4，因此，Dpw=35.5则内圈滚道直径diDpw- Dw30.5 30.5外圈滚道直径DeDpw+ Dw=40.5 40.5其他尺寸见图纸额定负荷的计算：额定动负荷Cr: (按照滚动轴承 额定动负荷和额定寿命GB/T6391-2003计算)式中：常用高质量淬硬轴承钢和良好加工方法系数=1.1用于计算的滚子长度=0.94*Lw=32.9用于计算的滚子直径=Dw=5Cos=0与轴承零件几何形状、制造精度及材料有关的系数fc:fc查GB/T6391-2003中表7，先计算的值，再由线性插值法求得fc。, 由线性插值法求得fc=88额定静负荷Cor: (按照滚动轴承 额定静负荷GB/T4662-2003计算)对照样本:Cr=82kN, Cor=170kN ,基本相符。所设计小滚轮轴承合适。2.4.5芯棒、定位套和大挡圈的设计与计算芯捧结构如图21，它实际上是由两个互相垂直的圆柱面构成，即由与滚针内切圆直径相配的圆柱面，和与大滚轮轴承内孔相配的假想圆柱面构成。因此的公称直径与小滚轮轴承滚针的内切圆直径相等，的公称尺寸与大滚轮轴承内径d相等。图2-1 芯棒由于定位套与其配合的零件较多、结构较为复杂因此设计上应特别注意各个相关关系。定位套的结构如图22所示，它由与导轮架(或其他元件)相配的圆柱面(即圆柱面)、与大滚轮轴承内孔相配的圆柱面、定高台阶、小滚轮转动槽和芯棒安装孔等部位构成。其主要尺寸计算如下： 式中 大挡圈内壁厚 小滚轮外径表面超出大挡圈端面的高度 得34.5 20 74.5 =8 =2此外，槽宽只要取得比小滚轮轴承两个挡圈端面的轴向距离略宽，圆弧槽半径R取得比小滚轮半径(即)大12 mm就可以了图2-2 定位套大挡圈的圆弧面可以用斜面代替，具体采用圆弧面或斜面，可根据制造厂的工艺条件而定。大挡圈的结构如图23所示，它既限制了大滚轮轴承的轴向位移量，在(以下讨论的关系)时也限制了小滚轮轴承的轴向位移量，同时又起到了与定位套连接、防止灰尘、杂物进入小滚轮转动槽内的作用。其主要尺寸计算如下: 得62 28 47.37 26.61图2-3 大挡圈2.4.5 关于的选取 从图11可看出 即有(,取S=2，) 式中S大挡圈端面超过大滚轮端面的高度 另由下式可得 从两式可看出，确定后，就可以选取各个量的大小了。从图11可看出这三个量是相互制约的，当S增加时，加厚，而减小;当s减小时，减薄，而增大。一般的平挡圈型滚子滚轮轴承s量不超过2mm,但在交叉滚轮轴承的设计中为了保证大挡圈有一定的内壁厚，和使大挡圈与定位套有较深的装配深度，而尽量增加s量. 而s量过大，又太小，太小后，大滚轮的倒角就随之加大。特别是在图12所示的这种应用场合，困槽形轨道的正面与侧面的倒角太大，为了防止大滚轮与这个倒角发生干涉，大滚轮的倒角斜面必须与槽形轨道的倒角斜面有一定的保险距离。而当太小时，大滚轮的倒角就需要增大。当大滚轮的倒角增大后，不仅使大滚轮卡簧槽的轴向位置不易确定，而且大滚轮的倒角斜面还要延伸到大挡圈上，即大挡圈需要增加倒角工艺，增加了工艺上的麻烦。由上面所述的选取要综合考虑、反复计算，达到满足强度、装配深度和加工等各方面的要求。2.4.6关于定位套槽宽与大挡圈槽宽总的说来，定位套槽宽(见图22)和大挡圈槽宽(见图23)都应该比,(见图11)宽一些，但小滚轮轴承在运转过程中，小挡圈端面总要与这两个槽中的一个槽侧面发生摩擦，小滚轮轴承的轴向位移也需要靠这个槽的两侧面来限定，因此中总有一个要相对宽一些，而另一个要相对窄一些。若，则小挡圈端面与定位套槽的侧面接触状况良好，但定位套槽的两侧面需要进行切削加工和表面热处理，工艺难度较大。若，则小挡圈端面与大挡圈槽侧面的接触情况较差，虽然定位套槽可以不进行切削加工和表面热处理，但大挡圈与定位套配合的过盈量必需把握好，更重要的是轴承在装配时必须保证大挡圈槽的两侧面与小挡圈端面有较好的平行度。 比较两种方式，因时不易保证小挡圈端面与大挡圈槽侧面的平行度，轴承工作的可靠性差，一般不采用。虽然在的方式中，定位套的制造工艺要麻烦一些，但对轴承的装配精度没有较高的要求，轴承工作的可靠性也好，故应尽量选择这种方式，即定位套槽比大挡圈槽窄一些的方式。在采取的方式时，若用户对防尘没有过高的要求，则可将矩形圆弧槽孔改成直径为的圆柱形孔，以便于加工和装配。2.4.6此次设计中技术条件的制定大、小滚轮轴承(包括芯棒)的材料、热处理质量和公差等技术条件应按JB/T7754滚动轴承双列满装圆柱滚子滚轮轴承和GB6445滚轮滚针轴承外形尺寸和公差等标准的规定制定。定位套要与导轮架焊接，因此要选用与导轮架相同或接近的材料，为了槽的加工方便，我们选用ZG35的材料，将槽的基本形状铸造成型。若采用的方式，则槽的两侧面要进行切削加工，并进行表面热处理，其表面硬度为5357 HRC。定位套的各项主要公差按IT7IT8级精度选择，为保证大、小滚轮外径素线的垂直度，应严格限定芯棒孔轴心线与安装圆柱面、装配圆柱面之间的垂直度。为了保证定位套与大滚轮轴承形成一个整体，定位套与大滚轮轴承内圈、大挡圈均采用过盈配合，且大挡圈与定位套配合的过盈量大于内圈与定位套配合的过盈量。另外，为方便芯棒与定位套的装配，并使芯棒上的d,圆弧面能顺利地对准内径d的圆柱面，芯棒与定位套的芯棒孔采取小间隙的间隙配合。第3章 十字交叉滚轮轴承各部分零件加工工艺 3.1 大、小滚轮轴承的加工大、小滚轮轴承零件的加工基本上和普通圆柱轴承零件的加工一样，其基本工艺流程为锻造车削热处理磨削装配，其中根据零件的结构、精度等级和其它特殊要求进行详细的工序加工，以大滚轮外圈件为例，其详细的工艺流程为：钢材棒料加热切料分选墩粗挤孔冲孔正火粗车外形软磨端面车滚道车油沟磨车内径上的槽车外径斜坡车倒角热处理（淬回火）磨端面磨外径磨挡边磨滚道超精滚道零件退磁清洗零件总检提交装配。每道工序间都要进行工序检验。 3.1 定位套的加工定位套件的加工过程：铸造车底面、大外径、底面一侧台阶外径掉头车另一端面和另一侧外径（注意断续车削）磨底面利用电磁无心夹具支大外径磨大外径支大外径磨底面一侧台阶直径磨大外径两侧台阶端面钻孔铣槽两侧面镗孔去毛刺表面高频淬火在槽两侧面支大外径磨有槽一侧台阶直径零件退磁清洗零件总检提交装配。定位套的加工难度较大，特别是与大滚轮配合的外径表面为一不连续的圆柱面，且要有配合的要求，工艺难度较大，车