技术篇：角接触轴承的配置方式

轴承是机械中重要的元件，滚动轴承因产品以标准化、互换性和通用性好、结构简单、维护保养容易等优点，得到了广泛应用。滚动轴承的类型很多，但按承受载荷方向与公称接触角 a 的不同，可分为向心轴承和推力轴承。

向心轴承主要承受径向载荷，0° £ a £ 45° 。其中： 径向接触轴承 a = 0°（如深沟球轴承、圆柱滚子轴承等）；向心角接触轴承 ( 一般也称角接触轴承)， 0° < a £ 45° 。

推力轴承主要承受轴向载荷， 45° < a £ 90° 。其中：轴向接触轴承 a = 90° (如推力球轴承，推力圆柱滚子轴承)，只能受轴向载荷；而推力角接触轴承， 45° < a £ 90° ，以受轴向载荷为主，也可以承受径向载荷。

一般所说的角接触轴承是指向心角接触轴承， 常用的如角接触球轴承、圆锥滚子轴承等。该类轴承有单列的或多列的，以下就单列轴承进行讨论。角接触轴承由于滚动体与外圈滚道接触处法线与径向之间存在接触角 a ， 受径向载荷 Fr 时，会派生出附加轴向力 Fs ( Fs = SFsi )， 如图 1 所示。

图 1 受径向载荷的角接触轴承

由图 1 可知 Fs 通过内圈作用于轴上，所以应成对使用。成对使用时，就涉及轴承的配置方式。

1 配置方式

1.1 角接触球轴承的配置方式

角接触球轴承有两种结构：一是人们常用的锁口在外圈上的轴承(70000 类)，如图 2（ a） 示；二是锁口在内圈上的轴承，如 B70000 型和 SN70000 型，如图 2(b)示。

(a)锁口在外圈(b) 锁口在内圈

图 2 结构不同的角接触球轴承

2.1.1 锁口在外圈上的角接触球轴承

若两套轴承分别装于同一轴的两个支点上(设轴为短轴，支点采用两端单向固定的方式)，其配置方式有两种:一种为正安装(正配置)，或称面对面安装，如图 3(a)所示，此种配置方式两轴承外圈的窄边相对，从另一方面看，两轴承的载荷作用中心 a 、b ( 即轴承中各滚动体的载荷矢量与轴中心线的交点)，落到支承跨距点 c 、 d (即轴承宽度中点处所在的径向平面与轴中心线的交点)之内；另一种为反安装(负配置)，如图 3(b)示，或称背对背安装，此种配置方式两轴承外圈的宽边相对，两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之外。

在使用时，为提高支承的刚性和旋转精度，有时也为承受较大的径向、轴向载荷，常将两套单列角接触球轴承装在同一支点上，常用的配置型式: 一是正安装，如图 4(a)所示，或称面对面安装，此种配置方式两轴承外圈的窄边相对，从另一方面看， 两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之内；二是反安装，如图 4(b)所示，或称背对背安装，此种配置方式是两轴承外圈的宽边相对，从两轴承的载荷作用中心 a 、b 看，其落到支承跨距点 c 、d 之外。

(a)正安装(b) 反安装

图 3 分装于两支点角接触轴承配置方式

(a)正安装(b) 反安装

图 4 组合为一支点角接触轴承配置方式

由上述可知，锁口在外圈上的角接触球轴承， 不管两轴承装于两支点还是一支点，其配置形式可划分为:

(1) 按外圈的宽窄边相对来划分，两轴承外圈的窄边相对即为正安装，两轴承外圈的宽边相对即为反安装。

(2) 按两轴承的载荷作用中心 a 、b 相对于支承跨距点 c 、 d 的位置来划分，两轴承的载荷作用中心 a 、b 落到支承跨距点 c 、d 之内为正安装；反之， 两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之外为反安装。

2.1.1 锁口在内圈上的角接触球轴承

此类轴承不如锁口在外圈的角接触球轴承常用，只有为获得高速、高负荷能力的常常采用。有些书又称其为内圈接触式轴承，其结构如图 2(b)所示。由于存在接触角 a 与锁口在外圈的轴承相似， 也须成对使用。由于锁口在内圈，内圈存在宽窄边， 而外圈宽窄边不明显，显然该类轴承的配置形式不能套用按外圈的宽窄边相对来划分，能否按两轴承的载荷作用中心 a 、 b 相对于支承跨距点 c 、 d 的位置来划分，目前笔者所见文献也无介绍。

要探讨该类轴承的配置，先分析受径向力 Fr 时产生附加轴向力 Fs 的情况。为便于分析，将锁口在外圈的轴承 A 与锁口在内圈的轴承 B 对比，如图 5 所示。设接触角 a 相同，按图示位置，受径向力时， 两类轴承承载区相同位置的任一滚动体受力 Fi 相同，其附加轴向力 Fs 相同，除结构不同外，从承载方面看，二者完全相当，暂且称这种情况下锁口在内圈的轴承 B 与锁口在外圈的轴承 A 相当。今将两套 A(A1 ， A2 )装于一支点，如图 6(a)所示，两外圈的窄边相对，即正安装；两套 B(B1 ，B2 )也装于一支点，分别按 B1 与 A1 ，B2 与 A2 相当的位置将 B1 、B2 也装于一支点，如图 6(b)所示。显然，此时两套 B 的配置形式与两套 A 相同，即为正安装。这时从结构看，两轴承内圈的宽边相对；从另一方面看，两轴承的载荷作用中心 a 、b 落到支承跨距点 c 、d 之内。将两套 A(A1 ， A2 )按反安装装于一支点，如图 7(a) 所示，即两外圈宽边相对。用上述同样方法，分别按与 A1 、A2 相当的位置安装两套 B1 、B2 于同一支点， 如图 7(b)所示，显然此配置形式为反安装，两轴承B 内圈的窄边相对； 从另一方面看，两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之外。

(a)轴承 A(锁口在外圈)(b)轴承 B(锁口在内圈)

图 5 接触角相同的两种轴承对比

(a)锁口在外圈(b) 锁口在内圈

图 6 正 安 装

(a) 锁口在外圈(b) 锁口在内圈

图 7 反 安 装

若两套锁口在内圈的轴承分装于两支点，与上类同，如图 8 所示，两轴承内圈的宽边相对为正安装。此时，两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之内；反安装如图 9 所示，两轴承内圈的窄边相对，两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之外

图 8 正安装（锁口在内圈）

图 9 反安装（锁口在内圈）

由上可知，锁口在内圈上的角接触球轴承的配置形式，若按两轴承的载荷作用中心 a 、 b 相对于支承跨距点 c 、 d 的位置来划分，是同锁口在外圈的角接触球轴承一致的，两轴承的载荷作用中心 a 、b 落到支承跨距点 c 、 d 之内为正安装；反之，两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之外为反安装。

若按结构特点划分，与锁口在外圈上的角接触球轴承不同，两轴承内圈的宽边相对为正安装，反之，两轴承内圈的窄边相对为反安装。

2.1 圆锥滚子轴承的配置形式

圆锥滚子轴承，除滚动体为圆锥滚子外，其结构与锁口在外圈的角接触球轴承类似。所以，其配置形式与锁口在外圈的角接触球轴承相同。图 10

所示为正安装，如图 11 所示为反安装。

图 10 正 安装

图 11 反 安 装

2 结论

(1) 常用的单列角接触轴承，锁口在外圈的角接触球轴承、圆锥滚子轴承等，配置形式可按两轴承外圈的宽窄边相对来划分，若两轴承外圈的窄边相对则为正安装，若两轴承外圈的宽边相对则为反安装。

(2) 锁口在内圈的单列角接触球轴承，由于其结构的特殊性，配置形式可按两轴承内圈的宽窄边相对来划分。若两轴承内圈的窄边相对，则为反安装；若两轴承内圈的宽边相对，则为正安装。

(3) 单列角接触轴承，不管其结构如何特殊， 其配置形式可按两轴承的载荷作用中心 a 、 b 相对于支承跨距点 c 、 d 的位置这一相同标准来划分。两轴承的载荷作用中心 a 、 b 落到支承跨距点 c 、 d 之内为正安装；反之，两轴承的载荷作用中心 a 、b 落到支承跨距点 c 、 d 之外，为反安装。

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角接触轴承在纯电动乘用车减速器上的设计与应用

现在的纯电动乘用车多采用单挡减速器，减速器结构一般是二级减速，三轴布置。最大输入转矩在70～350N·m，转速6 000～9 000r/min。随着国家对纯电动乘用车的续驶里程要求越来越高，各纯电动乘用车主机厂千方百计节能降噪，纯电动乘用车所用电动机的转速越来越高，功率越来越大。譬如某主机厂的5座SUV乘用车要求减速器的输入转矩达到400N·m，转速达到12 000r/min。

下面介绍一种解决纯电动乘用车减速器在大载荷、高转速情况下轴承选用的方法。

纯电动乘用车减速器设计输入参数

适用车型：SUV，5座；最大输入转矩：360N·m；最高转速：12 000r/min；传动比：9.140；电压范围：320～450V，额定375V；噪声性能：≤78dB；产品寿命：8年/100万km。

纯电动乘用车减速器的高速级轴承的设计

1.减速器传动比计算

采用两级减速，总传动比为9.138，采用T.D.Analysis软件，按轻量化的原则进行传动比分配。一级传动比为2.957，二级传动比为3.091。

2.齿轮参数和中心距计算

1）确定齿轮材料：20CrMnTi

2）计算低速级大轮输入转速：

n22=16000/9.140=1751r/min

3）计算低速级大轮输入转矩：T22=360×9.140×1000=3290400N·mm

3）通过计算，确定高速级和低速级齿轮几何参数。两级减速齿轮中心距分别是：高速级中心距为95mm，低速级中心距为140mm。齿轮弯曲强度和疲劳强度满足设计要求。

4）其他参数选用如图1所示。

3.轴承设计

1）计算减速器最大输入转矩时的轴向力。

2）输入轴轴承选择。选择轴承的输入条件：最高转速16 000r/min，最大轴向力7 752N；

计算得实际输入轴最小轴径为40mm。

图1 基本参数选择

如果将轴的最小轴径作为轴承的内径，按轴承承受的最高转速和最大轴向力，可以选择轴承型号为：角接触轴承7208；深沟球轴承6208。

4.轴承布局设计

以减速器输入轴轴承布局为例。

（1）角接触轴承的安装方法背对背装配：可承受较大倾覆力矩，预紧调内圈——可用锁紧螺母预紧（见图2）。

图2 背对背安装

面对面装配：承受较小倾覆力矩，预紧调外圈——可用调整垫片调整外圈预紧（见图3）。这种安装方式的轴承，供应商已经配对，一对轴承配好，一起包装，保证了一对轴承的精度，但仍需在装配时调整来保证轴向游隙。

图3 面对面安装

（2）减速器输入轴轴承布局方案 本方案采用：1个深沟球轴承，2个角接触轴承，如图4所示的布置结构。角接触轴承采用面对面装配：外圈通过控制壳体孔深度尺寸公差，实现一定预紧，压板固定；内圈：轴上安装卡环固定。

图4 面对面安装

5.轴承承载能力校核

（1）校核依据 采用MASTA传动系统分析软件，依据1022-2015减速器总成试验规范，工况依据输入峰值转矩300N·m，电动机峰值功率125W。轴承基本损伤率要求应满足表1要求。

（2）校核参数设定

1）基本损伤率校核载荷按照QC/T1022-2015试验规范。

2）润滑相关参数的确定见表2。

3）确定轴承基本参数。

4）计算损失率。通过采用MASTA传动系统分析软件进行建模计算，轴承损失率见表3。

5）轴承承载能力校核结论。将表3计算结果与表1要求比较可知：按1022-2015疲劳试验工况试验分析，该纯电动乘用车减速器高速级轴承满足承载能力要求。

纯电动乘用车减速器的高速级角接触轴承的装配

角接触球轴承在纯电动乘用车减速器的高速级输入轴上装配方式如图5所示。2个角接触轴承面对面安装，内圈端面相互并紧无间隙，内圈与输入轴过盈配合，外圈与壳体采用过渡配合。

压板用螺钉固定在壳体上，通过压板压紧角接触轴承外圈，压紧力200～250N。2个角接触轴承外圈端面间隙＜0.013mm。

压紧力不能太大，太大则轴承滚珠变形，造成损伤；太小，则不能保证2个角接触轴承端面的间隙，轴承没有预紧力，不能正常运转。

表1 轴承额定基本损伤率要求

表2 润滑相关参数

表3 轴承损伤率计算

图5 轴承装配示意

1—深沟球轴承 2—输入轴 3—压板4—螺钉 5—壳体 6—角接触轴承

结语

本文通过对一款纯电动乘用车减速器高速级轴承的设计和应用，提出了一种在纯电动乘用车减速器高速级采用角接触轴承来解决大载荷高转速难题的方案。

该方案克服了采用深沟球轴承不能解决的问题，同时，解决了角接触球轴承装配性能低，不适应批量快速装配的难题。降低了制造成本，满足了客户需求。

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