閻昌春，李興林，鄭建華，李偉鋒

(1.人本集團(tuán)杭州人本電機(jī)軸承有限公司，杭州 310022；2.杭州軸承試驗(yàn)研究中心，杭州 310022)

1 引言

諧波減速器的制造技術(shù)基礎(chǔ)是諧波傳動(dòng)，諧波傳動(dòng)是由波發(fā)生器、柔性輪和剛性輪3個(gè)基本構(gòu)件組成的機(jī)械傳動(dòng)[1]。這種傳動(dòng)是在波發(fā)生器的作用下使柔性輪產(chǎn)生彈性變形并與剛性輪相互作用達(dá)到傳遞運(yùn)動(dòng)或動(dòng)力的目的，諧波單元軸承產(chǎn)生諧波運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)諧波減速器柔性輪(與軸承配合)產(chǎn)生諧波運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)大傳動(dòng)比的變速要求。早先的波發(fā)生器工作原理示意圖如圖1所示，基本上也能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有功能，滿足使用要求。但其有一個(gè)缺點(diǎn)，就是柔性輪的可控彈性變形(形狀改變)要求特別高。從圖1可看出柔性輪與波發(fā)生器接觸處是剛性接觸，變形也能滿足要求，但其他部分由于不是剛性接觸，其彈性變形不可控。因此，為了解決柔性輪的可控變形問題，用諧波軸承單元取代老式波發(fā)生器就顯得十分必要，圖2所示為針對(duì)諧波減速器，設(shè)計(jì)制造的一種型號(hào)為456109的新型薄壁軸承，并稱之為柔性軸承(諧波軸承單元)。

1—鋼輪；2—柔輪；3—波發(fā)生器圖1 原波發(fā)生器工作原理示意圖

圖2 諧波軸承單元示意圖

2 柔性軸承的設(shè)計(jì)及計(jì)算

2.1 設(shè)計(jì)方法

由于與柔性軸承配合的軸是橢圓形的，軸承安裝后內(nèi)圈也呈橢圓形，常規(guī)方法設(shè)計(jì)的軸承在裝配時(shí)由于橢圓變形容易出現(xiàn)散架，且運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。為了解決此問題，可采用特大填球角設(shè)計(jì)方法，即將填球角加大到263°，以增加填充鋼球的數(shù)量。柔性軸承屬于特殊的薄壁球軸承，部分設(shè)計(jì)可參照薄壁球軸承的設(shè)計(jì)方法，如主參數(shù)鋼球直徑(Dw)、溝曲率系數(shù)(fe，fi)、溝徑(De，di)的選擇和計(jì)算、材料的選擇、熱處理及車、磨加工工藝等。但由于它的特殊使用要求，其主參數(shù)如鋼球數(shù)量(Z)、球組節(jié)圓直徑(Dpw)、擋邊直徑(D2，d2)、填球角、保持架球兜直徑和形狀、游隙的選取和計(jì)算公式需要作相應(yīng)改變。

2.2 參數(shù)計(jì)算[1-3]

2.2.1 基本參數(shù)

柔性軸承型號(hào)為456109，內(nèi)徑為45 mm，外徑為61 mm，外圈寬度為9 mm，內(nèi)圈寬度為6 mm，球組節(jié)圓直徑為53 mm，鋼球數(shù)為23粒，鋼球直徑為5.556 mm，理論填球角為263°。

2.2.2 主參數(shù)的確定

(1)鋼球直徑Dw

Kwmin(D-d)≤Dw≤Kwmax(D-d)，

式中：Kw的取值范圍同深溝球軸承。

(2)鋼球數(shù)量Z

Z=πDpw/[d′+(1～1.5)]，

Z取小于計(jì)算值的整數(shù)。

(3)球組節(jié)圓直徑Dpw

Dpw=(D+d)/2+(0～0.5)，

式中：D為軸承外徑；d為軸承內(nèi)徑。

(4)溝道直徑(De,di)

De=Dpw+Dw+(Grmin+Grmax)/2 ，

di=Dpw-Dw，

式中：Grmin為最小徑向游隙；Grmax為最大徑向游隙；De為外圈溝徑；di為內(nèi)圈溝徑。

(5)擋邊直徑(D2,d2)

D2=De-(0.5～1)，

d2=di+(0.5～1)，

式中：D2為外圈擋邊直徑；d2為內(nèi)圈擋邊直徑。

(6)溝曲率系數(shù)(fe,fi)

fe=0.525～0.53，

fi=0.515～0.52。

(7)保持架球兜直徑d′

d′=Dw+(0.4～0.7)。

(8)徑向游隙Gr與軸向游隙Ga

2.2.3 性能參數(shù)確定[1]

柔性軸承額定壽命

基本額定動(dòng)載荷

徑向當(dāng)量動(dòng)載荷Pr=XFr+YFa，

2.2.4 材料和熱處理的選擇

套圈、鋼球(G10)材料選用高碳鉻軸承鋼GCr15；保持架材料選用PA66+25%GF；熱處理采用真空熱處理并進(jìn)行冷凍處理，內(nèi)圈硬度57～61 HRC，外圈硬度59～63 HRC，鋼球熱處理硬度61～66 HRC，組織均為2～4級(jí)。

3 柔性軸承的裝配

3.1 常規(guī)填球法

3.1.1 最后一粒鋼球填裝法[4]

傳統(tǒng)上是在186°～195°填球角間對(duì)外圈施加徑向力，使其彈性變形填裝最后一粒球，這種方法使用雖然非常普遍，但也存在鋼球被夾傷及套圈產(chǎn)生塑性變形的問題。

3.1.2 圓弧填球槽法

當(dāng)填球角大于195°時(shí),在內(nèi)、外圈擋邊至溝底徑這段距離開一個(gè)比鋼球直徑大一點(diǎn)的圓弧形槽,裝配時(shí)將鋼球一粒一粒填入溝道，這種方法裝配效率低，生產(chǎn)成本高，質(zhì)量不易控制。填球槽開深了,套圈就會(huì)報(bào)廢；開淺了,填不進(jìn)鋼球。開槽對(duì)軸承使用性能也有一定影響，主要是大幅降低高速性能，軸向竄動(dòng)也受到限制。

3.1.3 斷裂法

當(dāng)填球角大于195°時(shí)，且軸承使用工況要求較低，轉(zhuǎn)速及振動(dòng)要求都不高時(shí),使用斷裂填球法。需要在外圈熱處理之前，在內(nèi)徑上開一小槽，通過熱處理產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)外圈磨加工結(jié)束后，敲裂外圈；填球時(shí)通過脹開外圈填入需要填入的鋼球。這是一種以犧牲軸承的使用性能而達(dá)到增大填球數(shù)的一種方法。

3.2 柔性軸承的特殊填球法

3.2.1 彈性裝填原理

所謂彈性裝填原理就是在軸承套圈拉應(yīng)力允許范圍內(nèi)，通過將套圈徑向拉伸變形脹大，然后將鋼球填入溝道的一種方法。施力主要是壓外圈端面，外圈被向下壓，鋼球就不斷撐大外圈，變成鋼球在徑向方向給外圈的張力，隨著下壓距離的增加，參與的鋼球數(shù)量也不斷增加，外圈所受張力也不斷增大，直至完全張開鋼球進(jìn)入溝道為止。其受力過程如圖3所示。采用此方法理論上可以滿足360°填球角的裝填要求。

初始狀態(tài) 小進(jìn)入狀態(tài) 中進(jìn)入狀態(tài) 完全進(jìn)入狀態(tài) 完成圖3 柔性軸承的特殊填球法受力過程圖

3.2.2 接觸應(yīng)力和彈性趨近量[3]

經(jīng)計(jì)算內(nèi)、外圈平均接觸應(yīng)力和彈性趨近量均小于其極限接觸應(yīng)力和極限趨近量，同時(shí)實(shí)踐證明，此種裝配方法沒有損傷鋼球和套圈。

3.2.3 裝配過程

按照原理及變形過程圖，首先需要固定內(nèi)圈和鋼球，把鋼球?qū)?zhǔn)內(nèi)圈溝道并固定位置，鋼球先歸于一邊，然后放入外圈，外圈的一邊溝道也對(duì)準(zhǔn)鋼球，這時(shí)外圈是斜放的，外圈上放一個(gè)壓蓋，便于施力，逐步加力下壓，這樣鋼球?qū)错樞蜻M(jìn)入外圈溝道，直至完成。裝配過程如圖4所示。

圖4 柔性軸承裝配過程

因?yàn)橥馊熳冃螘r(shí)，鋼球給外圈一個(gè)張力，同時(shí)外圈下壓，鋼球與外圈擋邊摩擦進(jìn)入溝道。為了防止傷害鋼球，需要磨加工外圈內(nèi)徑，并附加內(nèi)、外圈串光處理，這樣對(duì)套圈和鋼球無任何損傷。

3.2.4 裝配模具設(shè)計(jì)[5]

按照實(shí)施方案主要設(shè)計(jì)上、下模具，上模套住外圈便于施力，下模起固定內(nèi)圈和鋼球的作用，下模設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使鋼球中心與內(nèi)圈溝道在同一平面內(nèi)，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)小斜坡，不使鋼球滾落，并附加一個(gè)限位塊使鋼球歸于一起。模具具體構(gòu)造如圖5所示。

圖5 上、下模具結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)束語

一種型號(hào)為456109的柔性軸承的設(shè)計(jì)與試制的成功，不僅解決了柔性輪的可控彈性變形問題，同時(shí)也簡(jiǎn)化了波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了諧波減速器的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。其重量輕、體積小，傳動(dòng)裝置的零件少，且傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，運(yùn)動(dòng)精度高，大大提高了傳動(dòng)效率，且方便維修，便于保養(yǎng)、檢查和更換零件，提高了諧波減速器的使用壽命。其經(jīng)用戶使用，取得了較好的效果。