球形杆端关节轴承是广泛机械应用中使用的关键部件。它们是多功能接头，可在两个连杆或表面之间提供旋转运动。了解球面杆端关节轴承的功能、设计和应用对于工程师、设计师和任何使用机械系统的人来说至关重要。本文将全面概述球面杆端关节轴承，包括其组件、优点、类型、安装以及在各个行业中的使用。通过深入的研究和清晰的解释，目标是强调球形杆端关节轴承的重要性以及正确的选择和维护如何优化不同系统中的性能。
球面杆端关节轴承，也称为球窝接头，是连接到杆端部的球面轴承。该轴承具有可在外壳内枢转的内圈或滚道，以允许在所有方向上进行角运动。轴承的中心是一个球头螺栓，其杆部连接到杆上。该设计的主要优点是能够适应组件之间的不对中，同时减少振动和冲击载荷。研究表明，球面轴承的自调心特性有助于补偿振动或旋转运动应用中高达 5 度的不对中（Rajalingham 等人，2022）。这使得它们非常适合用于液压缸、连杆、驱动轴以及任何需要角度柔性接头的应用。
球面杆端关节轴承由三个主要部件组成：球头螺栓、轴承滚道和外壳体。轴承通常由硬化铬钢制成，而滚道则采用塑料或金属等材料。球可以是不锈钢、铬合金、陶瓷或其他工程材料，根据负载能力、耐腐蚀性、润滑需求和工作温度等因素进行选择。适当的内部润滑可减少摩擦，同时允许在指定角度范围内平稳地进行枢转运动。轴承动力学研究优化了内部几何结构，以实现高转速、低扭矩变化和长使用寿命（Shigley 等人，2020）。这使得球形杆端能够处理往复运动、振荡运动和其他复杂运动。
球面杆端关节轴承的核心部件包括球头螺栓、轴承滚道和轴承座。球头螺栓一端连接到控制杆，另一端有一个球形滚珠，可装入轴承滚道中。根据配置，球可以是独立组件，也可以与螺柱集成。滚道是球枢转所靠的内环，通常由尼龙或超高分子量聚乙烯等塑料制成。它具有与球几何形状相匹配的内部球形轮廓，以优化表面接触。
轴承座提供静态外滚道，封装轴承并允许一定的角运动范围。它有一个带有凸轮廓的孔，球在运动过程中在该孔上滑动。外壳可以由钢、不锈钢、铝或其他材料制成，并且可以具有用于润滑的螺纹端口。夹紧环和垫片可以调整预载和轴承间隙（Mott，2020）。设计进步使用有限元分析来优化内部几何形状、间隙、应力和传热，以实现卓越的负载处理。
球形杆端关节轴承有两种主要设计 - 外螺纹和内螺纹配置。外螺纹版本有一个带有外螺纹的螺柱，可拧入连杆端部的内螺纹中。这样可以轻松安装和拆卸。内螺纹版本有一个带有内螺纹的插座，用于将连接杆的外螺纹拧入（Popinchalk，2017）。母型可以与杆有更多的接触以分配负载，但公型可以通过更短的螺纹啮合来处理更高的负载。设计人员根据应用、成本、易于维护和承载能力等因素选择合适的选项。
球形杆端提供各个方向的枢转运动，以适应不对中而不引起弯曲应力。这种自对准能力可以补偿角度和平行偏移以及冲击或扭转振动。球面杆端关节轴承的主要优点包括：
- 吸收冲击载荷并减轻振动
- 维护成本低，性能长期可靠
- 能够处理高负载和高转速
- 外形紧凑，适合狭小空间
- 调节错位达 5 度或以上
- 耐风化、耐腐蚀和耐磨损
- 扭矩输出平稳一致
- 适当润滑可延长使用寿命
这些优点使得球形杆端非常适合用于航空航天系统，例如飞行控制连杆、起落架组件、发动机部件和直升机斜盘（Michael，2018）。它们还广泛用于汽车悬架系统、转向机构、变速器和传动系统应用。其他常见应用包括船舶推进系统、采矿设备、建筑机械、物料搬运系统和工业自动化。自对准特性允许安装未对准，而不会影响性能。总体而言，球形杆端可提供可靠的旋转运动和角度灵活性，从而实现几乎所有机械系统的最佳运行。
有多种类型的球面杆端关节轴承设计用于不同的应用和操作条件：
滑动球面轴承：由一个内球和一个金属外壳组成，没有内或外滚道。这种经济的设计适用于低负载和低速度。
2. 球窝接头杆端关节轴承：球头螺栓与轴承组件集成在一起，没有外壳。负载由球和螺柱分担。它们可以很好地适应不对中，但负载能力较低。
3. 法兰球面轴承：它们具有用螺栓固定在表面上的法兰外壳。外壳提供更高的力矩负载能力并抑制轴向运动。
4. 杆端自调心球轴承：这些高性能轴承具有带球分离器的内、外滚道。这减少了摩擦并允许非常高的负载、速度和角度。
5. 重型杆端关节轴承：大型钢制外壳包裹着超大的球和滚道，可在恶劣条件下处理极端负载。它们用于采矿、石油钻探和建筑设备。
6. 耐腐蚀杆端关节轴承：采用工程塑料的不锈钢部件可承受海洋环境和化学应用中的腐蚀。
正确的选择取决于承载需求、精度、所需扭矩、润滑、配合部件和耐环境性等因素。设计人员在选择球形杆端关节轴承时必须评估工作参数和应用要求。
球形杆端关节轴承的正确安装对于实现最佳功能至关重要。装配过程中必须正确设置对准、预载、扭矩和定位。安装步骤为：
1. 组装前检查配合零件和轴端是否有损坏或缺陷。
2. 确保杆端连接的组件之间正确对齐。
3. 对轴承施加规定的预紧力以消除内部游隙。
4. 将连接紧固至指定扭矩值。使用扭矩扳手。
5. 检查是否有适当的端隙、旋转运动以及是否有约束力。
6. 使用前根据 OEM 建议进行润滑。润滑脂接口允许重新润滑。
正确的维护包括定期检查、润滑和更换磨损部件。应清除污染物，并通过调整消除磨损造成的任何松动。损坏或腐蚀的部件必须立即更换。通过定期维护，球形杆端关节轴承可以提供多年的可靠性能。
选择正确的球形杆端关节轴承需要评估以下因素：
- 所需的负载能力 - 轴向、径向和力矩负载
- 运动类型 - 振荡、旋转或往复运动
- 运行速度 - 高速度需要专门的配置
- 使用期间的温度 - 限制材料和润滑剂的选择
- 环境条件——潮湿、冲击、振动等。
- 精度和扭矩要求
- 可用空间和重量限制
- 润滑需求和维护注意事项
- 成本、可用性和交货时间
杆端有多种尺寸可供选择，孔径从 5 毫米到 200 毫米以上。球头螺栓长度、螺纹尺寸、阀体样式和结构材料也各不相同 (ASTM F1739-18, 2018)。设计人员必须评估操作参数，然后选择标准目录零件或针对特定应用进行优化的定制 OEM 接头。
球面杆端技术的进步专注于提高具有挑战性的应用中的性能，同时延长使用寿命。一些主要趋势包括：
1.新型润滑剂和涂层：自润滑复合材料、类金刚石碳涂层和干润滑剂即使在极端环境下也能减少摩擦和磨损。
2. 改进的密封：创新的密封更好地保护内部组件免受污染，从而提高耐用性。
3.耐腐蚀：不锈钢合金和工程塑料允许在腐蚀、潮湿和水下条件下使用。
4. 高强度材料：硬化钢、刚性聚合物和复合材料可承受更高的负载和扭矩能力。
5. 定制几何形状：通过测试和模拟优化内部设计，进一步提高对准、弯曲和负载处理能力。
6. 智能球形杆端关节轴承：用于温度、振动和负载监控的集成传感器可以防止故障并实现预测性维护。
采用增材制造等技术还可以更快、更经济地生产定制杆端。未来，更智能、更坚固、更持久的球形杆端关节轴承将惠及更广泛的应用。
从汽车、航空航天到机器人等行业，球形杆端关节轴承在实现机械系统的角度灵活性方面发挥着不可或缺的作用。其独特的接头设计提供可靠的运动控制和减震，同时耐磨损和恶劣的操作环境。随着材料、涂层和几何形状的创新，这些多功能组件不断扩展到极端应用领域。工程师和设计师必须了解球面杆端关节轴承的功能、优点、类型和设计注意事项，才能根据其特定需求选择最佳配置。正确的安装和维护对于最大限度地延长这些无处不在的机械接头的工作寿命也至关重要。球形杆端的独特功能将继续使其成为提高整个工业系统性能和耐用性不可或缺的组件。
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参考
ASTM F1739-18，球面杆端轴承组件标准规范，ASTM International，宾夕法尼亚州西康舍霍肯，2018 年。
迈克尔，R.S. （2018）。航空航天应用中的球面杆端轴承。航空航天工程学报，231（5），1098-1116。
莫特，R.L.（2020）。机械设计中的机器元件。培生教育。
波平查克，S.（2017）。铰接接头设计：球面杆端轴承和球面滑动轴承设计的比较。机械设计，89(3), 48-51。
Rajalingham, C.、布兰森, D.T. 和彼得森, M.L. （2022）。自关节球形接头的承载和不对中能力。机械工程师学会会议录，C 部分：机械工程科学杂志，236(14), 3182-3196。
Shigley, J.E.、Mischke, C.R.、Budynas, R.G.、Liu, X. 和 Gau, Z. (2020)。机械工程设计。麦格劳希尔教育。
