某種角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

郭昆峰，張鋼，童楚春，劉剛

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072；2.上海特安一凱軸承有限公司，上海 201202)

我公司生產(chǎn)的某型號(hào)角接觸球軸承(裝機(jī)后組配軸承軸向游隙的要求為0.01～0.03 mm)在用戶組配裝機(jī)使用中出現(xiàn)軸向游隙較小甚至軸承抱死的現(xiàn)象，通過(guò)增大組配軸向游隙，雖然解決了裝機(jī)時(shí)軸向游隙問(wèn)題，但使用壽命明顯縮短。為此對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1 原因分析

按照傳統(tǒng)軸承設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)的軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示，該軸承為中載系列，接觸角為30°。軸承安裝時(shí)，內(nèi)圈與軸過(guò)盈配合，內(nèi)圈一端通過(guò)軸肩定位，一端通過(guò)螺帽壓緊端蓋進(jìn)行定位；外圈與外殼間隙配合，外圈兩端由端蓋壓緊定位。端蓋螺栓預(yù)緊力矩為51 N·m。內(nèi)圈壓緊端蓋的外徑與內(nèi)溝道直徑接近，外圈壓緊端蓋的內(nèi)徑接近外內(nèi)徑尺寸；同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軸承時(shí)裝配倒角均大于非裝配倒角，造成外圈端面剛性較差，端面壓緊時(shí)變形較大，外圈內(nèi)徑處軸向彈性變形最大，壓縮了鋼球軸向移動(dòng)空間，導(dǎo)致軸向游隙過(guò)小。根據(jù)安裝方式看，內(nèi)圈和鋼球?qū)S向游隙的影響較小，為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，在此僅分析對(duì)安裝軸向游隙影響最大的外圈軸向變形。

圖1 成對(duì)角接觸球軸承

2 外圈端蓋壓緊力計(jì)算

端蓋壓緊螺栓為5個(gè)M8螺栓，則有

T=KF0d，

(1)

K=d2tan (ψ+arctanfv)/2d，

(2)

式中：T為端蓋螺栓預(yù)緊力矩；K為擰緊力矩系數(shù)；

d2為螺紋中徑，d2=7.19 mm；d為螺紋公稱(chēng)直徑，d=8 mm；ψ為螺紋升角，ψ=3.17°；fv為螺紋當(dāng)量摩擦系數(shù)，取一般加工表面，無(wú)潤(rùn)滑條件下fv=0.18。將各參數(shù)值代入(1)～(2)式，得1個(gè)螺栓的壓緊力F0=59 668 N，則作用于軸承外圈端面的總壓力為298.3 kN。

3 原設(shè)計(jì)外圈有限元分析

改進(jìn)前外圈結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖2所示。運(yùn)用Solidworks COSMOSXpress進(jìn)行有限元分析，使用其默認(rèn)設(shè)定程序，其中，外圈材料為GCr15鋼，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.3，外圈小端面為約束面，大端面為力作用面，分析結(jié)果如圖3所示，外圈的軸向最大變形量為0.055 63 mm。

圖2 原設(shè)計(jì)外圈結(jié)構(gòu)尺寸

圖3 改進(jìn)前外圈軸向變形的有限元分析

4 改進(jìn)后外圈的有限元分析

為了有效減小外圈在預(yù)緊力作用下的軸向彈性位移，對(duì)軸承零件的尺寸進(jìn)行了改進(jìn)，減小了鋼球直徑，外溝道直徑及內(nèi)、外溝曲率半徑，增大了

內(nèi)溝道直徑，同時(shí)在不影響安裝的前提下，減小了外圈大端面裝配倒角，增大了外圈大端面非裝配倒角，改進(jìn)后外圈結(jié)構(gòu)如圖4所示。改進(jìn)前、后軸承尺寸參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。re為外圈溝道曲率半徑；E為外圈溝道直徑；D2為外圈擋邊直徑；Dw為鋼球直徑；r1x為外圈大端面徑向裝配倒角尺寸；r2x為外圈大端面徑向非裝配倒角尺寸。

圖4 改進(jìn)后外圈結(jié)構(gòu)尺寸

表1 改進(jìn)前、后尺寸參數(shù)對(duì)比 mm

運(yùn)用Solidworks COSMOSXpress進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖5所示，外圈的軸向最大變形量為0.025 13 mm。由此可見(jiàn)，改進(jìn)后的外圈軸向最大變形量減小了0.030 5 mm。

圖5 改進(jìn)后外圈軸向變形的有限元分析

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)運(yùn)用Solidworks COSMOSXpress分析軟件，對(duì)軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，由軸向預(yù)緊力造成的軸承外圈軸向彈性變形明顯減小，從而保證了原始游隙能夠滿足安裝游隙的要求。改進(jìn)的軸承裝機(jī)后，很好地滿足了主機(jī)的要求，經(jīng)半年多的使用，一切正常。