圓柱滾子凸度形式及凸度量的確定

吳霓琪

(無錫正大軸承機械制造有限公司，江蘇 無錫 214191)

滾子軸承使用在載荷比較大的場合。直素線滾子在受載后，兩端不可避免地存在應力集中現象(邊緣效應)，使軸承的疲勞壽命大大降低。為了克服這種邊緣效應，實際應用中采用了凸度滾子。但凸度滾子克服邊緣效應的效果不僅與滾子素線的形狀有關，而且與滾子的凸度量大小有關，因此，在滾子軸承設計時必須針對具體的工況合理確定滾子的凸度形狀及凸度量，從而在滾子類型一定的情況下最大限度地降低滾子與內、外滾道接觸引起的邊界應力集中，提高軸承的承載能力和使用壽命。目前，在所有滾子軸承中，圓柱滾子軸承應用最為廣泛，現對圓柱滾子的凸度形式及凸度量的選取進行介紹。

1 素線形式及設計方法

目前的工程應用中，凸度圓柱滾子的素線主要采用3種形式：全圓弧素線、圓弧修緣素線和對數素線(圖1)。

(a)全圓弧素線 (b)圓弧修緣素線 (c)對數素線

全圓弧素線凸度滾子的素線為一段圓弧線。輕載時，接觸狀態幾近于點接觸，滾子的穩定性較差，容易發生偏斜。當載荷增大時，可使滾子全長進入接觸且不發生邊緣應力效應，但滾子中部往往有較高的壓力峰值。因此，該類型滾子存在接觸應力集中。

圓弧修緣素線滾子的素線中部為直線，兩端為修緣圓弧，在圓弧與直線相交處有明顯的幾何交點。滾子的工作長度也隨載荷變化，滾子可全長進入接觸且不發生邊緣效應，穩定性比全圓弧素線滾子好。

上述兩種類型滾子都仍存在應力集中的問題，比較而言，最為理想的是對數素線滾子。采用該類型滾子，可以使接觸載荷均勻分布。

由文獻[1]知，對數素線滾子的凸度量為

δ=2.81×10-6W{1.193 2+ln[Lwe/(2a)]}/

Lwe,

圓弧修緣素線滾子的凸度量為

δ=3.85×10-5W0.9/(Lw-2t1)0.8，

式中：W=Cr/Z；lu=Lw-2t1；lm=lu-2t；Lw為滾子長度；Cr為徑向額定動載荷；t為修整線圓弧部分長度；t1為滾子凸度測量點距滾子端面距離。

在圓柱滾子軸承優化設計中推薦采用對數素線滾子。但在實際應用中，由于加工成本和加工設備的限制，難以穩定、可靠地獲得對數素線，因此，可采用圓弧修緣素線代替。

2 凸度量的確定

要獲得合理的凸度量,必須對不同凸度量的修形滾子進行分析,并在此基礎上進行凸度量的優化設計。文獻[2]將滾子直徑作為滾子規格分類的依據。考慮到設計的簡明和方便，同樣可以依據滾子名義外徑Dw來確定滾子凸度量。

表1為根據多年的實踐經驗得出的滾子凸度量δ與滾子外徑Dw的關系式。考慮到明確統一和測量的方便,單邊修形圓弧長度t2為滾子凸度弧線與直線的理論交點距滾子端面的距離。t2取滾子名義長度的1/6。凸度量的上、下偏差分別為0和+0.005 mm。表2為綜合中國、德國、美國和日本標準得到的不同規格滾子的凸度量及其公差。

表1 滾子凸度量的計算 mm

表2 滾子凸度量及其公差 mm

滾子凸度與圓弧的關系如圖2所示，由圖中幾何關系可知

圖2 滾子凸度與圓弧關系示意圖

R2=H2+[(Lw-2r)/2]2，

(1)

R2=(H+δ)2+[(Lw-2t2)/2]2，

(2)

式中:r為倒角半徑。當其他參數都確定時，H和R可一一對應求出。因此,無論采用金剛筆還是金剛滾輪修整砂輪,都能達到要求。

3 結束語

由實踐經驗總結得到的滾子凸度量與其外徑間的計算式，在滾子設計中較為實用。該方法能準確得到各種規格滾子的凸度量，準確而且簡便。