滾滑軸承螺旋空心滾子受力變形的理論研究

盧黎明

(華東交通大學 機電工程學院，南昌 330013)

1 滾滑軸承結構及特點

機械裝備中使用的軸承大部分是滾動軸承和滑動軸承。這兩種軸承各有優、缺點，滾動軸承的優點主要在于啟動摩擦阻力小、維護方便、適用于中低速狀態下工作,最大缺點是承受沖擊載荷能力差;動壓滑動軸承的優點主要在于承受沖擊載荷能力強，摩擦因數小,結構簡單，適用于中高速狀態下工作,最大缺點是啟動和低速時摩擦阻力大。

滾滑軸承是一種新型軸承[1-2]，如圖1所示。其主要由內圈、外圈、螺旋空心圓柱滾子和滑塊構成[3]，兼有滾動軸承和滑動軸承的優點，能更好地適應低速重載的工作條件。其中螺旋空心圓柱滾子的主要作用是使軸承保持滾動軸承的優良特性，如良好的啟動性能和高速穩定性；而滑塊的主要作用是使軸承保持動壓滑動軸承的優良特性，如較高的承載能力、較長的使用壽命。滾滑軸承的工作性能與其零部件之間的摩擦性能有很大關系，由于螺旋空心圓柱滾子徑向受壓后會產生徑向和軸向變形，這必定會影響滾子端面與套圈擋邊之間的摩擦。為此，對滾滑軸承螺旋空心圓柱滾子徑向受壓后的徑向和軸向變形情況進行研究。

1—外圈；2—滑塊；3—螺旋空心圓柱滾子；4—內圈

2 滾子受力分析

螺旋空心圓柱滾子一般由窄鋼帶卷制而成，工作中主要受內圈的徑向沖擊載荷。因滾子受沖擊時處于收縮狀態，滑塊作用在滾子上的力很小,可忽略不計；另外，滾子與滾道之間存在微滑動，但滾道表面有潤滑油，摩擦阻力很小，也可忽略不計。因此，螺旋空心圓柱滾子的受力可簡單視為受內、外圈作用的一對平衡力。由于滾子是正弦周期性螺旋狀，每圈鋼帶情況相同，每圈鋼帶又可分成完全相同的4部分，每部分都是從與套圈接觸的接觸點到中間的部分，每部分的受力情況相同，而且每部分的結構和受力相同，故對整個滾子的分析可簡化為對1/4圈窄鋼帶的分析。每圈鋼帶的軸向伸長量為1/4圈鋼帶軸向伸長量的4倍。假定套圈(內圈或外圈)與每圈鋼帶上的作用力為2Fr，則1/4圈鋼帶與套圈接觸處的一端受力為Fr。在1/4圈鋼帶上取一斜截面A,設該截面中心到Fr作用力線的垂直距離為ζ，對斜截面A進行分析[4]，可知斜截面A上作用有彎矩M=Frζ和與徑向力Fr平行作用于截面中心大小為Fr的水平力，如圖2所示。

圖2 螺旋滾子受力簡圖

在斜截面A上，建立如圖2所示的btn坐標系，M和Fr可分解為

(1)

(2)

Mn3=Msinφ=Frζsinφ，

(3)

Ft3=Frsinφcosα，

(4)

Fb3=-Frsinφsinα，

(5)

Fn3=-Frcosφ，

(6)

式中：Tt3為繞t軸回轉的扭矩；φ為滾子螺旋圈自xOz垂直平面至彈簧材料任意截面的極角；α為螺旋圈的螺旋角；D為螺旋圈中徑；Mb3為繞b軸回轉的彎矩；Mn3為繞n軸回轉的彎矩；Ft3為沿t軸作用的截面法向力；Fb3為沿b軸作用的截面切向力；Fn3為沿n軸作用的截面切向力。

3 應力分析

圖3 與Fr成90°截面上的應力分析示意圖

(7)

(8)

(9)

4 變形能分析

滾子承受載荷產生變形，吸收積聚的能量可利用彈簧變形能理論進行計算[4]，

(10)

5 變形分析

根據能量守恒定律，如果忽略摩擦損失，外力Fr作的功應全部轉化為1/4圈螺旋空心滾子的變形能，即有

則半徑方向位移量δ為

(11)

滾子受力后，軸承將產生徑向收縮[8-9]，由(11)式可知彈性滾子中徑將變為

(12)

如圖4所示，一圈螺旋空心滾子按平面展開，即為直角三角形，由此可得一圈螺旋空心滾子受力后的伸長量為

圖4 一圈螺旋鋼帶的平面展開圖

(13)

式中：l和l1分別為一圈螺旋空心滾子受力前、后的軸向長度。

n1圈螺旋空心滾子受力后的伸長量為

ΔH=n1Δl，

(14)

則由(12)～(14)式可得

πn1Dtanα。

(15)

6 結束語

螺旋空心圓柱滾子受力后將產生徑向收縮和軸向伸長；且徑向收縮量和軸向伸長量與螺旋圈中徑D、比例系數k、彈性滾子材料的體積V、彈性模量E、橫截面厚度a1、橫截面高度b1、螺旋角α、與b1/a1有關的系數β和徑向作用力Fr等因素有關。另外，利用上述公式，通過實測內圈的最大變動量，可得到螺旋空心圓柱滾子的最大徑向變形量、軸向伸長量和任意位置的徑向變形量、軸向伸長量，進而可得出螺旋空心圓柱滾子與套圈擋邊摩擦力的情況，為進一步研究滾滑軸承的動力學性能提供依據。