圓柱滾子軸承內(nèi)圈越程槽對(duì)擋邊變形的影響

公平，張靜靜，于慶杰，鄭艷華

（中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000）

圓柱滾子軸承常用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、直升機(jī)等傳動(dòng)系統(tǒng)，主要承受徑向載荷。當(dāng)軸承承受較大軸向載荷時(shí)，一方面內(nèi)圈擋邊與滾子端面間隙減小，可能造成滾子卡滯和磨損；另一方面會(huì)導(dǎo)致滾道受力不均和滾道變形，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中。鑒于此，分析了圓柱滾子軸承在承受軸向載荷時(shí)，越程槽尺寸對(duì)擋邊變形的影響，以及安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)后軸向載荷對(duì)內(nèi)圈滾道變形的影響。

1 越程槽的設(shè)計(jì)

圓柱滾子軸承內(nèi)圈越程槽主要用于車(chē)、磨加工中的清根，方便切削液帶走磨屑，儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，減小應(yīng)力集中。為避免越程槽尖點(diǎn)劃傷滾子端面，越程槽擋邊斜坡最大點(diǎn)設(shè)計(jì)位置應(yīng)考慮滾子倒角最小值，越程槽滾道及擋邊處兩斜坡應(yīng)與圓角相切，其半徑R由工藝確定。根據(jù)GB／T 6403.5—1986《砂輪越程槽的形式與尺寸》，越程槽設(shè)計(jì)如圖1所示，S1，S2，S3，S4為越程槽設(shè)計(jì)的4個(gè)尺寸。

圖1 越程槽設(shè)計(jì)Fig.1 Design of grinding undercut

2 軸向預(yù)載荷的計(jì)算

圓柱滾子軸承安裝示意圖如圖2所示，一端面與雙內(nèi)圈角接觸球軸承內(nèi)圈端面接觸，另一端面對(duì)擰緊螺母施加力矩，通過(guò)彈簧鎖片進(jìn)行定位，在施加力矩的同時(shí)會(huì)對(duì)滾子軸承內(nèi)圈產(chǎn)生軸向安裝預(yù)載荷F（也稱擰緊力），軸承安裝過(guò)程中所承受的擰緊力矩為372 N·m，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知軸向預(yù)載荷為

圖2 圓柱滾子軸承安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of cylindrical roller bearing

式中：D為螺紋大徑；k為扭矩系數(shù)。

考慮潤(rùn)滑油的作用，k取0.12，D為45 mm，由（1）式可得F約為70 kN。

2種設(shè)計(jì)方法的圓柱滾子軸承內(nèi)圈的主要參數(shù)見(jiàn)表1，越程槽尺寸S1和S4相差較大。

表1 內(nèi)圈主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of inner ring

3 越程槽尺寸對(duì)擋邊變形的影響

為分析在相同軸向載荷作用下，越程槽4個(gè)設(shè)計(jì)尺寸對(duì)軸向擋邊變形的影響，以表1中設(shè)計(jì)2為例，建立內(nèi)圈有限元模型，固定內(nèi)圈一側(cè)端面，另一端面承受70 kN的軸向載荷，通過(guò)使用ANSYS計(jì)算分析得出，擋邊在承受軸向力作用下，受力側(cè)擋邊向外擴(kuò)展，擋邊沿滾道軸向方向發(fā)生變形，其應(yīng)力和應(yīng)變分別如圖3、圖4所示（為計(jì)算方便，有限元中僅建立1／4模型進(jìn)行計(jì)算）。擋邊變形是指內(nèi)圈端面在承受軸向載荷作用下，擋邊間隙由擋邊間隙1變?yōu)閾踹呴g隙2過(guò)程中變化的間隙量，如圖5所示的截面圖，通過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)2的擋邊變形量為35μm。

圖3 應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram

圖4 變形云圖Fig.4 Deformation nephogram

圖5 擋邊變形截面示意圖Fig.5 Cross section diagram of rib deformation

假設(shè)越程槽其他3個(gè)尺寸不變，分析其中一個(gè)越程槽第4個(gè)尺寸對(duì)擋邊變形的影響，越程槽尺寸對(duì)擋邊變形的影響如圖6所示。可以看出，圓柱滾子軸承承受較大軸向載荷時(shí)，隨越程槽各尺寸增大，滾道擋邊變形增大，其中S1，S4對(duì)擋邊變形的影響較大，故設(shè)計(jì)1承受大的軸向載荷后抗變形能力優(yōu)于設(shè)計(jì)2。

圖6 越程槽尺寸對(duì)擋邊變形的影響Fig.6 Influence of size of grinding undercut on rib deformationon

4 計(jì)算分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 計(jì)算分析

通過(guò)簡(jiǎn)單模型計(jì)算得到越程槽4個(gè)尺寸對(duì)擋邊變形計(jì)算的影響較為明顯，但軸承安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)中，要考慮零件之間的摩擦、力的傳遞和軸系設(shè)計(jì)等，基于ANSYS建立1／2系統(tǒng)模型如圖7所示。其中軸向力加載在螺母螺牙中，螺母與杯形鎖片之間、球軸承與軸之間為固定連接，鎖片與內(nèi)圈、內(nèi)圈與球軸承端面和空心軸配合部分均存在摩擦，摩擦因數(shù)為0.12。球軸承與空心軸之間的最大過(guò)盈配合為0.033 mm，內(nèi)圈承受70 kN軸向載荷時(shí)，系統(tǒng)整體變形如圖8所示，內(nèi)圈變形如圖9所示。由圖8、圖9可以看出，由于軸的兩側(cè)存在卡入鎖片缺口，導(dǎo)致軸與內(nèi)圈的過(guò)盈配合不均，內(nèi)圈滾道出現(xiàn)8字扭曲變形。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

圖8 整體變形Fig.8 Overall deformation

圖9 內(nèi)圈變形Fig.9 Deformation of inner ring

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用圖3的實(shí)體軸，通過(guò)螺母對(duì)內(nèi)圈端面加載預(yù)緊力。拆套后采用OGP計(jì)量檢測(cè)方法得到：滾道圓柱度為7.9μm，滾道錐角為0.02°，滾道出現(xiàn)了8字扭曲變形，與有限元分析結(jié)果趨勢(shì)一致。

5 擋邊變形計(jì)算

根據(jù)2種越程槽設(shè)計(jì)，在上節(jié)所述的系統(tǒng)模型下，計(jì)算軸開(kāi)槽和未開(kāi)槽處的內(nèi)圈擋邊變形，在柱坐標(biāo)系下，x為徑向，z為軸向，y為周向，考慮軸上有兩處180°分布的槽，整個(gè)滾道變形如圖10所示，在無(wú)槽一側(cè)內(nèi)圈截面選取點(diǎn)1，2，3，4，在有槽一側(cè)選取點(diǎn)5，6，7，8。無(wú)槽側(cè)在 z向選取點(diǎn)1，2處的變形，有槽側(cè)在z向選取點(diǎn)5，6處的變形，得出不同位置的擋邊變形，2種設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖10 內(nèi)圈滾道變形Fig.10 Deformation of inner raceway

表2 擋邊變形Tab.2 Rib deformation

從表2可以看出，在相同軸向載荷下，設(shè)計(jì)1在有槽側(cè)和無(wú)槽側(cè)內(nèi)圈的滾道擋邊變形均小于設(shè)計(jì)2，擋邊變形相差1.5μm左右。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，選取6批設(shè)計(jì)2的軸承和1批設(shè)計(jì)1的軸承進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，其設(shè)計(jì)2的軸承擋邊變形如圖11所示，設(shè)計(jì)1的軸承擋邊變形為15.6μm。擋邊變形平均相差3μm，與分析結(jié)果存在偏差，但偏差在允許范圍之內(nèi)。

圖11 擋邊變形Fig.11 Rib deformation

由此可知，雖然越程槽S1和S4在一定程度上會(huì)影響擋邊變形，S1，S4越大，擋邊變形越大，但擋邊變形量在系統(tǒng)模型分析中相差不明顯。

圓柱滾子軸承承受預(yù)載荷時(shí)，越程槽尺寸對(duì)內(nèi)圈擋邊變形有影響，應(yīng)適當(dāng)降低S1和S4以減小擋邊變形。

6 結(jié)束語(yǔ)

分析圓柱滾子軸承內(nèi)圈在擰緊力矩作用下4個(gè)越程槽尺寸對(duì)擋邊變形的影響。通過(guò)建立系統(tǒng)傳動(dòng)模型，分析不同結(jié)構(gòu)越程槽設(shè)計(jì)對(duì)擋邊變形的影響，并開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)，為圓柱滾子軸承越程槽的設(shè)計(jì)和軸承安裝提供了參考。