圓錐滾子軸承壽命與可靠性試驗中加載方式對其受力的影響

劉曉杰，孫超，譚明偉

(中國第一汽車股份有限公司 技術中心，長春 130011)

圓錐滾子軸承是汽車重要的零部件，主要應用于變速器、主減速器、差速器、輪轂等部位。軸承質量的好壞直接影響著汽車的舒適性、穩定性、安全性等，軸承壽命是軸承質量的綜合反映。在軸承裝車使用之前，往往通過壽命與可靠性試驗對軸承壽命進行檢驗。在圓錐滾子軸承壽命與可靠性試驗中，一般有純軸向加載和聯合加載2種加載方式。不同的加載方式下軸承內部滾子的受力不同，試驗時間也不同，直接關系到軸承試驗周期和成本，甚至影響汽車的開發周期,故有必要對不同加載方式下軸承內部的受力情況進行分析。

1 試驗載荷的確定

對于圓錐滾子軸承的壽命與可靠性試驗，施加純軸向載荷時，載荷施加在外圈上；施加聯合載荷時，軸向載荷施加在外圈上，徑向載荷施加在內圈上。根據GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗與評定》，當量動載荷相同時，加載方式不同，試驗載荷也不同。

1.1 純軸向加載

根據GB/T 24607—2009，P=XFr+YFa，由于僅受軸向載荷，Fr=0，則

Fa=P/Y，

(1)

式中：P為當量動載荷；Fr，Fa分別為徑向和軸向載荷；X，Y分別為徑向和軸向載荷系數。

1.2 聯合加載

根據GB/T 24607—2009，在聯合加載時，其載荷為

(2)

式中：Mc為軸向載荷與徑向載荷之比；η為比例系數。

(2)式中徑向和軸向載荷系數X，Y在GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》中的規定并不明確，需要自行判定，其他參數在GB/T 24607—2009中均有規定。

根據GB/T 24607—2009，對于圓錐滾子軸承，η=1/(2Y)，由(2)式可得

(3)

根據GB/T 6391—2010進行分析：

1)當Fa/Fr≤e=1.5tanα(α為公稱接觸角)時，X=1，Y=0，則

(4)

這與Fa/Fr≤e相矛盾。

2)當Fa/Fr>e=1.5tanα時，X=0.4，Y=0.4cotα，則

(5)

由(5)式可得

Mc>0.25tanα。

(6)

根據GB/T 24607—2009，當α≤20°時，Mc=0.25，(6)式顯然成立；當α>20°時，Mc=0.5，由于圓錐滾子軸承接觸角α<45°，此時(6)式也成立。

綜上可得，對于圓錐滾子軸承，Fa/Fr>e恒成立，即載荷系數X=0.4，Y=0.4cotα。

2 受力分析

以圓錐滾子軸承32222為例進行分析，其主要結構參數α=15°38′32″，圓錐滾子半錐角φ=2°，滾子數Z=12。此時Mc=0.25，X=0.4，Y=1.432 6，η=1/2Y=0.357。

2.1 純軸向加載

當承受純軸向載荷時，由(1)式得Fa=P/Y≈0.7P。試驗時一般將2套軸承面對面安裝到試驗機上，對軸承外圈施加軸向載荷，每套軸承外圈受力均為Fa≈0.7P。軸承受力簡圖如圖1所示，所有滾子均勻受力。

圖1 軸承受力簡圖

滾子的受力如圖2所示，F1為滾子與外圈滾道的法向作用力，F2為滾子與內圈滾道的法向作用力，F3為滾子與內圈大擋邊的法向作用力，γ為F2與徑向方向的夾角，δ為F3與軸向方向的夾角，根據幾何關系可得δ=α-φ，γ=α-2φ。

圖2 滾子受力圖

根據力的平衡關系可得

(7)

根據(7)式可得在純軸向載荷下各個滾子受力F1，F2，F3分別為0.13P,0.13P,0.009P。

2.2 聯合加載

在聯合加載時，根據(2)式可得Fr≈0.8P，Fa≈0.48P。試驗時，將2套軸承面對面安裝到試驗機上，在外圈上施加軸向力，在內圈上施加徑向力，此時單套軸承所受的徑向載荷均為Fr=0.8P。由于徑向力的存在，將產生派生軸向力Fs=Fr/2Y≈0.28P，但由于軸向力通過外圈加載，派生軸向力將相互抵消，且Fa=0.48P>0.28P=Fs，所以可判定此時軸承所受的軸向力不受影響，即Fa=0.48P。

聯合加載時滾子受力情況復雜,由于徑向載荷的作用，滾子中有一半放松，而另一半被壓緊，現僅對易失效的壓緊側滾子進行受力分析。為便于研究，將軸向載荷與徑向載荷獨立分析。軸向加載可以等效為純軸向加載的情況，下面僅分析徑向加載。如圖3所示，滾子與內圈滾道在徑向方向的作用力分別為Fr0，Fr1，Fr2，…；與徑向載荷作用方向的夾角分別為0,θ,2θ,…,nθ(nθ<90°)。

通過文獻[1]可得

(8)

考慮軸向載荷的疊加，滾子與內圈滾道接觸的法向載荷為

(9)

根據受力平衡，此時受力也滿足圖2關系,則

(10)

由(10)式可得到滾子的受力情況見表1。

表1 滾子受力

3 試驗驗證

純軸向加載方式進行試驗時軸承失效圖如圖4所示，發現部分軸承內圈靠近大擋邊位置及滾子大端面發生疲勞剝落。這是由于純軸向加載時所有滾子大端與內圈大擋邊均接觸，若內圈大擋邊加工較差，則該位置容易失效。這與文中受力分析結果一致。

圖4 純軸向加載時的軸承失效圖

聯合加載方式進行試驗時軸承失效圖如圖5所示，發現部分軸承外圈及滾子大面積發生疲勞剝落。這是由于聯合加載時個別滾子比純軸向加載時受力要大很多，且隨著轉動受力一直在發生變化，更容易導致軸承失效。這與文中的受力分析結果也一致。

圖5 聯合加載時的軸承失效圖

4 結束語

通過分析得到圓錐滾子軸承在壽命與可靠性試驗中不同加載方式下的試驗載荷。以圓錐滾子軸承32222為例，通過受力分析得到不同加載方式下軸承滾子的受力情況，在相同的當量動載荷下，純軸向加載比聯合加載的滾子受力小且更均勻，并通過試驗驗證了其正確性。在實際軸承質量驗證時可采用強化壽命試驗法，加載過程中可增大試驗載荷，從而提高試驗進度和效率。但滾動軸承應用場合千差萬別，失效原因復雜多變，壽命試驗也有其隨機性與局限性，文中僅在相同的試驗條件下進行對比，且僅通過簡單的受力分析，未考慮其他因素的影響，模型較為理想，后續有待做進一步研究。