深溝球軸承極限軸向載荷計(jì)算與分析

公平，張靜靜，董金龍

(中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心，哈爾濱 150000)

深溝球軸承是最具代表性的滾動(dòng)軸承，具有摩擦因數(shù)小、極限轉(zhuǎn)速高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、制造精度較高等優(yōu)點(diǎn)，主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受軸向載荷。當(dāng)其僅承受徑向載荷時(shí)，接觸角為零。當(dāng)深溝球軸承具有一定的徑向游隙時(shí)，具有角接觸軸承的性能，可承受一定的軸向載荷。然而當(dāng)深溝球軸承承受較大軸向載荷時(shí)，球與套圈之間不能形成完整的接觸橢圓(接觸區(qū)超出溝道)，球與擋邊附近的接觸處將產(chǎn)生應(yīng)力集中，加速軸承損壞，降低軸承壽命。

1 深溝球軸承極限軸向載荷計(jì)算

在極限軸向載荷Fa作用下[1-3]，深溝球軸承球與外圈溝道的極限接觸狀態(tài)如圖1所示，其中α為接觸橢圓剛剛達(dá)到套圈擋邊處的安全接觸角[3-4]；θ0為外圈溝道與擋邊交點(diǎn)處形成的夾角；φ為接觸橢圓長(zhǎng)半軸與鋼球中心形成的角度。由文獻(xiàn)[3]可得極限軸向載荷為

圖1 極限軸向載荷下球-溝道接觸

(1)

cosα0=1-Gr/2BDw,B=fi+fe-1，

式中：α0為初始接觸角;K為軸向位移函數(shù)，其大小取決于總曲率函數(shù)B;Z為鋼球個(gè)數(shù)；Dw為鋼球直徑;Gr為初始徑向游隙；fi和fe分別為內(nèi)、外溝曲率系數(shù)，可通過(guò)查表得到。

大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明：深溝球軸承承受較大軸向載荷時(shí)，球與內(nèi)圈的接觸橢圓先被破壞，球與套圈擋邊發(fā)生應(yīng)力集中；當(dāng)軸向載荷達(dá)到一定值后，球與外圈的接觸橢圓才被破壞，最終導(dǎo)致球與內(nèi)、外圈均發(fā)生接觸橢圓截?cái)?，在擋邊處形成大的?yīng)力集中造成軸承失效。因此，僅需計(jì)算球與內(nèi)圈的接觸橢圓被破壞時(shí)的極限軸向載荷。

2 基于ROMAX極限軸向載荷計(jì)算

ROMAX DESIGNER軟件是一款模擬實(shí)際工況下的虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件，程序中內(nèi)嵌國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的軸承庫(kù)，能夠?qū)S承進(jìn)行建模，計(jì)算軸承的壽命、載荷分布、接觸應(yīng)力等，以FAG 6219C3軸承為例，其主要幾何參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 FAG 6219C3 軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)表1中的參數(shù)，建立的FAG 6219C3軸承模型如圖2所示。經(jīng)過(guò)仿真分析，深溝球軸承在受到257 12 N軸向力時(shí)軸承內(nèi)圈接觸橢圓發(fā)生截?cái)?，截?cái)嗦蕿?.9%，鋼球與套圈擋邊將發(fā)生應(yīng)力集中，安全接觸角為27.434°。

圖2 FAG 6219C3軸承幾何模型

在上述情況下，各鋼球載荷相等，為5 580.8 N，如圖3所示。ROMAX中顯示內(nèi)圈與鋼球的接觸區(qū)域發(fā)生截?cái)鄷r(shí)的黑色印記如圖4所示。

圖4 鋼球與內(nèi)圈接觸印記

3 安全接觸角、極限軸向載荷與初始游隙之間的關(guān)系

由(1)式可知，當(dāng)軸承幾何尺寸確定后，極限軸向載荷的大小主要取決于初始接觸角，而初始接觸角則由初始游隙決定。根據(jù)ROMAX軟件及理論計(jì)算方法，分別計(jì)算FAG 6219C3軸承初始游隙對(duì)球與內(nèi)圈安全接觸角及極限軸向載荷的影響，結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 安全接觸角與初始游隙的變化曲線

圖6 極限軸向載荷與初始游隙的關(guān)系變化曲線

由圖可知，深溝球軸承的安全接觸角隨著初始游隙的增加而增大，2種計(jì)算方法的誤差在0.5°范圍內(nèi)；軸承能夠承受的極限軸向載荷隨初始游隙值增大反而減小，2種計(jì)算方法的結(jié)果相當(dāng)接近。

4 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)軸承幾何關(guān)系推導(dǎo)深溝球軸承極限軸向載荷的計(jì)算方法，并以FAG 6219C3為例，使用ROMAX軟件和理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，得出深溝球軸承極限軸向載荷與初始游隙值及安全接觸角的關(guān)系，為深溝球軸承設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，證實(shí)了ROMAX軟件可以作為深溝球軸承極限軸向載荷優(yōu)化計(jì)算的有利工具。