角接觸球軸承靜態(tài)剛度試驗(yàn)

陳蘇華，胡小秋，王連寶

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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角接觸球軸承靜態(tài)剛度試驗(yàn)

陳蘇華，胡小秋，王連寶

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要：角接觸球軸承在徑向、軸向以及力矩方向聯(lián)合載荷作用下，內(nèi)外圈將產(chǎn)生徑向、軸向相對位移及相對傾角。 這種彈性相對位移量的大小關(guān)系到軸承的使用性能。為了得到角接觸球軸承靜剛度，提出了角接觸球軸承靜剛度的測試方法。設(shè)計(jì)了測量裝置，獲取施加不同載荷作用下角接觸球軸承的靜剛度。分析結(jié)果表明:隨著軸向載荷或徑向載荷的增大，軸向變形或徑向變形基本上呈現(xiàn)線性增長，軸向剛度和徑向剛度呈現(xiàn)非線性增長；隨著軸承尺寸的增大，軸承的靜態(tài)剛度也增大。

關(guān)鍵詞：角接觸球軸承；靜態(tài)剛度；變形

角接觸球軸承作為高檔數(shù)控機(jī)床常用的支承部件，其靜態(tài)特性是系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，直接影響著機(jī)床整體的力學(xué)性能[1]，因此研究角接觸球軸承的靜態(tài)剛度具有重要意義。

對于角接觸球軸承的靜態(tài)剛度，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究，主要集中在2個方面：1) 利用Hertz接觸理論，分析與計(jì)算滾珠與內(nèi)外滾道之間的接觸變形引起的軸承各個方向的靜態(tài)剛度[3，4]；2) 采用有限元分析方法，在軸承滾動結(jié)合面處建立接觸對[2]。而對軸承的靜態(tài)剛度試驗(yàn)研究，以往的研究皆較少。用試驗(yàn)方法研究不同的載荷條件，對角接觸球軸承靜態(tài)剛度的影響具有重要的價(jià)值和意義。

1試驗(yàn)條件

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

角接觸球軸承靜態(tài)剛度的影響因素主要有：載荷的大小、軸承的尺寸及安裝方式等，其中載荷與尺寸為可量化影響因素；安裝方式為不可量化影響因素。在實(shí)際應(yīng)用中，角接觸球軸承普遍成對使用，本裝置采用一對軸承“背靠背”安裝(圖1)。

圖1　軸承的靜態(tài)剛度等效模型

當(dāng)施加軸向載荷Fa、徑向載荷Fr時，軸承的軸向和徑向都會產(chǎn)生相應(yīng)的位移變形δa、δb，則有：

(1)

(2)

1.2試驗(yàn)裝置

角接觸球軸承靜態(tài)變形的測試工作是在自主設(shè)計(jì)研發(fā)的試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，試驗(yàn)裝置構(gòu)成如圖2所示。該裝置具有通用性的特點(diǎn)，可在該裝置上測試多組軸承，并且測量準(zhǔn)確性較高。

1—軸向加載機(jī)構(gòu)；2—軸承組件；3—徑向測試儀；4—徑向加載機(jī)構(gòu)；5—力傳感器；6—軸向測試儀；7—計(jì)算機(jī)；8—力顯示表；9—CCS型控制器；10—電源圖2　軸承靜態(tài)剛度測試試驗(yàn)裝置

測試軸承變形的試驗(yàn)過程中，采用加載機(jī)構(gòu)進(jìn)行軸向、徑向加載，載荷值由力顯示表讀出，傳感器分辨率為1N。操作軟件讀取測試儀測量的軸承軸向、徑向變形值，傳感器分辨率為0.01μm，滿足測試需要。

1.3測量原理

圖3為測量原理圖，初始值為L0，即測試儀與被測點(diǎn)間距為L0，第1次施加F1的力后測得的間距為L1，第2次繼續(xù)施加F2的力后測得測試儀與被測點(diǎn)間距為L2，第3次施載F3的力后測得的間距為L3…等，以此類推，則可依次得出每次加載后的軸承的變形量，則有：

圖3　測量原理圖

(3)

δ2=L2-L0

(4)

δ3=L3-L0

(5)

則相應(yīng)的靜態(tài)剛度值為K1，K2，K3…

(6)

(7)

(8)

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1軸承尺寸及軸向載荷對軸向變形及軸向剛度的影響

圖4、圖5為對機(jī)床中常用的NSK公司生產(chǎn)的3種接觸角類型的軸承(30TAC 62A， 40TAC 72A， 50TAC 100A)進(jìn)行測試獲得的軸承在0≤Fa≤2000N條件下的軸向變形及軸向剛度變化曲線。可以看出隨著軸向載荷Fa的增大，軸承的軸向變形δa基本上呈線性增長；軸承的剛度KA0呈非線性增長；軸承的尺寸越大軸向變形越不明顯，相應(yīng)的軸向剛度就越大。

圖4　軸向載荷與軸承軸向變形的關(guān)系

圖5　軸向載荷與軸承軸向剛度的關(guān)系

2.2軸承尺寸及徑向載荷對徑向變形及徑向剛度的影響

圖6、圖7為在Fa=5000N、0≤Fr≤4500N條件下的徑向變形及徑向剛度變化曲線?？梢钥闯霎?dāng)軸向載荷Fa一定時，隨著徑向載荷Fr的增大，軸承的徑向變形δr基本上呈線性增長；軸承的剛度KR0呈非線性增長；軸承的尺寸越大徑向變形越不明顯，相應(yīng)的徑向剛度就越大。

圖6　徑向載荷與軸承徑向變形的關(guān)系

圖7　徑向載荷與徑向剛度的關(guān)系

2.3軸向載荷對徑向變形的影響

圖8為只將軸承50TAC 100A作研究對象，考慮徑向載荷Fr分別為1000N 和3000N 兩種情況下，不同軸向載荷作用，軸承的徑向變形?？梢钥闯觯弘S著軸向載荷增加，軸承的徑向變形減??；當(dāng)徑向載荷較小時，軸承的徑向變形量較小。

圖8　軸向載荷與徑向變形的關(guān)系

2.4徑向載荷對軸向變形的影響

圖9為只將軸承50TAC 100A作研究對象，考慮軸向載荷Fa分別為2000N和7000N 兩種情況下，不同徑向載荷作用，軸承的軸向變形?？梢钥闯觯弘S著徑向載荷增加，軸承的軸向位移減小；當(dāng)軸向載荷較大時，軸承的軸向變形量較小。

圖9　徑向載荷與軸向變形的關(guān)系

3結(jié)語

1) 隨著Fa的增大，軸承的軸向變形基本上呈現(xiàn)線性增長的特點(diǎn)；軸向剛度KA0呈現(xiàn)非線性增長的特點(diǎn)；軸承的尺寸越大軸向變形越不明顯，相應(yīng)的軸向剛度就越大。

2) 當(dāng)Fa一定時，隨著Fr的增大，軸承的徑向變形基本上呈現(xiàn)線性增長的特點(diǎn)；徑向剛度KR0呈現(xiàn)非線性增長的特點(diǎn)；軸承的尺寸越大徑向變形越不明顯，相應(yīng)的徑向剛度就越大。

3)Fr分別為1000N 和3000N 兩種情況下，隨著Fa的增大，軸承的徑向變形減??；當(dāng)徑向負(fù)荷較小時，軸承的徑向變形量較小。

4)Fa分別為2000N和7000N 兩種情況下，隨著Fr的增大，軸承的軸向位移減??；當(dāng)軸向載荷較大時，軸承的軸向變形量較小。

參考文獻(xiàn):

[1] 劉強(qiáng)，李冬茹. 國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J]. 航空制造技術(shù)，2010，(10):26-30.

[2] 唐云冰. 航空發(fā)動機(jī)高速滾動軸承力學(xué)特性研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2005.

[3] 劉艷華，李志遠(yuǎn)，張朝煌. 高速角接觸球軸承靜態(tài)剛度的分析與計(jì)算[J]. 軸承，2005，(8)：1-3.

[4] 陳署泉，肖曙紅，楊士鐵. 角接觸球軸承的靜態(tài)接觸分析[J]. 軸承，2009，(11)：4-7,11.

Static Stiffness Experiment of Angular Contact Ball Bearing

CHEN Su-hua, HU Xiao-qiu, WANG Lian-bao

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Abstract:Inside and outside circles of angular contact ball bearings can produce radial, axial relative displacement and relative angle under the combined action of the radial and axial load and moment. The elastic relative displacement is related to its use propeilies. In order to get its static stiffness, this paper puts forward its static stiffness test methods and designs a measuring device to got the angular contact ball bearing stiffness under the different loads which is applied to the bearing.Experimental and analytic results show that with the axial or the radial load increasing, the axial or the radial deformation increases linearly in general, and the axial or the radial stiffness increases nonlinearly. With the bearing size increasing, its static stiffness increases.

Keywords:angular contact ball bearing; static stiffness；deformation

收稿日期：2014-12-17

中圖分類號：TH133.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-5276(2015)03-0027-03

作者簡介：陳蘇華(1989-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)。