雙曲率兜孔靜音軸承保持架設計

萬宇

（安徽華之杰機械有限公司，安徽 宣城 242000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對家用電器的靜音性能提出了更高的要求，其中滾動軸承在工作過程中的振動與噪聲，極大地影響著家電產品的靜音性能。滾動軸承一般由內圈、外圈、滾動體和保持架4 部分組成，而保持架的運轉不穩定是引起軸承振動和噪聲的重要原因［1］。國內外學者對保持架的研究，主要是理論分析和試驗研究兩個方面。理論分析方面，建立了保持架的擬靜力學和動力學模型，通過仿真分析得到了引導間隙、兜孔間隙等設計參數對保持架動態性能的影響，為保持架的優化設計提供了理論依據［2］。保持架的試驗研究，主要是利用試驗手段，對保持架的受力、失效形式等進行研究，從而為保持架的形狀、尺寸優化和模型分析提供了有效參考［3］。上述研究主要是在保持架結構形式固定的情況下，通過理論分析和試驗研究得到保持架的結構參數等對保持架動態性能的影響，從而進行優化設計，提高軸承的動態性能。然而，通過改進保持架的結構形式從而實現減振降噪的研究卻不多見，也沒有形成成熟的設計理論。文獻［4］提出了一種新型軸承保持架結構，通過減少滾動體與保持架的接觸面，從而有效減少了滾動體與保持架的摩擦，改善了滾動體的潤滑條件，降低了軸承的振動與噪聲。此外，單向游隙浪形保持架、雙K 值浪形保持架和帶油槽浪形保持架等新型保持架，均通過改進保持架的結構，在提升滾動軸承的靜音性能方面取得了良好的效果?？梢?，通過對保持架的結構進行改進和創新從而達到減振降噪的目的是一個有潛力的研究方向［5］。因此，針對高檔家用電器中廣泛使用的深溝球軸承浪形保持架存在的靜音性能不佳、與國外技術存在差距、產品嚴重依賴進口的問題，以結構創新作為減振降噪的突破口，設計具有新型結構的浪形保持架具有重要的現實意義。

1 雙曲率兜孔靜音保持架結構設計

降低保持架噪聲的傳統方法有兩種，一是合理選擇保持架的兜孔間隙、引導間隙以及兜孔間隙與引導間隙的比值等參數；二是提高滾動體、保持架的表面質量，選用新材料以及在使用過程中保持良好的潤滑等。然而，參數的優化可以通過更合理的模型來實現，表面質量的提高和新材料取決于技術的發展，關于如何保持良好的潤滑卻較少論及。而良好的潤滑對降低保持架的振動噪聲、碰撞噪聲和摩擦噪聲都是有利的［6］。因此，在分析對比不同結構保持架的減振降噪效果后，為了改善滾動體和保持架的潤滑，本文重點從改進保持架兜孔形狀入手，設計一種具有雙曲率兜孔結構的浪形保持架，其結構如圖1所示。該雙曲率異形兜孔保持架，由兜孔1 和平面5 依次相連構成。兜孔1中間為小球帶3和大球帶2，大球帶2 的內、外兩側分別為直線帶4，兩兜孔1 與平面5之間分別由過渡倒角6 構成保持架的連接。平面上設有鉚孔7，利用鉚釘將上、下2 只具有雙曲率異形兜孔結構的保持架及兜孔內的滾動體連接在一起。

圖1 雙曲率兜孔浪形保持架

2 雙曲率兜孔靜音保持架動力學分析

在軸承工作過程中，雙曲率兜孔靜音軸承保持架的受力主要可以分為兩部分，保持架與套圈之間的作用力和保持架與滾動體之間的作用力。而保持架與套圈之間的作用力由套圈引導擋邊對保持架的作用力和套圈非引導擋邊對保持架的作用力兩部分構成。套圈引導擋邊對保持架的作用力是因為在運動過程中保持架的質心偏心造成保持架與引導擋邊的不斷接觸而產生的，是一種類似流體力的動壓力，可以采用短滑動軸承的計算方式進行計算和分析。套圈非引導擋邊對保持架的作用力形式為一種流體阻力，其計算可以利用流體力學結果［7］。

保持架和滾動體之間的作用力比較復雜。由于滾動體的尺寸偏差、滾動體和溝道表面的形狀誤差、打滑以及徑向載荷等因素的存在，使得每一個滾動體的公轉速度不同。而保持架以各個滾動體公轉角速度的平均值進行轉動，這樣各個滾動體與保持架之間就產生了速度差異。當保持架的公轉角速度ωb大于滾動體的公轉角速度ωg，滾動體與保持架發生碰撞，滾動體阻礙保持架向前運動；當保持架的公轉角速度ωb小于滾動體的公轉角速度ωg，滾動體與保持架發生碰撞，滾動體推動保持架向前運動。國內外學者建立了不同的模型來進行分析［8-9］，這些模型均認為滾動體和保持架之間是一種半自由的接觸狀態，存在著持續時間很短的頻繁碰撞，其中文獻［10］提出的碰撞模型與實際情況更為貼近。該模型認為滾動體與保持架的相互作用力由三部分組成，分別是滾動體與保持架的兜孔在接觸后引起的變形作用力、滾動體與保持架的兜孔之間的流體摩擦產生的作用力以及保持架與軸承的公轉角速度不一致所產生的碰撞作用力。其中，前兩者是穩態作用力。根據滾動體與保持架之間的摩擦因數和接觸后引起的變形作用力，就可以計算得到滾動體和保持架之間的摩擦力。而保持架與軸承的公轉角速度不一致所產生的碰撞作用力是一種瞬態力，其作用力模型如圖2 所示，它由二者之間的彈性力和阻尼力組成。

圖2 滾動體與保持架瞬態作用力模型

3 雙曲率兜孔靜音保持架減振降噪機理

3.1 保持架噪聲的產生機理分析

由上述動力學分析可知，保持架噪聲按其產生機理可以分為三個方面：保持架的振動噪聲、保持架與滾動體的碰撞噪聲、保持架與滾動體的摩擦噪聲［6］。

在軸承運動過程中，由于與滾動體的頻繁碰撞、與引導擋邊的不斷接觸，使保持架在引導擋邊和滾動體的共同作用下做隨機振動。周圍空氣在保持架隨機振動的激勵下發生振動并向四周傳播，形成了保持架的振動噪聲。

滾動體與保持架發生頻繁碰撞時，兩者在接觸點處產生彈性變形，頻繁的彈性變形就表現為振動能，振動能量中的一部分以聲波形式向周圍空間輻射，形成碰撞噪聲。

滾動體與保持架形成摩擦副，在摩擦副附近，兩者的接觸表面形成局部切向彈性變形，從而產生張弛振動，這種張弛振動激發出摩擦噪聲。而張弛振動的頻率隨著接觸表面相對運動速度增加而增加，所產生的摩擦噪聲也隨之變大。因此，對于高速運轉的滾動軸承而言，其摩擦噪聲更大。

3.2 雙曲率兜孔靜音保持架減振降噪機理分析

與傳統結構保持架相比，雙曲率兜孔靜音保持架是通過如下幾個方面實現減振降噪的。

1）傳統的保持架兜孔形狀一般都是球形或橢球形的，滾動體與兜孔的全球面接觸；新型保持架的雙曲率兜孔結構使得滾動體在兜孔內只與大球帶的內外兩直線帶接觸，減小了滾動體與保持架的接觸面，明顯地降低了滾動體和保持架之間的摩擦。

2）與傳統兜孔結構相比，雙曲率兜孔中的小球帶可以儲存潤滑油，從而使得滾動體在運動過程中獲得充足的潤滑，避免了因制造誤差造成的滾動體劃傷。

3）由于滾動體獲得了充足的潤滑，滾動體和保持架在發生碰撞時，保持架會受到潤滑油的阻尼作用。與直接碰撞相比，由于碰撞的沖量一定，從而碰撞的作用時間變長，作用力變小，滾動體和保持架的局部變形所激勵的振動頻帶變窄，激發的振動方式減少，大部分碰撞能轉化為潤滑油的內部摩擦，以熱能形式耗散，因此，碰撞噪聲明顯降低。

4）良好的潤滑可以減小甚至消除滾動體和兜孔之間的干摩擦和邊界摩擦，使其處于流體潤滑狀態，而干摩擦和邊界摩擦是產生噪聲的主要原因，因此可以有效減小摩擦噪聲。

5）由于潤滑條件的改善，克服了傳統保持架不能長時間穩定工作的技術難題，并且有效延長了軸承的使用壽命。

由上述分析可知，新型兜孔結構可以有效降低保持架與滾動體的碰撞噪聲和摩擦噪聲，而良好的潤滑對減小振動噪聲也是有利的，因此，雙曲率異形兜孔保持架能夠有效解決滾動軸承高速運行時的高噪聲問題。

4 雙曲率兜孔靜音保持架測試

軸承產品的噪聲通常可以通過測量運轉時的振動加速度和振動速度進行間接測試，為此，將采用雙曲率兜孔保持架和采用傳統保持架的2 組相同規格（6201）深溝球軸承，每組10 個，在其他工作參數相同的情況下，選用S0910-Ⅲ微小型軸承振動測量儀和BVT-1 軸承振動速度測量儀對振動加速度和振動速度分別進行測量，測得其振動數據如表1 所示。其中軸承的振動加速度用振動加速度級來表示，振動加速度級為某一頻帶范圍內的振動加速度均方根值與參考加速度值之比的常用對數，再乘以20 所得之數值。

由表1 和表2 可知，雙曲率異形兜孔保持架無論振動加速度還是振動速度都明顯小于傳統保持架，雙曲率異形兜孔保持架的噪聲明顯低于傳統保持架，達到了靜音軸承的使用標準。而且，其高頻的振動速度是傳統保持架的1/3 到1/4 之間，因此，可以有效解決高速運轉產生高噪聲的技術難題。

表1 兩種保持架的振動加速度數據dB

表2 兩種保持架的振動速度數據 μm·s-1

5 結語

本文在總結對比國內外對保持架設計的研究方法的基礎上，以改善滾動體和保持架的潤滑為目的，以結構創新為突破口，設計了一種具有雙曲率兜孔結構的浪形保持架，然后進行了動力學和減振降噪機理分析。最后通過測試證明了該兜孔結構在降低保持架的噪聲方面的有效性。所設計的雙曲率兜孔浪形保持架達到了靜音軸承的標準，可以部分取代進口產品，對于提高國內家電產品的靜音水平和市場競爭力具有重要意義。同時，該新型兜孔結構對類似結構的減振降噪設計具有一定的借鑒意義。

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