圓錐滾子軸承保持架的改進(jìn)設(shè)計

趙秀婷，孟瑾，劉致文

(1.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 4710232；2.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

圓錐滾子軸承筐形保持架由金屬板材通過下料、成形、沖窗孔、切底、壓坡、擴(kuò)張等工序完成，其中車端面、整形工序需要采用專門的車削加工設(shè)備來完成。為減少加工工序，提高材料利用率和生產(chǎn)效率，對圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，采用薄板全沖壓工藝來制造保持架，并以32216圓錐滾子軸承保持架為例，通過有限元計算分析改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的理論可行性。

1 保持架的改進(jìn)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)前筐形保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋼板沖壓成形，大端外徑面車削成圓弧或倒角，并保證保持架寬度。車削加工生產(chǎn)效率低。改進(jìn)后的筐形保持架結(jié)構(gòu)如圖2所示，保持架小端底面依然保持內(nèi)環(huán)形翻邊，大端面采用外翻邊形式，保持架主體軸向截面上形成 “Z”形結(jié)構(gòu)，通過全沖壓工藝成形。在板厚相同的條件下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的保持架可以有效提高剛度、強(qiáng)度、制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 改進(jìn)前保持架局部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 板厚設(shè)計

板厚S直接影響保持架強(qiáng)度和沖壓工藝性能，圓錐滾子軸承保持架的板厚S在設(shè)計上一直采用經(jīng)驗公式(S=KSDw，Dw為滾子大端直徑，KS為經(jīng)驗系數(shù))計算。改進(jìn)前保持架板材取值較大但剛性仍不好,且只能靠增加板厚來增強(qiáng)保持架剛性。

依據(jù)保持架的失效分析和模擬拉伸試驗可知，保持架窗孔的過渡連接位置首先發(fā)生失效，通常可以采用微小的圓弧過渡，或在加工中避免該位置的質(zhì)量缺陷以保證保持架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。滾子作用在保持架窗孔的圓弧面上，圓弧面用來引導(dǎo)滾子的轉(zhuǎn)動，圓弧與滾子接觸的有效面積及中心點的位置對滾子的作用力與反作用力都是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)[2]。由于保持架梁的拐角部分是整個保持架最薄弱環(huán)節(jié)，所以，梁厚度(即板厚S)取值必須保證滿足保持架強(qiáng)度的極限值，經(jīng)過大量的試驗和使用可知，可采用經(jīng)驗公式設(shè)計計算。

因此，在設(shè)計板厚S時，主要依據(jù)經(jīng)驗公式確定，再根據(jù)實際使用過程中軸承的承載能力和標(biāo)準(zhǔn)鋼板厚度做適當(dāng)調(diào)整。對于承載能力小的軸承，可以適當(dāng)增大S值提高保持架的強(qiáng)度；對于承載能力大的軸承，在滿足使用強(qiáng)度的前提下可以適當(dāng)減少S值。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后經(jīng)驗系數(shù)KS根據(jù)各尺寸系列的取值見表1[1]。

表1 各系列軸承保持架板厚計算經(jīng)驗系數(shù)的取值對比

2 有限元模擬分析

2.1 模型建立

保持架為周期對稱結(jié)構(gòu)，在ANSYS中可以利用周期對稱性，取對稱結(jié)構(gòu)的一個扇區(qū)進(jìn)行建模和分析，以節(jié)約計算時間。根據(jù)32216軸承保持架的結(jié)構(gòu)工藝圖(圖2)，在Pro/E中分別建立改進(jìn)前、后保持架的1/20實體模型。

圖2 改進(jìn)后保持架局部結(jié)構(gòu)示意圖

材料采用表面質(zhì)量級別為II級的10#鋼板，彈性模量E=200 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.2 網(wǎng)格劃分

用自由網(wǎng)格劃分方法對保持架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸區(qū)域的單元邊長應(yīng)不大于Hertz接觸面的1/2寬度，改進(jìn)前保持架模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3a所示，模型共有單元5 040個，節(jié)點6 105個。改進(jìn)后保持架模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3b所示，模型共有單元5 230個，節(jié)點6 312個。

圖3 32216保持架結(jié)構(gòu)圖

2.3 約束條件

根據(jù)保持架的實際運動，保持架端面固定不動，即設(shè)置上下兩端面為零位移約束。由于只取整個保持架模型的1/20建模，同時要在對稱面上施加對稱約束邊界條件。

2.4 載荷條件

滾子與保持架的接觸點即是滾子對保持架的作用力點，位于保持架兜孔壓坡面的中央。滾子端部和保持架兜孔兩邊的相互作用力忽略不計，過梁壓坡接觸面所受的摩擦力比法向作用力小得多，也可忽略不計。故只考慮過梁壓坡接觸面所承受的法向作用力[2]，即

(1)

式中：F為法向力；CP為保持架兜孔徑向間隙；ZC為鋼球與保持架兜孔的偏移量。為分析保持架結(jié)構(gòu)對其強(qiáng)度影響，取滾子與保持架過梁接觸的極限情況進(jìn)行研究，參考文獻(xiàn)[2]取F=67 N。

3 計算結(jié)果及分析

改進(jìn)前、后保持架應(yīng)力分布如圖4～圖7所示。由圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在保持架過梁以及上下圓環(huán)面的接觸部位，這與實際工作中保持架的疲勞損壞部位一致。改進(jìn)前32216軸承保持架板厚2.5 mm時最大應(yīng)力183 MPa,根據(jù)等強(qiáng)度原則，采用新結(jié)構(gòu)后板厚可以取1.9 mm,最大應(yīng)力為172 MPa,滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，板厚S圓整為2 mm時，最大應(yīng)力為153.430 MPa。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力對比見表2。

圖4 改進(jìn)前S=2.5 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖5 改進(jìn)前S=1.9 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖6 改進(jìn)后S=1.9 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖7 改進(jìn)后S=2 mm的保持架應(yīng)力云圖

表2 32216保持架改進(jìn)前、后板厚與最大應(yīng)力對比

通過改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)，在不增加梁厚度的情況下滿足了保持架強(qiáng)度要求，節(jié)省了材料，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語

利用可靠性理論，按與原結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度的原則，通過有限元計算分析優(yōu)化了帶凸緣全沖壓保持架板厚取值，改進(jìn)了傳統(tǒng)通過增加板厚來提高保持架的強(qiáng)度的方法。對于不同系列圓錐滾子軸承保持架系數(shù)可根據(jù)表1選取，確定板厚。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)在滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況下，節(jié)約了材料，改善了制造工藝，提高了加工效率，降低了制造成本。