深溝球軸承極限軸向載荷計算與分析

公平，張靜靜，董金龍

(中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，哈爾濱 150000)

深溝球軸承是最具代表性的滾動軸承，具有摩擦因數小、極限轉速高、結構簡單、制造成本低、制造精度較高等優點，主要承受徑向載荷，也可同時承受軸向載荷。當其僅承受徑向載荷時，接觸角為零。當深溝球軸承具有一定的徑向游隙時，具有角接觸軸承的性能，可承受一定的軸向載荷。然而當深溝球軸承承受較大軸向載荷時，球與套圈之間不能形成完整的接觸橢圓(接觸區超出溝道)，球與擋邊附近的接觸處將產生應力集中，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如圖1所示，其中α為接觸橢圓剛剛達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處形成的夾角；φ為接觸橢圓長半軸與鋼球中心形成的角度。由文獻[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，其大小取決于總曲率函數B;Z為鋼球個數；Dw為鋼球直徑;Gr為初始徑向游隙；fi和fe分別為內、外溝曲率系數，可通過查表得到。

大量實踐經驗表明：深溝球軸承承受較大軸向載荷時，球與內圈的接觸橢圓先被破壞，球與套圈擋邊發生應力集中；當軸向載荷達到一定值后，球與外圈的接觸橢圓才被破壞，最終導致球與內、外圈均發生接觸橢圓截斷，在擋邊處形成大的應力集中造成軸承失效。因此，僅需計算球與內圈的接觸橢圓被破壞時的極限軸向載荷。

2 基于ROMAX極限軸向載荷計算

ROMAX DESIGNER軟件是一款模擬實際工況下的虛擬產品開發軟件，程序中內嵌國內外先進的軸承庫，能夠對軸承進行建模，計算軸承的壽命、載荷分布、接觸應力等，以FAG 6219C3軸承為例，其主要幾何參數見表1。

表1 FAG 6219C3 軸承主要結構參數

根據表1中的參數，建立的FAG 6219C3軸承模型如圖2所示。經過仿真分析，深溝球軸承在受到257 12 N軸向力時軸承內圈接觸橢圓發生截斷，截斷率為4.9%，鋼球與套圈擋邊將發生應力集中，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中顯示內圈與鋼球的接觸區域發生截斷時的黑色印記如圖4所示。

圖4 鋼球與內圈接觸印記

3 安全接觸角、極限軸向載荷與初始游隙之間的關系

由(1)式可知，當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ROMAX軟件及理論計算方法，分別計算FAG 6219C3軸承初始游隙對球與內圈安全接觸角及極限軸向載荷的影響，結果如圖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種計算方法的誤差在0.5°范圍內；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種計算方法的結果相當接近。

4 結束語

依據軸承幾何關系推導深溝球軸承極限軸向載荷的計算方法，并以FAG 6219C3為例，使用ROMAX軟件和理論計算值進行對比，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系，為深溝球軸承設計提供了依據，證實了ROMAX軟件可以作為深溝球軸承極限軸向載荷優化計算的有利工具。