圓柱滾子軸承內圈越程槽對擋邊變形的影響

公平，張靜靜，于慶杰，鄭艷華

（中航工業哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150000）

圓柱滾子軸承常用于航空發動機、直升機等傳動系統，主要承受徑向載荷。當軸承承受較大軸向載荷時，一方面內圈擋邊與滾子端面間隙減小，可能造成滾子卡滯和磨損；另一方面會導致滾道受力不均和滾道變形，產生局部應力集中。鑒于此，分析了圓柱滾子軸承在承受軸向載荷時，越程槽尺寸對擋邊變形的影響，以及安裝在傳動系統后軸向載荷對內圈滾道變形的影響。

1 越程槽的設計

圓柱滾子軸承內圈越程槽主要用于車、磨加工中的清根，方便切削液帶走磨屑，儲存潤滑油，減小應力集中。為避免越程槽尖點劃傷滾子端面，越程槽擋邊斜坡最大點設計位置應考慮滾子倒角最小值，越程槽滾道及擋邊處兩斜坡應與圓角相切，其半徑R由工藝確定。根據GB／T 6403.5—1986《砂輪越程槽的形式與尺寸》，越程槽設計如圖1所示，S1，S2，S3，S4為越程槽設計的4個尺寸。

圖1 越程槽設計Fig.1 Design of grinding undercut

2 軸向預載荷的計算

圓柱滾子軸承安裝示意圖如圖2所示，一端面與雙內圈角接觸球軸承內圈端面接觸，另一端面對擰緊螺母施加力矩，通過彈簧鎖片進行定位，在施加力矩的同時會對滾子軸承內圈產生軸向安裝預載荷F（也稱擰緊力），軸承安裝過程中所承受的擰緊力矩為372 N·m，根據機械設計手冊可知軸向預載荷為

圖2 圓柱滾子軸承安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of cylindrical roller bearing

式中：D為螺紋大徑；k為扭矩系數。

考慮潤滑油的作用，k取0.12，D為45 mm，由（1）式可得F約為70 kN。

2種設計方法的圓柱滾子軸承內圈的主要參數見表1，越程槽尺寸S1和S4相差較大。

表1 內圈主要參數Tab.1 Main parameters of inner ring

3 越程槽尺寸對擋邊變形的影響

為分析在相同軸向載荷作用下，越程槽4個設計尺寸對軸向擋邊變形的影響，以表1中設計2為例，建立內圈有限元模型，固定內圈一側端面，另一端面承受70 kN的軸向載荷，通過使用ANSYS計算分析得出，擋邊在承受軸向力作用下，受力側擋邊向外擴展，擋邊沿滾道軸向方向發生變形，其應力和應變分別如圖3、圖4所示（為計算方便，有限元中僅建立1／4模型進行計算）。擋邊變形是指內圈端面在承受軸向載荷作用下，擋邊間隙由擋邊間隙1變為擋邊間隙2過程中變化的間隙量，如圖5所示的截面圖，通過計算，設計2的擋邊變形量為35μm。

圖3 應力云圖Fig.3 Stress nephogram

圖4 變形云圖Fig.4 Deformation nephogram

圖5 擋邊變形截面示意圖Fig.5 Cross section diagram of rib deformation

假設越程槽其他3個尺寸不變，分析其中一個越程槽第4個尺寸對擋邊變形的影響，越程槽尺寸對擋邊變形的影響如圖6所示。可以看出，圓柱滾子軸承承受較大軸向載荷時，隨越程槽各尺寸增大，滾道擋邊變形增大，其中S1，S4對擋邊變形的影響較大，故設計1承受大的軸向載荷后抗變形能力優于設計2。

圖6 越程槽尺寸對擋邊變形的影響Fig.6 Influence of size of grinding undercut on rib deformationon

4 計算分析與試驗驗證

4.1 計算分析

通過簡單模型計算得到越程槽4個尺寸對擋邊變形計算的影響較為明顯，但軸承安裝在傳動系統中，要考慮零件之間的摩擦、力的傳遞和軸系設計等，基于ANSYS建立1／2系統模型如圖7所示。其中軸向力加載在螺母螺牙中，螺母與杯形鎖片之間、球軸承與軸之間為固定連接，鎖片與內圈、內圈與球軸承端面和空心軸配合部分均存在摩擦，摩擦因數為0.12。球軸承與空心軸之間的最大過盈配合為0.033 mm，內圈承受70 kN軸向載荷時，系統整體變形如圖8所示，內圈變形如圖9所示。由圖8、圖9可以看出，由于軸的兩側存在卡入鎖片缺口，導致軸與內圈的過盈配合不均，內圈滾道出現8字扭曲變形。

圖7 有限元模型Fig.7 Finite element model

圖8 整體變形Fig.8 Overall deformation

圖9 內圈變形Fig.9 Deformation of inner ring

4.2 試驗驗證

采用圖3的實體軸，通過螺母對內圈端面加載預緊力。拆套后采用OGP計量檢測方法得到：滾道圓柱度為7.9μm，滾道錐角為0.02°，滾道出現了8字扭曲變形，與有限元分析結果趨勢一致。

5 擋邊變形計算

根據2種越程槽設計，在上節所述的系統模型下，計算軸開槽和未開槽處的內圈擋邊變形，在柱坐標系下，x為徑向，z為軸向，y為周向，考慮軸上有兩處180°分布的槽，整個滾道變形如圖10所示，在無槽一側內圈截面選取點1，2，3，4，在有槽一側選取點5，6，7，8。無槽側在 z向選取點1，2處的變形，有槽側在z向選取點5，6處的變形，得出不同位置的擋邊變形，2種設計的計算結果見表2。

圖10 內圈滾道變形Fig.10 Deformation of inner raceway

表2 擋邊變形Tab.2 Rib deformation

從表2可以看出，在相同軸向載荷下，設計1在有槽側和無槽側內圈的滾道擋邊變形均小于設計2，擋邊變形相差1.5μm左右。為驗證計算結果，選取6批設計2的軸承和1批設計1的軸承進行試驗驗證，其設計2的軸承擋邊變形如圖11所示，設計1的軸承擋邊變形為15.6μm。擋邊變形平均相差3μm，與分析結果存在偏差，但偏差在允許范圍之內。

圖11 擋邊變形Fig.11 Rib deformation

由此可知，雖然越程槽S1和S4在一定程度上會影響擋邊變形，S1，S4越大，擋邊變形越大，但擋邊變形量在系統模型分析中相差不明顯。

圓柱滾子軸承承受預載荷時，越程槽尺寸對內圈擋邊變形有影響，應適當降低S1和S4以減小擋邊變形。

6 結束語

分析圓柱滾子軸承內圈在擰緊力矩作用下4個越程槽尺寸對擋邊變形的影響。通過建立系統傳動模型，分析不同結構越程槽設計對擋邊變形的影響，并開展了相關試驗，為圓柱滾子軸承越程槽的設計和軸承安裝提供了參考。