圓錐滾子軸承實現減振降噪的方案措施

奚育宏

（甘肅機電職業技術學院，甘肅 天水 741001）

圓錐滾子軸承在使用過程中要承受徑向和軸向載荷，同時圓錐滾子軸承的純滾動性能，應用廣泛。圓錐滾子軸承噪聲及振動的產生因素是多方面的，主要是圓錐滾子的內、外套圈及滾子的磨削加工、裝配等因素都將直接影響軸承噪聲。經過進一步的研究發現，圓錐滾子軸承零件的圓度、波紋度和粗糙度對軸承的噪聲、振動值影響最大，圓錐滾子軸承的減振降噪是使用者和研究者必須面對的問題[1]。

1 圓錐滾子軸承振動機理和噪聲分類

1.1 圓錐滾子軸承振動[1]

眾所周知，許多機械元件在工作時不可避免地要產生振動，對于圓錐滾子軸承也不例外。一方面，由外部因素引起圓錐滾子振動,主要是機構受力不平衡導致振動等。特別當激振頻率達到固有頻率,振動會非常嚴重;另一方面,圓錐滾子軸承本身多方面因素也會產生振動,這種情況就比較復雜，例如，經常會有圓錐滾子軸承零件，形狀尺寸達到合格要求，卻依然產生振動。主要原因是圓錐滾子軸承受載荷作用,軸承處于旋轉狀態，受游隙影響，相鄰部件和套圈產生的彈性變形、圓錐滾動體與滾道接觸處，產生局部變形，為構成自由振動系統創造了條件；也因套圈、圈錐滾動體、保持架等在機械加工過程的相關因素，產生了制造誤差，導致具備形成受迫振動系統的條件，以及套圈、圈錐滾動體、保持架之間因滑動摩擦，構成了自激振動系統,最終導致圓錐滾子軸承的振動。

1.2 圓錐滾子滾動軸承的噪聲[1]

噪聲是由空氣振動機理產生的,當振動達到一定頻率和振幅范圍，才能被人耳聽到。軸承噪聲之所以產生是因為軸承在工作過程中,產生并達到一定頻率和振幅范圍的振動直接或間接輻射到空氣中而出現的。所以說噪聲是振動的一種表現形式,由此可見,解決圓錐滾子軸承噪聲問題的關鍵在于如何使圓錐滾子軸承達到減振降噪目的。

（1）接觸噪聲。產生的原因主要是圓錐滾子軸承各工作表面彈性接觸時引起的連續振動，不可避免。

（2）摩擦噪聲。主要是滾子基面與大擋邊因滑動摩擦引起的振動；其次是滾子外表面與保持架因滑動摩擦引起的振動和滾子外表面與內、外圈滾道摩擦引起的振動。其特點：連續振動，為圓錐軸承的主要聲源之一，主要受制造精度和表面粗糙度影響，通過提高滾子制造精度和表面粗糙度影響改善。

（3）撞擊噪聲。由保持架的軸向和徑向串動產生的撞擊引起。導致圓錐滾子軸承振動與噪聲的成因更加復雜,有些因素可以相互作用,試圖通過改善某個單一影響因素解決噪聲問題是不可能的。

（4）幾何精度噪聲。主要是內、外滾道或滾子外徑表面因圓度誤差引起的振動，以及旋轉套圈的滾道壁厚差引起的振動。特點是聲音有規律，較低轉速時不明顯，高轉速時成為軸承的主要聲源，可改善。

（5）滾動體尺寸差噪聲。因滾動體直徑差的影響，軸承旋轉中心偏離理想位置引起的振動（圖1）。當有1 個滾動體存在負偏差時，軸心將按照不同大小的近似“橢圓”的形狀進行位移（圖2）；當含多個誤差滾子時，滾子的應力變化規律仍近似拋物線形狀，但內圈軌跡變得更為復雜（圖3）。軸心軌跡范圍大于無偏差時的軸心軌跡。軸承低轉速時只是一種低頻振動，高轉速時形成噪聲，特點是聲音連續，可改善。

圖1 不考慮滾動體尺寸誤差的軸心軌跡[2]

圖2 滾動體尺寸誤差為0.01 時的軸心軌跡[2]

圖3 含多個誤差滾子時的軸心軌跡

（6）波紋度噪聲。內、外滾道及滾動體表面波紋度引起的振動，聲音連續，可改善。

（7）共振噪聲。軸承上某一零件固有頻率與外來振動頻率吻合時引起的振動，與轉速有關，連續或間斷。

（8）尖鳴噪聲。保持架收縮過緊時與滾子外徑表面刮擦引起的振動，聲音連續、尖銳，可避免。

（9）損傷噪聲。圓錐滾子軸承工作表面因磕碰傷或材料缺陷引起，可避免。

（10）污染物噪聲。由各類雜質等污染物引起，聲音連續或間斷，可通過超聲波清洗避免。

2 軸承實現減振降噪的方案措施

2.1 提升圓錐滾子加工質量和保持架的清潔質量

（1）滾子外徑加工采用細磨外徑→終磨外徑→超精外徑連線，這種加工方式更好的提高了滾動體的精度穩定性，尤其是分組批直徑變動量控制，同時減少了滾動體因工序間的移動產生的磕碰傷、劃傷等表面缺陷，而這些缺陷又是軸承運轉中產生固有振動頻率噪聲的主要因素。

（2）加工基面時使用的砂輪是三片組合樹脂砂輪，可實現出口無火花磨削，一次可磨除加工余量。第一片選用較軟的磨料，改善前工序滾動體基面的幾何形狀、尺寸誤差；第二片選用較硬的磨料，可以改善幾何精度、提高表面精度；第三片選用更精細的石墨磨料，實現無火花磨削，加工出的產品表面粗糙度可達到Ra0.20μm 以內。

（3）圓錐滾子外徑進行連線超精，外徑粗糙度控制在Ra0.10μm 以內，分組批直徑變動量控制在0.003μm 以內，球基面的粗糙度控制在Ra0.25μm以內，其余幾何精度及表面質量應滿足工藝要求，為保證滾子旋轉時的穩定性，滾子母線為修正曲線。

（4）保持架經過超聲波噴淋清洗，清潔度要符合行業標準。采取這些措施后，軸承裝配后不會出現保持架卡滾動體、減小保持架與引導面之間產生摩擦，從而降低軸承產生振動和噪聲。

2.2 確定合理的技術參數

經過有關企業對圓錐滾子軸承進行的大量振動實驗，得到以下參數，為減振降噪優化參數[3]。

滾子滾動面粗糙度Ra≤0.08μm；

內滾道粗糙度Ra≤0.16μm；

外滾道粗糙度Ra≤0.18μm；

滾子波紋度≤0.7μm；

內滾道波紋度≤0.8μm；

外滾道波紋度≤0.9μm。

其他參數按現行工藝標準執行。按以上確定的參數試驗了130 套軸承，裝配后測量其振動值。有3套軸承的振動值超出標準值0.7～1.2dB，合格率為98%。對3 套軸承拆套后檢測，除個別滾子有輕微擦傷外，其他項目均合格。

2.3 提高套圈端面、外徑的定位精度

（1）產品試制中采用雙端面磨床，避免了定位誤差和加工誤差的疊加，外圈、內圈端面平面度控制在0.006mm 以內，粗糙度控制在Ra0.5μm 以內。

（2）用外圓無心磨削外徑時，通過調整刀板的高度、導輪傾角，修整導輪、砂輪，采用背對背面對面的上料方式，采用初4、細3、終2 的磨削方式，來保證外徑的圓度、橢圓、粗糙度等滿足高精度要求。

2.4 提高內、外滾道的加工質量

內外圈滾道在終磨工序延長光磨（無火花磨削）時間5～8s，滾道粗糙度基本達到Ra0.32～0.25μm的范圍，為超精工序表面糙度的實現均勻性、一致性打基礎。內、外圈滾道在終磨工序圓度控制在（2～15upr），波紋度控制在（15～150 upr/15～250upr）；項目的軸承套圈外滾道終磨工序的圓度值控制到了0.004μm 以內；內滾道終磨工序的圓度值未超過0.0025。磨削加工中，采用浮動圓弧式支承。這種支承與定位面為圓弧包容面接觸，提高了定位精度，削除和減少了支承面圓形偏差及波紋度向加工表面傳遞，增強了成圓能力，大大提高了軸承套圈的加工精度。

另外，夾具采用的是電磁無心夾具，加工時，磁力太大會使軸承端面尤其是輕、窄套圈發生輕微變形，去磁后可能產生端面翹曲、定位表面劃傷等現象，影響軸承的精度。通過調整偏心量e，初磨為0.25～0.45mm，終磨0.15～0.25mm，偏心方向角θ 在15°～30°范圍內，使工件在磁極、支承之間運行平穩，可以減小工件在磨削時跳動產生波紋度、圓度。

2.5 提高內圈大擋邊的加工質量

內圈大擋邊面粗糙度Ra 值控制在0.25μm 以內，擋邊面與滾子基面著色面保證90%不低于擋邊寬度。

為提高滾動體球基面與內圈擋邊面的接觸性，對擋邊端面進行了凸度加工，這種工藝的實現是通過調整工件軸中心線與砂輪中心線的位置關系，讓工件軸中心線與砂輪中心線之間產生一個微量的空間夾角θ，這樣機床就具備可加工擋邊端面凸度的能力了。另增加磨削次數，改善冷卻環境，工件在磨削過程可進行小幅振蕩，這樣不僅提高冷卻性能而且提高了擋邊端面的表面粗糙度，降低了摩擦。

磨擋邊倒角，該工序加工的目的為：首先消除前工序產品在流轉中的磕碰傷，使滾動體不會在磕碰傷處產生固有的振動；其次是形成光滑的潤滑油的引導面，在軸承旋轉時潤滑油更好的進入滾動體基面與擋邊面的滑動摩擦區，形成動壓油膜，減小摩擦噪聲。

3 結束語

圓錐滾子軸承產生振動噪聲的因素很多，要使圓錐滾子軸承實現減振降噪，必須針對圓錐滾子軸承振動噪聲主要因素重點解決，才能實現圓錐滾子軸承減振降噪。