圓錐滾子軸承擋邊接觸點(diǎn)的控制方法

沈丹富，孫明亞

(錢潮軸承有限公司，杭州 311215)

符號(hào)說明

di——直擋邊內(nèi)圈滾道最大直徑

Dw——滾子大頭直徑

SR——滾子球基面曲率半徑

β——內(nèi)圈滾道素線與軸線之間的夾角

λ——內(nèi)圈大擋邊錐面與端面之間的夾角

ρρ——內(nèi)圈弧形擋邊曲率半徑

φ——滾子半錐角

Ψ——內(nèi)圈大擋邊錐面與滾道面之間的夾角

圓錐滾子軸承中,滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸點(diǎn)的位置非常重要，接觸點(diǎn)離內(nèi)圈大擋邊越程槽過近，工作時(shí)越程槽邊緣會(huì)處于接觸橢圓區(qū)域內(nèi)而產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起疲勞剝落；接觸點(diǎn)離大擋邊最高點(diǎn)過近，工作中易導(dǎo)致內(nèi)圈大擋邊變形甚至斷裂。因此，必須對(duì)滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸點(diǎn)進(jìn)行合理控制。文獻(xiàn)[1]從設(shè)計(jì)角度給出了圓錐滾子軸承滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸點(diǎn)至越程槽邊緣的距離bi的計(jì)算公式，但對(duì)于接觸點(diǎn)位置應(yīng)處于什么尺寸范圍，加工生產(chǎn)過程中應(yīng)如何有效控制等均沒有相關(guān)文獻(xiàn)介紹。為此，現(xiàn)介紹接觸點(diǎn)位置的合理尺寸范圍及其在生產(chǎn)過程中的控制與調(diào)整。

1 接觸點(diǎn)范圍的探討

如圖1所示，以圓錐滾子軸承內(nèi)圈大擋邊與內(nèi)圈滾道交點(diǎn)為起點(diǎn)，向外依次分為3段，分別標(biāo)注為0，1/3，1/2，1。根據(jù)多年軸承設(shè)計(jì)以及國外主機(jī)配套項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)接觸點(diǎn)處于0～1/3并靠近根部時(shí)，有利于滾子與擋邊形成潤滑楔，且能減小軸承擋邊壓力，但油槽里的油不利于潤滑，接觸點(diǎn)易落入油槽或油槽邊緣，滾子工作時(shí)形成邊緣效應(yīng)，加重滾子球基面磨損，降低軸承壽命；當(dāng)接觸點(diǎn)處于1/3處時(shí)，雖然有利于滾子與擋邊形成潤滑楔，大擋邊壓力強(qiáng)度也較低，但易造成滾子卡死；當(dāng)接觸點(diǎn)在大擋邊中間1/2處，形成的潤滑楔更有利于軸承潤滑；當(dāng)接觸點(diǎn)處于大擋邊最高點(diǎn)1處，由于大擋邊壓力強(qiáng)度大，易發(fā)生變形。因此，設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量將接觸點(diǎn)控制在大擋邊中間1/2前后的范圍內(nèi)。

圖1 滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊接觸點(diǎn)位置示意圖

2 接觸點(diǎn)位置的精確計(jì)算

根據(jù)圓錐滾子軸承純滾動(dòng)設(shè)計(jì)理論，軸承內(nèi)、外滾道素線及滾子中心線交于同一點(diǎn)，滾子與內(nèi)圈的幾何關(guān)系如圖2所示。

由圖2幾何關(guān)系得

圖2 滾子與內(nèi)圈幾何關(guān)系示意圖

(1)

(2)

OO1=AO-AO1，

(3)

O1D=OO1·sinφ，

(4)

(5)

(6)

在RT△O1EC中，接觸點(diǎn)E的精確計(jì)算結(jié)果為

(7)

則由(1)～ (7)式得，

(8)

從(8)式可以看出，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，只需精確測(cè)量出SR，Dw，φ，Ψ，β，di值，并將其代入(8)式，就能精確得到被測(cè)軸承接觸點(diǎn)所在位置。由于同一套圓錐滾子軸承中滾子數(shù)量較多，滾子球基面精磨過程中難以精確定位，SR值很難精確控制，SR尺寸精度一般在0～15 mm的公差范圍內(nèi)變動(dòng)。因此對(duì)于SR值，通常需精測(cè)多粒(正常情況下精測(cè)5粒)滾子，取其平均值作為接觸點(diǎn)精確計(jì)算的輸入。

3 接觸點(diǎn)位置的近似計(jì)算

如圖2所示，由于CO≈BO，如果CO1≈BO1=SR=0.95ρρ=0.95BO，則CD≈BD，∠O1CD≈∠O1BD，從而有

CD≈BD=BO-DO=BO-O1O·cosφ，

(9)

(10)

(11)

則由(7)式得

(12)

由(1)～(4)式和(9)～(12)式得

(13)

從(13)式可以看出，只需精測(cè)SR，Dw，φ，Ψ及5粒滾子SR平均值，可以近似計(jì)算出接觸點(diǎn)的位置，不需再對(duì)β，di進(jìn)行精測(cè)。

4 生產(chǎn)過程中接觸點(diǎn)位置的控制

無論是新產(chǎn)品試制，還是產(chǎn)品批量生產(chǎn)，都是采用同步工程組織生產(chǎn)，生產(chǎn)周期一般控制在45天內(nèi)。滾子由專業(yè)制造商按圖紙要求及相關(guān)技術(shù)協(xié)議開展生產(chǎn)，需要35天左右完成加工、檢測(cè)、包裝；而軸承套圈加工過程相對(duì)復(fù)雜，一般由專業(yè)的鍛造、車加工協(xié)作加工，再轉(zhuǎn)入公司內(nèi)部檢驗(yàn)、熱處理、磨加工、裝配，因此需要的時(shí)間相對(duì)較長。通常情況下，滾子、保持架檢驗(yàn)合格入庫時(shí)，軸承內(nèi)圈基本進(jìn)入滾道、擋邊精磨工序，因此，要精確控制接觸點(diǎn)位置，依靠調(diào)整滾子幾何參數(shù)幾乎是行不通的，只能選擇內(nèi)圈參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整。

然而，內(nèi)圈幾何參數(shù)中，β，di是不能變動(dòng)的，否則不符合軸承純滾動(dòng)理論，易導(dǎo)致軸承工作過程中滑動(dòng)摩擦增大，并且會(huì)影響軸承裝配后高度。因此，唯一能夠調(diào)整的只有Ψ。根據(jù)現(xiàn)行圓錐滾子軸承設(shè)計(jì)方法[2]，Ψ=90°-λ+β，因?yàn)棣虏荒茏兓?，因此，改變?chǔ)穼?shí)質(zhì)就是微調(diào)λ，即通過微調(diào)λ實(shí)現(xiàn)接觸點(diǎn)位置的精確控制。

為了更直觀、方便地表達(dá)接觸點(diǎn)位置，協(xié)助生產(chǎn)、工藝人員準(zhǔn)確判斷接觸點(diǎn)控制的是否合理，內(nèi)圈精磨擋邊前隨機(jī)取1～2個(gè)內(nèi)圈，采用軸承檢查儀、輪廓儀精測(cè)出圖3所示內(nèi)圈參數(shù)β，di，B，N，F(xiàn)，Ψ及滾子參數(shù)SR，Dw，φ，并將接觸點(diǎn)相關(guān)計(jì)算公式列入Excel表格，借助于Excel表格的功能確定Ψ角的范圍，指導(dǎo)擋邊精磨工序砂輪安裝及角度的調(diào)整與控制，達(dá)到有效控制接觸點(diǎn)的目的。

圖3 內(nèi)圈、滾子需測(cè)量的幾何參數(shù)

5 接觸點(diǎn)控制實(shí)例

以524467圓錐滾子軸承內(nèi)圈大擋邊與滾子球基面接觸點(diǎn)的實(shí)際控制為例，介紹生產(chǎn)過程Ψ的確定及精磨擋邊工序砂輪的調(diào)整。

5.1 接觸點(diǎn)位置的計(jì)算

接觸點(diǎn)位置的計(jì)算步驟為：

(1)利用軸承專用檢查儀、輪廓儀，精確測(cè)量滾子、內(nèi)圈相關(guān)幾何尺寸，見表1；

(2)分別將接觸點(diǎn)位置的精確及近似計(jì)算公式錄入并設(shè)計(jì)成2份Excel表格；

(3)根據(jù)接觸點(diǎn)位置精確及近似計(jì)算式的數(shù)據(jù)輸入要求，將表1中的測(cè)量參數(shù)值輸入，得到接觸點(diǎn)的精確、近似計(jì)算位置尺寸分別為2.90， 2.89 mm。這2種方法的計(jì)算結(jié)果僅相差0.01，非常接近，且2種計(jì)算結(jié)果均顯示接觸點(diǎn)在靠近內(nèi)圈大擋邊1/2偏上部位。

表1 滾子、內(nèi)圈部分參數(shù)精測(cè)結(jié)果

5.2 接觸點(diǎn)位置的調(diào)整與控制

將接觸點(diǎn)控制在內(nèi)圈大擋邊1/3～1/2之間的調(diào)整與控制方法：在Excel表格中輸入不同的Ψ值，當(dāng)計(jì)算結(jié)果等于或接近兩控制點(diǎn)的數(shù)值(1/3處接觸點(diǎn)位置尺寸1.881 mm、1/2處接觸點(diǎn)位置尺寸2.821 mm)時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的Ψ角范圍即為生產(chǎn)過程內(nèi)圈大擋邊精磨工序砂輪安裝所需控制的角度范圍。

對(duì)于接觸點(diǎn)位置尺寸精確計(jì)算，當(dāng)Ψ輸入值為89°35′47″時(shí)，接觸點(diǎn)位置計(jì)算結(jié)果為1.88 mm；當(dāng)Ψ輸入值為89°17′31″時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示為2.82 mm。因此，如需將接觸點(diǎn)控制在內(nèi)圈大擋邊1/3～1/2之間，必須將Ψ角嚴(yán)格控制在89°17′31″～89°35′47″。

對(duì)于接觸點(diǎn)位置近似計(jì)算，當(dāng)Ψ輸入值為89°35′45″時(shí)，接觸點(diǎn)位置尺寸計(jì)算結(jié)果為1.88 mm；當(dāng)Ψ輸入值為89°17′31″時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示為2.82 mm。因此，如需將接觸點(diǎn)控制在內(nèi)圈大擋邊1/3～1/2之間，必須將Ψ角嚴(yán)格控制在89°17′31″～89°35′45″。

比較接觸點(diǎn)位置的精確與近似計(jì)算結(jié)果，要將524467圓錐滾子軸承接觸點(diǎn)位置控制在內(nèi)圈大擋邊1/3～1/2之間，實(shí)際控制的Ψ角范圍非常接近，從而進(jìn)一步證明了接觸點(diǎn)位置尺寸精確計(jì)算與近似計(jì)算的差異極小，因此在生產(chǎn)過程中完全可以采用近似計(jì)算來代替精確計(jì)算，確定Ψ角所需要的控制范圍。

最后，利用計(jì)算結(jié)果指導(dǎo)內(nèi)圈擋邊精磨工序砂輪角度的安裝與調(diào)整。針對(duì)不同的擋邊磨床，在砂輪安裝調(diào)整后，先試磨1～2個(gè)內(nèi)圈大擋邊，采用輪廓儀精測(cè)Ψ，如果Ψ值在所計(jì)算的角度范圍內(nèi)，則保持砂輪安裝角度進(jìn)行內(nèi)圈擋邊精磨加工；如果所測(cè)Ψ值不在所計(jì)算的角度范圍內(nèi)，須調(diào)整砂輪安裝角度，直到Ψ值進(jìn)入所計(jì)算的角度范圍為止，以確保批量軸承接觸點(diǎn)處于合理位置。

6 結(jié)束語

基于圓錐滾子軸承純滾動(dòng)設(shè)計(jì)理論，利用滾子、內(nèi)圈的幾何關(guān)系，對(duì)滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸點(diǎn)位置分別進(jìn)行了精確、近似計(jì)算，通過實(shí)例證明精確計(jì)算與近似計(jì)算結(jié)果非常接近，因此，可以利用近似計(jì)算方法，只需精測(cè)軸承參數(shù)SR，Dw，φ，Ψ，B，N和F，并通過微調(diào)Ψ角度，在軸承生產(chǎn)過程中就可保證滾子球基面與內(nèi)圈大擋邊的接觸點(diǎn)處于理想位置范圍。