推力滾針軸承墊圈厚度誤差對接觸應(yīng)力的影響

楊曉剛，王旭永，扈文莊

(1.上海交通大學(xué)，上海 200030；2.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471003；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；4.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽471039)

推力滾針軸承可承受軸向載荷，且承載大，為使軸承不出現(xiàn)“邊緣效應(yīng)”，提高軸承的使用性能和壽命，滾針要經(jīng)過拋竄使其具有一定的凸度，從而使軸承承載時滾針的接觸應(yīng)力均勻分布。滾針的凸度由竄筒拋竄而成，通過調(diào)整竄筒的拋竄方式、時間和磨料的硬度、磨粒大小、比例等因素得到不同凸度形狀；推力墊圈由鋼板沖壓、熱處理、拋竄光飾、檢驗后，直接配對使用[1-3]。

由于該軸承的工況是重載(15 kN)、低速(30 r/min)，軸向承受較大載荷，所以滾針和墊圈受力大，對修形和厚度差要求高。文中研究使用對數(shù)曲線修形滾針的推力軸承中推力墊圈厚度誤差對接觸應(yīng)力的影響。

1 凸度設(shè)計

滾針引用對數(shù)曲線滾子的曲線方程

(1)

Lwe=Lw-2r;-Lwe/2

式中：y為圓柱滾子的對數(shù)曲線函數(shù)；x為對數(shù)曲線函數(shù)的自變量；ν為滾子材料的泊松比；E為滾子材料的彈性模量；Qmax為對數(shù)曲線滾子承受的最大載荷；Lwe為對數(shù)曲線滾子的有效長度；r為對數(shù)曲線滾子端部的倒角半徑；Lw為滾子長度。

2 推力滾針軸承有限元模型

以推力滾針軸承AXK1230+AS1230為例,其相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 軸承參數(shù)

墊圈材料為T8A，滾針材料為GCr15(二者彈性模量和泊松比相同)。

由于推力滾針軸承的結(jié)構(gòu)對稱，用有限元分析軟件ANSYS建模時，只需分析一個扇區(qū)。為提高計算精度，對接觸區(qū)域進行網(wǎng)格細分，使其為接觸半寬(滾針與內(nèi)外圈的接觸矩形)的一半。對下墊圈進行全約束，對上下墊圈、滾針的剖面施加對稱約束，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格模型

3 直素線和對數(shù)修形滾針計算結(jié)果

滾針沒有修形(直素線)的情況下，在15 kN載荷下所得到的接觸應(yīng)力曲線(沿滾針軸向方向)如圖2所示。由圖可知，在滾針的端部(直線與圓弧連接處)出現(xiàn)了較為嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大接觸應(yīng)力為3 147 MPa。

圖2 滾針無修形、倒角0.4 mm時沿軸向接觸應(yīng)力曲線

為避免滾針出現(xiàn)應(yīng)力集中，使接觸應(yīng)力沿滾針軸向均勻分布，根據(jù)理論公式計算出了最佳對數(shù)曲線，在15 kN載荷下，滾針素線為對數(shù)修形時所得到的接觸應(yīng)力曲線和等效應(yīng)力云圖分別如圖3和圖4所示。由圖可知，滾針最大接觸應(yīng)力為2 789 MPa，接觸應(yīng)力分布均勻、左右對稱，且沿滾針軸向向兩端緩慢降低。

圖3 理想對數(shù)曲線修形滾針沿軸向接觸應(yīng)力曲線

圖4 理想對數(shù)曲線修形滾針等效應(yīng)力云圖

4 墊圈厚度誤差對對數(shù)修形滾針接觸應(yīng)力的影響

因推力墊圈加工時存在厚度誤差，從而使上下墊圈不能均勻地與滾針有效接觸，造成各個滾針間的接觸應(yīng)力分布不均，并且隨著厚度誤差增大，其最大接觸應(yīng)力也增大。厚度誤差不能消除，只能控制在一定范圍內(nèi)，在符合產(chǎn)品要求范圍內(nèi)，盡量保持最大公差以降低成本。通過理論分析和試驗證明，公差必須控制在0.01 mm內(nèi)，否則會影響產(chǎn)品壽命?？紤]到產(chǎn)品精度要求和經(jīng)濟性，厚度誤差從0.006 mm開始分析：1)厚度誤差要求過高，很難甚至無法加工，成本會升高；2)厚度誤差要求過低，產(chǎn)品無法正常使用。通過檢測不同的厚度誤差并建立相應(yīng)有限元模型，得出墊圈與滾針之間的接觸應(yīng)力見表2，接觸應(yīng)力曲線如圖5所示。

表2 不同墊圈厚度誤差時的接觸應(yīng)力

圖5 不同厚度誤差時理想對數(shù)曲線滾針沿軸向接觸應(yīng)力曲線

由圖5可知，隨著墊圈厚度誤差增大，最大接觸應(yīng)力也增大，并且沿滾針軸向方向接觸應(yīng)力分布極不均勻。滾針左端均出現(xiàn)應(yīng)力峰值，但當厚度誤差為0.01 mm時，滾針左端出現(xiàn)了較大接觸應(yīng)力峰值，為3 307 MPa，接觸應(yīng)力分布也不均勻，但在材料的允許范圍之內(nèi)。

根據(jù)GB/T 4662—2010《滾動軸承 額定靜載荷》，推力滾針軸承在最大載荷下滾動體和滾道接觸中心處所允許的最大接觸應(yīng)力為4 000 MPa。而在一定載荷下，厚度誤差為0.01 mm時，滾針與墊圈的最大接觸應(yīng)力為3 307 MPa，但滾針不可能為理想的對數(shù)曲線。故綜合考慮取安全系數(shù)為1.2，即為3 969.1 MPa<4 000 MPa。

5 試驗結(jié)果

在推力滾針軸承壽命試驗機上對不同墊圈厚度誤差的軸承進行了加載(15 kN)試驗，結(jié)果見表3。

表3 推力滾針軸承試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

為提高推力滾針軸承的使用性能和壽命，滾針為近似對數(shù)曲線的推力軸承墊圈厚度誤差應(yīng)控制在0.01 mm以內(nèi)，以滿足實際工況。