保持架兜孔形狀對高速球軸承動態(tài)摩擦力矩的影響

徐俊，楊雷，李娟，于曉凱,尹延經(jīng)

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.駐中國空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471039)

軸承保持架的幾何特性以及由此引起的不穩(wěn)定性一直是高速精密球軸承設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素之一。通常在設(shè)計(jì)保持架時(shí)，必須考慮內(nèi)外徑的同心度、保持架壁厚、兜孔間的尺寸差、兜孔幾何形狀和兜孔尺寸等參數(shù)。下文主要分析保持架兜孔幾何形狀對高速精密球軸承動態(tài)摩擦力矩的影響。

1 高速球軸承保持架結(jié)構(gòu)

目前高速精密球軸承普遍采用工程塑料實(shí)體保持架，其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。保持架兜孔幾何形狀大多為圓形和方形，加工方法主要是采用車加工。

圖1 實(shí)體保持架兜孔幾何形狀

2 理論分析

在高速精密球軸承中保持架是一個自由體，在外力的引導(dǎo)下產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動，當(dāng)其與套圈作相對運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，如果是同心運(yùn)動，在各個方向上所受的力可能是相等的，即保持架在一個平衡外力作用下仍保持平衡，但實(shí)際上由于球體作用于保持架上的力以及保持架自身質(zhì)量的不均勻性，使保持架所受的外力不可能為一個平衡力，將導(dǎo)致保持架產(chǎn)生偏心運(yùn)動，即常見的渦動。偏心渦動越大，軸承工作時(shí)的內(nèi)在功率損耗越大，即軸承摩擦力矩越大[1]。

在高速精密球軸承中球體和保持架之間發(fā)生彈性接觸，保持架兜孔與球體法向作用力Qcj的計(jì)算式為[2]

(1)

式中：zcj為第j個兜孔中心位置與其對應(yīng)的鋼球中心的位移；Kc為試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的線性逼近常數(shù)，對于球軸承取Kc=11/Cp；Cp為保持架兜孔間隙，Cp=0.5(Dp-Dw)；Dp為保持架兜孔名義直徑；Dw為鋼球直徑;Kn為球與保持架兜孔接觸處的載荷-變形常數(shù)，其值可取為

(2)

k=1.033 9(Rη/Rξ)0.636 0，

(3)

R=RξRη/(Rξ+Rη)，

(4)

(5)

Rη=0.5Dw，

(6)

ε=1.000 3+0.596 8Rξ/Rη，

(7)

Γ=1.527 7+0.602 3ln(Rη/Rξ) 。

(8)

分析以上各式可知，方兜孔與圓兜孔相比，各種參數(shù)存在如下關(guān)系：1)當(dāng)Rξ減小時(shí)，系數(shù)k，R，Γ均減??；2)當(dāng)ε減小時(shí)，Kn，Qcj均減小。

由于保持架是一個能量耗散零件，其運(yùn)動能量全部來自于套圈和球體，當(dāng)高速精密球軸承保持架為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，保持架與套圈不存在“嘯叫”現(xiàn)象[3]，球作用于保持架的力越小，軸承的動態(tài)摩擦力矩越小。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論的正確性，選用7004AC TN3/HV P4軸承進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)軸承采用背靠背安裝(圖2)，引導(dǎo)方式為外圈引導(dǎo)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min，采用保持架含油潤滑方式潤滑。

圖2 高速精密球軸承安裝示意圖

為消除其他因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，假設(shè)預(yù)緊力、兜孔間隙、含油率等參數(shù)均不變，分別對編號為1#和2#的2組電動機(jī)軸承進(jìn)行試驗(yàn)。先將圓兜孔保持架裝入電動機(jī)軸承中進(jìn)行150 h常溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，再將方兜孔保持架裝入同一臺電動機(jī)軸承中，同樣進(jìn)行150 h常溫運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)。試驗(yàn)后1#，2#電動機(jī)軸承基本性能參數(shù)見表1，動態(tài)摩擦力矩曲線如圖3、圖4所示。

表1 不同兜孔時(shí)1#,2#電動機(jī)軸承性能參數(shù)對比

圖3 不同兜孔時(shí)1#電動機(jī)軸承動態(tài)摩擦力矩曲線

圖4 不同兜孔時(shí)2#電動機(jī)軸承動態(tài)摩擦力矩曲線

由表1可知，2種兜孔保持架的軸承聲音均正常，與圓兜孔相比，采用方兜孔保持架時(shí)電動機(jī)軸承動態(tài)摩擦力矩更小。

由圖3、圖4可知，采用方兜孔保持架時(shí)，初始階段軸承摩擦力矩值較大且波動較大，但隨著時(shí)間的推移，軸承摩擦力矩急劇減小，且波動很小。分析認(rèn)為，初始階段軸承動態(tài)摩擦力矩波動較大可能是由保持架機(jī)械加工毛刺、保持架出油率不穩(wěn)定等因素所致，經(jīng)過跑合后，軸承動態(tài)摩擦力矩變小并逐漸保持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

試驗(yàn)后分別對2臺電動機(jī)軸承進(jìn)行分解，對保持架進(jìn)行分析，其形貌如圖5、圖6所示。

圖5 試驗(yàn)后1#電動機(jī)軸承保持架分解圖

圖6 試驗(yàn)后2#電動機(jī)軸承保持架分解圖

由圖5、圖6可知，保持架兜孔均有明顯的摩擦接觸痕跡，在其他條件不變的情況下，更換方兜孔保持架后，保持架兜孔與鋼球的接觸痕跡小而均勻，組件的電流變化更加平穩(wěn)，保持架磨損得以改善。

4 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同工況條件下，與圓兜孔保持架相比，采用方兜孔保持架時(shí)軸承的動態(tài)摩擦力矩較小且穩(wěn)定。文中是在常溫狀態(tài)下進(jìn)行的驗(yàn)證試驗(yàn)，在其他溫度環(huán)境下采用方兜孔保持架軸承的動態(tài)摩擦力矩是否依然較小，還有待進(jìn)一步探討。