圆锥滚子轴承内圈小挡边优化设计

李韶凡，欧阳巧琳，范强

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

1 问题的提出

为某主机所供的圆锥滚子轴承安装时出现小挡边崩裂现象，经过检测与分析，并与国内、外厂家同类型轴承进行对比，认为小挡边结构设计还有改进空间。

2 原因分析

圆锥滚子轴承内组件小挡边在工作时不受力，但是安装时安装工具对其内组件的冲击力会使小挡边受力，因此如果小挡边强度不够或设计不合理，再加上小挡边油沟处热处理后产生的拉应力作用，在安装过程中容易发生崩裂。

现对内圈小挡边在轴承内组件安装过程中所受的冲击载荷进行分析。在传统的圆锥滚子轴承设计中，内圈小挡边及其油沟设计如图1所示。在轴承内组件安装时，安装套筒会对套圈端面施加一个冲击载荷，该载荷可近似为一个均布力q0；由于小挡边与滚子接触，此时两者之间会产生一个相互作用力。

小挡边与滚子之间的相互作用力可近似为一个接触长度为l1的均布力q1。假设套圈的质心距内径面距离为R2，滚子与保持架的质心距内径面距离为R1，套圈对轴的摩擦力为f2，滚子对套圈的摩擦力为f1，安装套筒对套圈端面的冲击力为均布载荷q0，其与套圈接触宽度为ld，套圈质量为M，滚子与保持架的总质量为m，敲击后瞬间套圈的瞬时速度为v2，滚子与保持架的瞬时速度为v1，并建立如图1所示坐标系。

图1 挡边受力分析

根据冲量矩定理可得

(1)

(1)式两边对时间求导得

(2)

内圈在x方向上的受力方程为

q0ld-q1xl1-f2-f1x=Ma2，

(3)

式中：q1x为q1在x方向的分量；f1x为f1在x方向的分量。

滚子在x方向上的受力方程为

q1xl1+f1x=ma1x，

(4)

由于小挡边对滚子与保持架施加的力全部由滚子承受，因此计算时可不考虑保持架，将m视为滚子的质量。另外，a1x=a1cosγ，其中γ为滚子中心线与轴承中心线的夹角，又因在非止推圆锥滚子轴承中γ不超过20°，cosγ值接近于1，因此在此处a1x近似等于a1。即

q1xl1+f1x=ma1。

(5)

将(3)式和(5)式代入(2)式可得

(6)

q1l1=q1xl1/cosφ，

(7)

式中：φ为内圈锥角。

在一套轴承中，R1，R2,f2,f1x,ld，φ均为定值，因此由(6)和(7)式可知，在敲击安装瞬间，小挡边与滚子之间的冲击力不随其接触面积的改变而改变，而仅与套筒对套圈的冲击载荷q0有关。

小挡边是否崩裂是由其所受弯矩决定的。小挡边的弯矩为

(8)

式中：l0为小挡边所受反作用力的力矩中心O点距滚子和挡边接触区的距离。

由(6)和(7)式可得，q1l1仅与q0有关；在小挡边处，影响l0的为滚子倒角。相对于接触长度l1，l0值偏小，距离O点较近，其对总弯矩值影响较小，所以在滚子倒角和安装敲击力一定的情况下，圆锥滚子轴承小挡边在安装时所受弯矩仅与l1有关。在同等敲击力作用下，接触面距油沟O处有效距离越大，小挡边所受弯矩也越大，越容易从油沟处断裂。

优化设计后如图2所示，在挡边a与b之间增加挡边c，减小了滚子和小挡边间接触面距油沟的有效距离和油沟尺寸，使得小挡边所受弯矩减小。

图2 优化设计后的小挡边

由此可知，在安装敲击时，优化的轴承小挡边所受弯矩减小近1/3，有效避免了小挡边的崩裂。而且通过CAD作图对比发现，小挡边高度仅降低0.06 mm，其锁量基本没有变化。

3 结束语

实践证明，在热处理工艺不变，安装轴承内组件的敲击力不变的情况下，只需对小挡边几何形状进行改变，就可以有效避免其崩裂现象的发生。