圆锥滚子轴承滚子凸度设计

马 芳，李海涛

（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150025）

圆锥滚子轴承滚子凸度设计

马 芳，李海涛

（中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150025）

导圆锥滚子轴承是直升机传动系统中的重要组成元件，直母线圆锥滚子轴承存在“边缘效应”。研究表明，轴承的寿命与应力的7次方成反比。为了降低轴承工作过程中的应力水平，提高轴承寿命，需要准确设计不同工况条件下圆锥滚子的凸度值。本文通过有限元分析与Romax对比计算，得到Romax设计滚子凸度可以在保证计算精度的情况下，显著提高计算效率的结论。

圆锥滚子轴承；有限元分析；对数修形；Romax

1 前言

圆锥滚子轴承是传动系统中的重要组成元件，因其既可以承受轴向负荷又可以承受径向联合负荷而广泛应用于其中。传统的直母线圆锥滚子轴承的滚动体与滚道间的早期接触疲劳常常发生在滚子端部或是滚道上靠近滚子端部的区域，即所谓的“边缘效应”。工程中常用对滚动体母线修形的方法来降低“边缘效应”，并已证明对数曲线修形的效果相对较好。本文使用有限元方法对圆锥滚子母线进行对数修形，并通过机械传动软件Romax与其进行对比分析验证。

2 圆锥滚子轴承有限元对数修形

2.1 对数曲线方程

圆锥滚子对数修形曲线方程为：

式中，K1与接触半长l有关，K1越大，凸度量越小，而且凸度量对K1值十分敏感；K2与接触区域单位长度上的载荷和机械材料性能有关，K2越大，凸度量越大[1]。

当轴承轴向载荷为50000N，径向载荷为3550N时，对数修形曲线参数为K1=0.010738，K2=0.00245。

2.2 有限元模型的建立

由于轴承在工作过程中，滚子与滚道的接触形式会发生变化，即由点接触或线接触变为面接触，但接触区域很小，应力效果主要发生在接触宽度附近，故取距离滚子与轴承内、外圈接触部分处进行大小为4mm的切片[2-3]。在对滚子建模时，将其母线以参数方程的形式生成后，将轴承模型导入有限元分析软件，并设置材料属性、边界条件、接触对、网格划分及载荷大小后即可提交进行计算，有限元分析模型如图 1 所示。

图1 圆锥滚子轴承有限元分析模型

3 计算结果对比分析

图 2 为受载最大圆锥滚子与外圈接触应力云图，图 3 为该滚动体与内、外套圈沿其长度方向（从滚子大端到小端）接触应力分布。从图中可以看出，接触应力效果发生在接触区域附近，滚子与内圈接触应力水平高于滚子与外圈，且滚子中部应力值略高于滚子端部应力值，应力分布较均匀；接触应力最大值出现在滚子中部靠近小端处。

图2 滚子接触应力云图

图3 滚子接触应力分布

图 4、图 5 是通过机械传动软件Romax计算得到的滚子与轴承内圈、外圈接触应力分布。可以看出其应力分布情况与有限元计算结果一致，即内圈接触应力水平高于外圈。同时还可以看出，一部分滚动体最大接触应力出现在滚子中部靠近小端处，一部分则出现在滚子中部靠近大端处，这说明不同滚动体上的应力分布情况也是不同的，且应力集中程度也不尽相同。

表 1 为Herz理论计算值[4-5]、有限元分析值及Romax计算值三种方法对比表，从表中可以看出Romax计算值更接近理论值，且与有限元计算误差不超过3%，说明通过机械传动软件Romax对圆锥滚子轴承进行凸度设计方法可行，且计算效率较高。

图4 滚子与内圈接触应力分布

图5 滚子与外圈接触应力分布

表1 Herz理论计算值、有限元分析值及Romax计算值三种方法对比表

4 结束语

（1）对数修形滚子与内圈接触应力高于滚子与外圈应力值，中部应力值略高于端部，有效降低“边缘效应”，有利于避免轴承的早期接触疲劳。

（2）圆锥滚子轴承对数曲线修形设计可有效降低轴承整体应力水平，应力分布较均匀，提高了轴承的承载能力。

（3）不同滚动体最大接触应力出现部位不同，说明载荷分布会对滚子的应力集中程度产生影响。

[1] 魏延刚.圆柱滚子轴承滚动体修形技术的研究[J].润滑与密封. 2003,4(2).

[2] H.Reusner. The logarithmic Roller profile—The Key to Superior Performance of Cylindrical and Taper Roller Bearings. Ball Bearing Journal, Vol. 230, 2-10, 1987.

[3] 马文博.基于接触分析的凸度滚子轴承力学特性研究与结构优化[D].南京航空航天大学,2009.

[4] 罗继伟,张俊杰.圆锥滚子接触应力数值求解[J].轴承.2004(9): 1-3.

[5] 徐秉业,黄炎,刘信声.弹塑性力学及其应用[M].北京:机械工业出版社,1984.

（编辑：林小江）

图2 钢球混装示意图

3 解决方案

根据轴承的实际工况，轴承在工作中高载荷、低转速的特点，采取取消轴承的保持架并增添钢球个数的方案，将轴承改为满球推力角接触球轴承，如图3。此项设计更改可以在保证轴承的转速的前提下，有效地提高轴承的载荷能力。在设计过程中，增添钢球个数的同时，适当考虑增加钢球间距。这样的设计，可以使颗粒在进入轴承中后，由于风压的作用，从另一侧较容易地通过轴承，不影响轴承的工作状态；同时，适当减小轴圈和座圈的沟曲率，增大轴承在工作中的钢球与套圈的接触面积，达到增大载荷的目的，延长轴承的使用寿命。

另外，为了使客户安装方便，将座圈原有的锁点取消，使得套圈沟道与挡边相切。这样，客户在安装过程中可以减少加热拆套的过程，当使用简单的工装装置把钢球固定在轴圈滚道上时，只需要把轴承座圈垂直放下，即可把轴承合套，并且在合套时，不会因为锁点等原因，对钢球产生不必要的划伤。并且，通过与客户的现场交流，对现场安装工人进行了简单的轴承理论讲解，告知钢球规格尺寸统一的必要性，并建议安装工人在拆套安装时，应注意钢球与套圈必须编号对应，不能发生错装或混装现象。

图3 无保持架推力角接触球轴承结构

4 结束语

更改设计后的推力角接触球轴承，客户在使用后给予了很高的评价，不仅在安装过程中方便了许多，轴承的使用寿命也得到了很大的提高。有效地减少了客户的运用成本，因寿命提高，给客户带来了很高的名誉，提高了客户的知名度。

同时，轴承的有效更改减少了加工成本，提高了在同行业中的竞争力，为进入同类产品的市场打下了良好的基础，更为我公司固定了一个长期、稳定的合作伙伴。

（编辑：钟 媛）

Design on roller crown of tapered roller bearings

Ma Fang, Li Haitao
( Bearing R＆D Center, AVIC Harbin Bearing Co., Ltd., Harbin 150025,China )

Tapered roller bearing is an important element of helicopter transmission system. The straight generatrix tapered roller bearings have "edge effect". A large number of research shows that the bearing life is in inverse proportion to the 7 power of stress. In order to reduce the load stress, and prolong the service life of bearings, accurate design on tapered roller crown under different working conditions will be needed. Compared with Finite element calculation, Romax designer can save the calculation time in roller crown design under the same accuracy..

tapered roller bearings; fi nite element analysis; logarithmic modif i cation; Romax

TH133.33+2

A

1672-4852（2014）02-0002-03

2013-12-04.

马 芳（1980 -），男，工程师，总设计师.