角接触球轴承静态刚度试验

陈苏华，胡小秋，王连宝

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



角接触球轴承静态刚度试验

陈苏华，胡小秋，王连宝

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

摘要：角接触球轴承在径向、轴向以及力矩方向联合载荷作用下，内外圈将产生径向、轴向相对位移及相对倾角。 这种弹性相对位移量的大小关系到轴承的使用性能。为了得到角接触球轴承静刚度，提出了角接触球轴承静刚度的测试方法。设计了测量装置，获取施加不同载荷作用下角接触球轴承的静刚度。分析结果表明:随着轴向载荷或径向载荷的增大，轴向变形或径向变形基本上呈现线性增长，轴向刚度和径向刚度呈现非线性增长；随着轴承尺寸的增大，轴承的静态刚度也增大。

关键词：角接触球轴承；静态刚度；变形

角接触球轴承作为高档数控机床常用的支承部件，其静态特性是系统的薄弱环节，直接影响着机床整体的力学性能[1]，因此研究角接触球轴承的静态刚度具有重要意义。

对于角接触球轴承的静态刚度，国内外学者已做了大量研究，主要集中在2个方面：1) 利用Hertz接触理论，分析与计算滚珠与内外滚道之间的接触变形引起的轴承各个方向的静态刚度[3，4]；2) 采用有限元分析方法，在轴承滚动结合面处建立接触对[2]。而对轴承的静态刚度试验研究，以往的研究皆较少。用试验方法研究不同的载荷条件，对角接触球轴承静态刚度的影响具有重要的价值和意义。

1试验条件

1.1试验模型

角接触球轴承静态刚度的影响因素主要有：载荷的大小、轴承的尺寸及安装方式等，其中载荷与尺寸为可量化影响因素；安装方式为不可量化影响因素。在实际应用中，角接触球轴承普遍成对使用，本装置采用一对轴承“背靠背”安装(图1)。

图1　轴承的静态刚度等效模型

当施加轴向载荷Fa、径向载荷Fr时，轴承的轴向和径向都会产生相应的位移变形δa、δb，则有：

(1)

(2)

1.2试验装置

角接触球轴承静态变形的测试工作是在自主设计研发的试验装置上进行的，试验装置构成如图2所示。该装置具有通用性的特点，可在该装置上测试多组轴承，并且测量准确性较高。

1—轴向加载机构；2—轴承组件；3—径向测试仪；4—径向加载机构；5—力传感器；6—轴向测试仪；7—计算机；8—力显示表；9—CCS型控制器；10—电源图2　轴承静态刚度测试试验装置

测试轴承变形的试验过程中，采用加载机构进行轴向、径向加载，载荷值由力显示表读出，传感器分辨率为1N。操作软件读取测试仪测量的轴承轴向、径向变形值，传感器分辨率为0.01μm，满足测试需要。

1.3测量原理

图3为测量原理图，初始值为L0，即测试仪与被测点间距为L0，第1次施加F1的力后测得的间距为L1，第2次继续施加F2的力后测得测试仪与被测点间距为L2，第3次施载F3的力后测得的间距为L3…等，以此类推，则可依次得出每次加载后的轴承的变形量，则有：

图3　测量原理图

(3)

δ2=L2-L0

(4)

δ3=L3-L0

(5)

则相应的静态刚度值为K1，K2，K3…

(6)

(7)

(8)

2试验结果及分析

2.1轴承尺寸及轴向载荷对轴向变形及轴向刚度的影响

图4、图5为对机床中常用的NSK公司生产的3种接触角类型的轴承(30TAC 62A， 40TAC 72A， 50TAC 100A)进行测试获得的轴承在0≤Fa≤2000N条件下的轴向变形及轴向刚度变化曲线。可以看出随着轴向载荷Fa的增大，轴承的轴向变形δa基本上呈线性增长；轴承的刚度KA0呈非线性增长；轴承的尺寸越大轴向变形越不明显，相应的轴向刚度就越大。

图4　轴向载荷与轴承轴向变形的关系

图5　轴向载荷与轴承轴向刚度的关系

2.2轴承尺寸及径向载荷对径向变形及径向刚度的影响

图6、图7为在Fa=5000N、0≤Fr≤4500N条件下的径向变形及径向刚度变化曲线。可以看出当轴向载荷Fa一定时，随着径向载荷Fr的增大，轴承的径向变形δr基本上呈线性增长；轴承的刚度KR0呈非线性增长；轴承的尺寸越大径向变形越不明显，相应的径向刚度就越大。

图6　径向载荷与轴承径向变形的关系

图7　径向载荷与径向刚度的关系

2.3轴向载荷对径向变形的影响

图8为只将轴承50TAC 100A作研究对象，考虑径向载荷Fr分别为1000N 和3000N 两种情况下，不同轴向载荷作用，轴承的径向变形。可以看出：随着轴向载荷增加，轴承的径向变形减小；当径向载荷较小时，轴承的径向变形量较小。

图8　轴向载荷与径向变形的关系

2.4径向载荷对轴向变形的影响

图9为只将轴承50TAC 100A作研究对象，考虑轴向载荷Fa分别为2000N和7000N 两种情况下，不同径向载荷作用，轴承的轴向变形。可以看出：随着径向载荷增加，轴承的轴向位移减小；当轴向载荷较大时，轴承的轴向变形量较小。

图9　径向载荷与轴向变形的关系

3结语

1) 随着Fa的增大，轴承的轴向变形基本上呈现线性增长的特点；轴向刚度KA0呈现非线性增长的特点；轴承的尺寸越大轴向变形越不明显，相应的轴向刚度就越大。

2) 当Fa一定时，随着Fr的增大，轴承的径向变形基本上呈现线性增长的特点；径向刚度KR0呈现非线性增长的特点；轴承的尺寸越大径向变形越不明显，相应的径向刚度就越大。

3)Fr分别为1000N 和3000N 两种情况下，随着Fa的增大，轴承的径向变形减小；当径向负荷较小时，轴承的径向变形量较小。

4)Fa分别为2000N和7000N 两种情况下，随着Fr的增大，轴承的轴向位移减小；当轴向载荷较大时，轴承的轴向变形量较小。

参考文献:

[1] 刘强，李冬茹. 国产数控机床及其关键技术发展现状及展望[J]. 航空制造技术，2010，(10):26-30.

[2] 唐云冰. 航空发动机高速滚动轴承力学特性研究[D]. 南京：南京航空航天大学，2005.

[3] 刘艳华，李志远，张朝煌. 高速角接触球轴承静态刚度的分析与计算[J]. 轴承，2005，(8)：1-3.

[4] 陈署泉，肖曙红，杨士铁. 角接触球轴承的静态接触分析[J]. 轴承，2009，(11)：4-7,11.

Static Stiffness Experiment of Angular Contact Ball Bearing

CHEN Su-hua, HU Xiao-qiu, WANG Lian-bao

(School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

Abstract:Inside and outside circles of angular contact ball bearings can produce radial, axial relative displacement and relative angle under the combined action of the radial and axial load and moment. The elastic relative displacement is related to its use propeilies. In order to get its static stiffness, this paper puts forward its static stiffness test methods and designs a measuring device to got the angular contact ball bearing stiffness under the different loads which is applied to the bearing.Experimental and analytic results show that with the axial or the radial load increasing, the axial or the radial deformation increases linearly in general, and the axial or the radial stiffness increases nonlinearly. With the bearing size increasing, its static stiffness increases.

Keywords:angular contact ball bearing; static stiffness；deformation

收稿日期：2014-12-17

中图分类号：TH133.3

文献标志码：A

文章编号：1671-5276(2015)03-0027-03

作者简介：陈苏华(1989-)，男，江苏南通人，硕士研究生，主要从事机械设计。