圆柱滚子轴承内圈越程槽对挡边变形的影响

公平，张静静，于庆杰，郑艳华

（中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150000）

圆柱滚子轴承常用于航空发动机、直升机等传动系统，主要承受径向载荷。当轴承承受较大轴向载荷时，一方面内圈挡边与滚子端面间隙减小，可能造成滚子卡滞和磨损；另一方面会导致滚道受力不均和滚道变形，产生局部应力集中。鉴于此，分析了圆柱滚子轴承在承受轴向载荷时，越程槽尺寸对挡边变形的影响，以及安装在传动系统后轴向载荷对内圈滚道变形的影响。

1 越程槽的设计

圆柱滚子轴承内圈越程槽主要用于车、磨加工中的清根，方便切削液带走磨屑，储存润滑油，减小应力集中。为避免越程槽尖点划伤滚子端面，越程槽挡边斜坡最大点设计位置应考虑滚子倒角最小值，越程槽滚道及挡边处两斜坡应与圆角相切，其半径R由工艺确定。根据GB／T 6403.5—1986《砂轮越程槽的形式与尺寸》，越程槽设计如图1所示，S1，S2，S3，S4为越程槽设计的4个尺寸。

图1 越程槽设计Fig.1 Design of grinding undercut

2 轴向预载荷的计算

圆柱滚子轴承安装示意图如图2所示，一端面与双内圈角接触球轴承内圈端面接触，另一端面对拧紧螺母施加力矩，通过弹簧锁片进行定位，在施加力矩的同时会对滚子轴承内圈产生轴向安装预载荷F（也称拧紧力），轴承安装过程中所承受的拧紧力矩为372 N·m，根据机械设计手册可知轴向预载荷为

图2 圆柱滚子轴承安装示意图Fig.2 Installation diagram of cylindrical roller bearing

式中：D为螺纹大径；k为扭矩系数。

考虑润滑油的作用，k取0.12，D为45 mm，由（1）式可得F约为70 kN。

2种设计方法的圆柱滚子轴承内圈的主要参数见表1，越程槽尺寸S1和S4相差较大。

表1 内圈主要参数Tab.1 Main parameters of inner ring

3 越程槽尺寸对挡边变形的影响

为分析在相同轴向载荷作用下，越程槽4个设计尺寸对轴向挡边变形的影响，以表1中设计2为例，建立内圈有限元模型，固定内圈一侧端面，另一端面承受70 kN的轴向载荷，通过使用ANSYS计算分析得出，挡边在承受轴向力作用下，受力侧挡边向外扩展，挡边沿滚道轴向方向发生变形，其应力和应变分别如图3、图4所示（为计算方便，有限元中仅建立1／4模型进行计算）。挡边变形是指内圈端面在承受轴向载荷作用下，挡边间隙由挡边间隙1变为挡边间隙2过程中变化的间隙量，如图5所示的截面图，通过计算，设计2的挡边变形量为35μm。

图3 应力云图Fig.3 Stress nephogram

图4 变形云图Fig.4 Deformation nephogram

图5 挡边变形截面示意图Fig.5 Cross section diagram of rib deformation

假设越程槽其他3个尺寸不变，分析其中一个越程槽第4个尺寸对挡边变形的影响，越程槽尺寸对挡边变形的影响如图6所示。可以看出，圆柱滚子轴承承受较大轴向载荷时，随越程槽各尺寸增大，滚道挡边变形增大，其中S1，S4对挡边变形的影响较大，故设计1承受大的轴向载荷后抗变形能力优于设计2。

图6 越程槽尺寸对挡边变形的影响Fig.6 Influence of size of grinding undercut on rib deformationon

4 计算分析与试验验证

4.1 计算分析

通过简单模型计算得到越程槽4个尺寸对挡边变形计算的影响较为明显，但轴承安装在传动系统中，要考虑零件之间的摩擦、力的传递和轴系设计等，基于ANSYS建立1／2系统模型如图7所示。其中轴向力加载在螺母螺牙中，螺母与杯形锁片之间、球轴承与轴之间为固定连接，锁片与内圈、内圈与球轴承端面和空心轴配合部分均存在摩擦，摩擦因数为0.12。球轴承与空心轴之间的最大过盈配合为0.033 mm，内圈承受70 kN轴向载荷时，系统整体变形如图8所示，内圈变形如图9所示。由图8、图9可以看出，由于轴的两侧存在卡入锁片缺口，导致轴与内圈的过盈配合不均，内圈滚道出现8字扭曲变形。

图7 有限元模型Fig.7 Finite element model

图8 整体变形Fig.8 Overall deformation

图9 内圈变形Fig.9 Deformation of inner ring

4.2 试验验证

采用图3的实体轴，通过螺母对内圈端面加载预紧力。拆套后采用OGP计量检测方法得到：滚道圆柱度为7.9μm，滚道锥角为0.02°，滚道出现了8字扭曲变形，与有限元分析结果趋势一致。

5 挡边变形计算

根据2种越程槽设计，在上节所述的系统模型下，计算轴开槽和未开槽处的内圈挡边变形，在柱坐标系下，x为径向，z为轴向，y为周向，考虑轴上有两处180°分布的槽，整个滚道变形如图10所示，在无槽一侧内圈截面选取点1，2，3，4，在有槽一侧选取点5，6，7，8。无槽侧在 z向选取点1，2处的变形，有槽侧在z向选取点5，6处的变形，得出不同位置的挡边变形，2种设计的计算结果见表2。

图10 内圈滚道变形Fig.10 Deformation of inner raceway

表2 挡边变形Tab.2 Rib deformation

从表2可以看出，在相同轴向载荷下，设计1在有槽侧和无槽侧内圈的滚道挡边变形均小于设计2，挡边变形相差1.5μm左右。为验证计算结果，选取6批设计2的轴承和1批设计1的轴承进行试验验证，其设计2的轴承挡边变形如图11所示，设计1的轴承挡边变形为15.6μm。挡边变形平均相差3μm，与分析结果存在偏差，但偏差在允许范围之内。

图11 挡边变形Fig.11 Rib deformation

由此可知，虽然越程槽S1和S4在一定程度上会影响挡边变形，S1，S4越大，挡边变形越大，但挡边变形量在系统模型分析中相差不明显。

圆柱滚子轴承承受预载荷时，越程槽尺寸对内圈挡边变形有影响，应适当降低S1和S4以减小挡边变形。

6 结束语

分析圆柱滚子轴承内圈在拧紧力矩作用下4个越程槽尺寸对挡边变形的影响。通过建立系统传动模型，分析不同结构越程槽设计对挡边变形的影响，并开展了相关试验，为圆柱滚子轴承越程槽的设计和轴承安装提供了参考。