圆锥滚子轴承外圈过盈配合量对装配高的影响

孙朝阳，周佶俊，时大方，王凯，刘国仓

(1.浙江天马轴承集团有限公司，浙江 湖州 313219;2.申通南车(上海)轨道交通车辆维修有限公司，上海 201800)

传统轴承过盈配合量与装配高变化量之间关系的数值计算方法[1-4]将壳体、外圈等效转化为规则圆环，未考虑轮毂异形及外圈锥形结构，计算结果与测量结果误差较大，无法满足工程应用。鉴于此，建立包含壳体、轴承实际结构的有限元模型[5～7]，对轴承过盈配合量与装配高变化量的关系进行计算，并与测量结果对比。

1 圆锥滚子轴承外圈过盈配合量与装配高的关系分析

以33118圆锥滚子轴承为例分析，轴承主要结构参数见表1。轮毂材料为QT450-10，套圈、滚子材料为GCr15，材料属性见表2。内圈与轴间隙配合，外圈与轴承座过盈配合，过盈配合量为0.109～0.149 mm。

表1 33118圆锥滚子轴承主要结构参数

表2 材料参数

圆锥滚子轴承外圈压入轮毂前后位置如图1所示(虚线、实线分别代表压入前、后位置)，图中：T0为外圈压入轮毂前装配高，δ0为外圈与轴承座过盈配合量，δr为外圈滚道与滚子等效接触点的径向位移，T1为外圈压入轮毂后装配高。当外圈过盈配合时，外圈的径向移动会导致内圈产生轴向位移δa，从而使装配高发生变化。径向位移δr与轴向位移δa的关系如图2所示，由几何关系可得装配高变化量为

T1-T0=δa=δr/tanα，

(1)

δr=0.5lr

式中：α为接触角；lr为滚道径向变形量。

图1 33118轴承外圈压入轮毂前后位置示意图

图2 33118轴承外圈轴向位移与径向位移的几何关系

2 传统数值计算

滚道径向变形可表示为

(2)

式中：p为外圈与轴承座的配合压力；D2为轴承座直径；D1为外圈等效直径；D为轴承外径；m为泊松常数，1/m为泊松比；E为材料弹性模量。

取5套轴承，其外圈与轴承座过盈配合量分别为0.128，0.133，0.131，0.130，0.127 mm，传统数值计算中过盈量取其平均值0.129 mm。采用传统数值计算模型，(2)式计算模型中忽略轴承座、外圈滚道为锥形的异形结构，将轴承座简化为外径为D2、内径为D的规则圆环，外圈简化为外径为D、内径为D1的规则圆环，D1=90 mm，D=150 mm，D2=180 mm。由文献[1-4]计算可得p=11.108 MPa，代入(2)式可得lr=0.074 mm。根据计算得到的滚道径向变形量以及(1)式，可以得到装配高变化量为0.138 mm。

3 检测结果与分析

测量外圈压入轮毂前、后轴承装配高，见表3，装配高平均变化量为0.203 mm，与传统数值计算误差为32.0%。分析其主要原因为理论计算未考虑轮毂异形及外圈锥形结构，故有必要建立包含轮毂和轴承实际结构的有限元模型进行分析。

表3 33118轴承压入轮毂前、后的装配高

4 有限元计算

基于SOLIDWORKS软件建立轮毂、轴承三维实体模型，以.stp格式将模型导入ABAQUS软件进行分析。网格选择四面体，网格大小为0.1 mm，对轴承外圈大端面施加轴向约束，外圈与轴承座过盈量为0.129 mm，采用static analysis算法。

轴承外圈压入轮毂后的变形云图如图3所示，提取轴承外圈变形云图(图4)，由图可知：由于轮毂为非对称结构，且薄厚不均，导致外圈变形程度也不一样，靠近轮毂外径厚的位置变形大，靠近轮毂外径薄的位置变形小。外圈滚道径向变形如图5所示。

图3 33118轴承外圈压入轮毂后变形云图

图4 33118轴承外圈变形云图

图5 33118轴承外圈滚道径向变形

有限元法计算得到滚道径向变形为0.104 mm，接触角α按滚道发生变形后的实际接触角计算。基于(1)式及有限元分析得到的滚道径向变形量可得装配高变化量为0.197 mm，与测量结果误差为2.9%，满足工程计算需求。

5 结束语

传统数值计算方法将壳体、外圈转化为规则圆环，未考虑轮毂异形以及外圈锥形结构，与实际测量结果误差较大(32%)，无法精确计算过盈配合量与轴承装配高的关系。文中基于有限元法，建立轮毂、外圈的实际结构模型进行计算，与实际测量结果误差为2.9%，能够满足工程应用需求。