圆锥滚子轴承动态特性分析

2015-11-09王萌李海涛

机械工程师 2015年3期

王萌，李海涛

（1.黑龙江东方学院机电工程学部，哈尔滨150086；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司研发中心，哈尔滨150025）

0 引言

圆锥滚子轴承以其承载能力大、刚性好，可同时承受轴向和径向载荷等优点而被广泛应用于汽车、机床、铁路、冶金、矿山等各种机械设备中。由于圆锥滚子轴承结构特点及载荷条件相对复杂，其动力学设计及理论求解比较困难，并且进行实验研究的成本高、周期长。本文采用ADAMS软件对其进行动力学仿真，在保证计算精度的同时，提高了计算效率。

1 圆锥滚子轴承中的载荷分布

圆锥滚子轴承中的滚动体同时承受径向载荷和轴向载荷，轴承的内圈与外圈轴线保持平行，在径向产生的相对位移为δr，在轴向产生的相对位移为δa。以承受载荷最大的滚动体作为初始位置，在任意角度位置ψ处，轴承套圈的移动量为

当ψ=0°时位移达到最大，即

合并式（1）和式（2），得

式中，ε为负荷分布范围系数，ε=（1+δatanα/δr）/2。

式（3）是将任一滚动体位置ψ处的变形量转化为最大变形量δmax及ψ的函数。引用负荷分布参数ε可以分析δatanα及δr之间的关系，而不需要直接计算其值。当径向负荷 Fr、轴向负荷 Fa及接触角 α 确定以后，δa、δr也随之确定，负荷分布范围系数ε即为定值。图1为ε取不同值时滚动轴承的负荷分布范围［1］。

图1 取不同值时滚动轴承的负荷分布范围

2 仿真模型的建立

利用Pro/E与ADAMS的专用接口软件Mechanism/Pro进行转换。二者采用无缝连接，根据构件的运动关系，可以直接在Pro/E应用环境中将装配模型定义为机械系统模型，从而对其进行运动学和动力学仿真分析。

根据圆锥滚子轴承实际工作情况，对轴承内圈定义转速，外圈固定。由于圆锥滚子轴承在工作中通常承受轴向和径向的联合负荷，所以在内圈分别施加轴向载荷及径向载荷。假设轴承运转过程中内圈不发生倾斜，将内圈与外圈施加平行轴约束。

由于轴承是由内圈、外圈、保持架及滚动体组成的，属于多体接触，在仿真过程中需对每个接触对施加接触约束，接触对总个数达51个，单个施加过程十分繁琐，容易发生错误且不便于修改，因此，编写轴承接触约束程序，利用ADAMS自带的宏命令实现接触力的自动添加。在接触参数当中，通常使用补偿法（Restitution）或冲击函数法（Impact）来定义碰撞力。相比较而言，补偿法对参数进行准确的设置十分困难，因而本文在保证计算精度的前提下，采用冲击函数法来定义碰撞力，冲击函数法中用来计算碰撞力的函数是impact函数。碰撞力主要是由两构件之间的相互切入而产生的弹性力和由两构件间的相对速度产生的阻尼力这两部分构成［2-3］。圆锥滚子轴承各零件之间的约束关系见表1。

表1 圆锥滚子轴承各零件之间的约束关系

3 仿真分析结果

在实际应用中，当圆锥滚子轴承小于半圈滚子受载时对其性能及寿命来说很不利，应该尽量避免。故定义轴承轴向载荷为16 800 N，径向载荷为64 512 N，设置轴承内圈转速n=1 580 r/min，仿真时间为1.5 s，仿真步长定义为5 000步。承受联合负荷的圆锥滚子轴承滚子受载情况如图2所示。此时径向载荷与轴向载荷之比约为3.85，计算得ε=0.85，在0.5<ε<1的范围内，为大于半圈受载的情况。图中箭头表示滚子所受接触载荷的方向及大小，可以看出在该载荷工况条件下，并非所有滚子都受载，约有11个滚子同时承受载荷，与理论计算结果一致，并且在承载区内不同滚子所受的载荷大小是不同的。

图2 承受联合负荷的圆锥滚子轴承滚子受载情况

图3 是标记滚子与外圈接触载荷随时间变化曲线。从图中可以看出，滚子运转到不同位置所受的载荷大小不同，当滚子处于与径向载荷方向相同位置时，滚子所受载荷达到最大，最大接触载荷为15 148 N，理论计算值为14 967 N，两者相对误差不超过2%；当滚子处于与径向载荷方向相反位置附近时，滚子与套圈之间的接触载荷为0，即滚子不受载。