萬宇

（安徽華之杰機(jī)械有限公司，安徽 宣城 242000）

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對(duì)家用電器的靜音性能提出了更高的要求，其中滾動(dòng)軸承在工作過程中的振動(dòng)與噪聲，極大地影響著家電產(chǎn)品的靜音性能。滾動(dòng)軸承一般由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架4 部分組成，而保持架的運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定是引起軸承振動(dòng)和噪聲的重要原因［1］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)保持架的研究，主要是理論分析和試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面。理論分析方面，建立了保持架的擬靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，通過仿真分析得到了引導(dǎo)間隙、兜孔間隙等設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)保持架動(dòng)態(tài)性能的影響，為保持架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)［2］。保持架的試驗(yàn)研究，主要是利用試驗(yàn)手段，對(duì)保持架的受力、失效形式等進(jìn)行研究，從而為保持架的形狀、尺寸優(yōu)化和模型分析提供了有效參考［3］。上述研究主要是在保持架結(jié)構(gòu)形式固定的情況下，通過理論分析和試驗(yàn)研究得到保持架的結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)保持架動(dòng)態(tài)性能的影響，從而進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高軸承的動(dòng)態(tài)性能。然而，通過改進(jìn)保持架的結(jié)構(gòu)形式從而實(shí)現(xiàn)減振降噪的研究卻不多見，也沒有形成成熟的設(shè)計(jì)理論。文獻(xiàn)［4］提出了一種新型軸承保持架結(jié)構(gòu)，通過減少滾動(dòng)體與保持架的接觸面，從而有效減少了滾動(dòng)體與保持架的摩擦，改善了滾動(dòng)體的潤(rùn)滑條件，降低了軸承的振動(dòng)與噪聲。此外，單向游隙浪形保持架、雙K 值浪形保持架和帶油槽浪形保持架等新型保持架，均通過改進(jìn)保持架的結(jié)構(gòu)，在提升滾動(dòng)軸承的靜音性能方面取得了良好的效果。可見，通過對(duì)保持架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新從而達(dá)到減振降噪的目的是一個(gè)有潛力的研究方向［5］。因此，針對(duì)高檔家用電器中廣泛使用的深溝球軸承浪形保持架存在的靜音性能不佳、與國(guó)外技術(shù)存在差距、產(chǎn)品嚴(yán)重依賴進(jìn)口的問題，以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新作為減振降噪的突破口，設(shè)計(jì)具有新型結(jié)構(gòu)的浪形保持架具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 雙曲率兜孔靜音保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

降低保持架噪聲的傳統(tǒng)方法有兩種，一是合理選擇保持架的兜孔間隙、引導(dǎo)間隙以及兜孔間隙與引導(dǎo)間隙的比值等參數(shù)；二是提高滾動(dòng)體、保持架的表面質(zhì)量，選用新材料以及在使用過程中保持良好的潤(rùn)滑等。然而，參數(shù)的優(yōu)化可以通過更合理的模型來實(shí)現(xiàn)，表面質(zhì)量的提高和新材料取決于技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于如何保持良好的潤(rùn)滑卻較少論及。而良好的潤(rùn)滑對(duì)降低保持架的振動(dòng)噪聲、碰撞噪聲和摩擦噪聲都是有利的［6］。因此，在分析對(duì)比不同結(jié)構(gòu)保持架的減振降噪效果后，為了改善滾動(dòng)體和保持架的潤(rùn)滑，本文重點(diǎn)從改進(jìn)保持架兜孔形狀入手，設(shè)計(jì)一種具有雙曲率兜孔結(jié)構(gòu)的浪形保持架，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該雙曲率異形兜孔保持架，由兜孔1 和平面5 依次相連構(gòu)成。兜孔1中間為小球帶3和大球帶2，大球帶2 的內(nèi)、外兩側(cè)分別為直線帶4，兩兜孔1 與平面5之間分別由過渡倒角6 構(gòu)成保持架的連接。平面上設(shè)有鉚孔7，利用鉚釘將上、下2 只具有雙曲率異形兜孔結(jié)構(gòu)的保持架及兜孔內(nèi)的滾動(dòng)體連接在一起。

圖1 雙曲率兜孔浪形保持架

2 雙曲率兜孔靜音保持架動(dòng)力學(xué)分析

在軸承工作過程中，雙曲率兜孔靜音軸承保持架的受力主要可以分為兩部分，保持架與套圈之間的作用力和保持架與滾動(dòng)體之間的作用力。而保持架與套圈之間的作用力由套圈引導(dǎo)擋邊對(duì)保持架的作用力和套圈非引導(dǎo)擋邊對(duì)保持架的作用力兩部分構(gòu)成。套圈引導(dǎo)擋邊對(duì)保持架的作用力是因?yàn)樵谶\(yùn)動(dòng)過程中保持架的質(zhì)心偏心造成保持架與引導(dǎo)擋邊的不斷接觸而產(chǎn)生的，是一種類似流體力的動(dòng)壓力，可以采用短滑動(dòng)軸承的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算和分析。套圈非引導(dǎo)擋邊對(duì)保持架的作用力形式為一種流體阻力，其計(jì)算可以利用流體力學(xué)結(jié)果［7］。

保持架和滾動(dòng)體之間的作用力比較復(fù)雜。由于滾動(dòng)體的尺寸偏差、滾動(dòng)體和溝道表面的形狀誤差、打滑以及徑向載荷等因素的存在，使得每一個(gè)滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度不同。而保持架以各個(gè)滾動(dòng)體公轉(zhuǎn)角速度的平均值進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣各個(gè)滾動(dòng)體與保持架之間就產(chǎn)生了速度差異。當(dāng)保持架的公轉(zhuǎn)角速度ωb大于滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)角速度ωg，滾動(dòng)體與保持架發(fā)生碰撞，滾動(dòng)體阻礙保持架向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)保持架的公轉(zhuǎn)角速度ωb小于滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)角速度ωg，滾動(dòng)體與保持架發(fā)生碰撞，滾動(dòng)體推動(dòng)保持架向前運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了不同的模型來進(jìn)行分析［8-9］，這些模型均認(rèn)為滾動(dòng)體和保持架之間是一種半自由的接觸狀態(tài)，存在著持續(xù)時(shí)間很短的頻繁碰撞，其中文獻(xiàn)［10］提出的碰撞模型與實(shí)際情況更為貼近。該模型認(rèn)為滾動(dòng)體與保持架的相互作用力由三部分組成，分別是滾動(dòng)體與保持架的兜孔在接觸后引起的變形作用力、滾動(dòng)體與保持架的兜孔之間的流體摩擦產(chǎn)生的作用力以及保持架與軸承的公轉(zhuǎn)角速度不一致所產(chǎn)生的碰撞作用力。其中，前兩者是穩(wěn)態(tài)作用力。根據(jù)滾動(dòng)體與保持架之間的摩擦因數(shù)和接觸后引起的變形作用力，就可以計(jì)算得到滾動(dòng)體和保持架之間的摩擦力。而保持架與軸承的公轉(zhuǎn)角速度不一致所產(chǎn)生的碰撞作用力是一種瞬態(tài)力，其作用力模型如圖2 所示，它由二者之間的彈性力和阻尼力組成。

圖2 滾動(dòng)體與保持架瞬態(tài)作用力模型

3 雙曲率兜孔靜音保持架減振降噪機(jī)理

3.1 保持架噪聲的產(chǎn)生機(jī)理分析

由上述動(dòng)力學(xué)分析可知，保持架噪聲按其產(chǎn)生機(jī)理可以分為三個(gè)方面：保持架的振動(dòng)噪聲、保持架與滾動(dòng)體的碰撞噪聲、保持架與滾動(dòng)體的摩擦噪聲［6］。

在軸承運(yùn)動(dòng)過程中，由于與滾動(dòng)體的頻繁碰撞、與引導(dǎo)擋邊的不斷接觸，使保持架在引導(dǎo)擋邊和滾動(dòng)體的共同作用下做隨機(jī)振動(dòng)。周圍空氣在保持架隨機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)并向四周傳播，形成了保持架的振動(dòng)噪聲。

滾動(dòng)體與保持架發(fā)生頻繁碰撞時(shí)，兩者在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生彈性變形，頻繁的彈性變形就表現(xiàn)為振動(dòng)能，振動(dòng)能量中的一部分以聲波形式向周圍空間輻射，形成碰撞噪聲。

滾動(dòng)體與保持架形成摩擦副，在摩擦副附近，兩者的接觸表面形成局部切向彈性變形，從而產(chǎn)生張弛振動(dòng)，這種張弛振動(dòng)激發(fā)出摩擦噪聲。而張弛振動(dòng)的頻率隨著接觸表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度增加而增加，所產(chǎn)生的摩擦噪聲也隨之變大。因此，對(duì)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的滾動(dòng)軸承而言，其摩擦噪聲更大。

3.2 雙曲率兜孔靜音保持架減振降噪機(jī)理分析

與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)保持架相比，雙曲率兜孔靜音保持架是通過如下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)減振降噪的。

1）傳統(tǒng)的保持架兜孔形狀一般都是球形或橢球形的，滾動(dòng)體與兜孔的全球面接觸；新型保持架的雙曲率兜孔結(jié)構(gòu)使得滾動(dòng)體在兜孔內(nèi)只與大球帶的內(nèi)外兩直線帶接觸，減小了滾動(dòng)體與保持架的接觸面，明顯地降低了滾動(dòng)體和保持架之間的摩擦。

2）與傳統(tǒng)兜孔結(jié)構(gòu)相比，雙曲率兜孔中的小球帶可以儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，從而使得滾動(dòng)體在運(yùn)動(dòng)過程中獲得充足的潤(rùn)滑，避免了因制造誤差造成的滾動(dòng)體劃傷。

3）由于滾動(dòng)體獲得了充足的潤(rùn)滑，滾動(dòng)體和保持架在發(fā)生碰撞時(shí)，保持架會(huì)受到潤(rùn)滑油的阻尼作用。與直接碰撞相比，由于碰撞的沖量一定，從而碰撞的作用時(shí)間變長(zhǎng)，作用力變小，滾動(dòng)體和保持架的局部變形所激勵(lì)的振動(dòng)頻帶變窄，激發(fā)的振動(dòng)方式減少，大部分碰撞能轉(zhuǎn)化為潤(rùn)滑油的內(nèi)部摩擦，以熱能形式耗散，因此，碰撞噪聲明顯降低。

4）良好的潤(rùn)滑可以減小甚至消除滾動(dòng)體和兜孔之間的干摩擦和邊界摩擦，使其處于流體潤(rùn)滑狀態(tài)，而干摩擦和邊界摩擦是產(chǎn)生噪聲的主要原因，因此可以有效減小摩擦噪聲。

5）由于潤(rùn)滑條件的改善，克服了傳統(tǒng)保持架不能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的技術(shù)難題，并且有效延長(zhǎng)了軸承的使用壽命。

由上述分析可知，新型兜孔結(jié)構(gòu)可以有效降低保持架與滾動(dòng)體的碰撞噪聲和摩擦噪聲，而良好的潤(rùn)滑對(duì)減小振動(dòng)噪聲也是有利的，因此，雙曲率異形兜孔保持架能夠有效解決滾動(dòng)軸承高速運(yùn)行時(shí)的高噪聲問題。

4 雙曲率兜孔靜音保持架測(cè)試

軸承產(chǎn)品的噪聲通常可以通過測(cè)量運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度進(jìn)行間接測(cè)試，為此，將采用雙曲率兜孔保持架和采用傳統(tǒng)保持架的2 組相同規(guī)格（6201）深溝球軸承，每組10 個(gè)，在其他工作參數(shù)相同的情況下，選用S0910-Ⅲ微小型軸承振動(dòng)測(cè)量?jī)x和BVT-1 軸承振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x對(duì)振動(dòng)加速度和振動(dòng)速度分別進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得其振動(dòng)數(shù)據(jù)如表1 所示。其中軸承的振動(dòng)加速度用振動(dòng)加速度級(jí)來表示，振動(dòng)加速度級(jí)為某一頻帶范圍內(nèi)的振動(dòng)加速度均方根值與參考加速度值之比的常用對(duì)數(shù)，再乘以20 所得之?dāng)?shù)值。

由表1 和表2 可知，雙曲率異形兜孔保持架無論振動(dòng)加速度還是振動(dòng)速度都明顯小于傳統(tǒng)保持架，雙曲率異形兜孔保持架的噪聲明顯低于傳統(tǒng)保持架，達(dá)到了靜音軸承的使用標(biāo)準(zhǔn)。而且，其高頻的振動(dòng)速度是傳統(tǒng)保持架的1/3 到1/4 之間，因此，可以有效解決高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生高噪聲的技術(shù)難題。

表1 兩種保持架的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)dB

表2 兩種保持架的振動(dòng)速度數(shù)據(jù) μm·s-1

5 結(jié)語

本文在總結(jié)對(duì)比國(guó)內(nèi)外對(duì)保持架設(shè)計(jì)的研究方法的基礎(chǔ)上，以改善滾動(dòng)體和保持架的潤(rùn)滑為目的，以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為突破口，設(shè)計(jì)了一種具有雙曲率兜孔結(jié)構(gòu)的浪形保持架，然后進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)和減振降噪機(jī)理分析。最后通過測(cè)試證明了該兜孔結(jié)構(gòu)在降低保持架的噪聲方面的有效性。所設(shè)計(jì)的雙曲率兜孔浪形保持架達(dá)到了靜音軸承的標(biāo)準(zhǔn)，可以部分取代進(jìn)口產(chǎn)品，對(duì)于提高國(guó)內(nèi)家電產(chǎn)品的靜音水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。同時(shí)，該新型兜孔結(jié)構(gòu)對(duì)類似結(jié)構(gòu)的減振降噪設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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