趙秀婷，孟瑾，劉致文

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 4710232；2.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

圓錐滾子軸承筐形保持架由金屬板材通過(guò)下料、成形、沖窗孔、切底、壓坡、擴(kuò)張等工序完成，其中車(chē)端面、整形工序需要采用專(zhuān)門(mén)的車(chē)削加工設(shè)備來(lái)完成。為減少加工工序，提高材料利用率和生產(chǎn)效率，對(duì)圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用薄板全沖壓工藝來(lái)制造保持架，并以32216圓錐滾子軸承保持架為例，通過(guò)有限元計(jì)算分析改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的理論可行性。

1 保持架的改進(jìn)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改進(jìn)前筐形保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，由鋼板沖壓成形，大端外徑面車(chē)削成圓弧或倒角，并保證保持架寬度。車(chē)削加工生產(chǎn)效率低。改進(jìn)后的筐形保持架結(jié)構(gòu)如圖2所示，保持架小端底面依然保持內(nèi)環(huán)形翻邊，大端面采用外翻邊形式，保持架主體軸向截面上形成 “Z”形結(jié)構(gòu)，通過(guò)全沖壓工藝成形。在板厚相同的條件下，改進(jìn)結(jié)構(gòu)的保持架可以有效提高剛度、強(qiáng)度、制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 改進(jìn)前保持架局部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 板厚設(shè)計(jì)

板厚S直接影響保持架強(qiáng)度和沖壓工藝性能，圓錐滾子軸承保持架的板厚S在設(shè)計(jì)上一直采用經(jīng)驗(yàn)公式(S=KSDw，Dw為滾子大端直徑，KS為經(jīng)驗(yàn)系數(shù))計(jì)算。改進(jìn)前保持架板材取值較大但剛性仍不好,且只能靠增加板厚來(lái)增強(qiáng)保持架剛性。

依據(jù)保持架的失效分析和模擬拉伸試驗(yàn)可知，保持架窗孔的過(guò)渡連接位置首先發(fā)生失效，通?？梢圆捎梦⑿〉膱A弧過(guò)渡，或在加工中避免該位置的質(zhì)量缺陷以保證保持架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1]。滾子作用在保持架窗孔的圓弧面上，圓弧面用來(lái)引導(dǎo)滾子的轉(zhuǎn)動(dòng)，圓弧與滾子接觸的有效面積及中心點(diǎn)的位置對(duì)滾子的作用力與反作用力都是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)[2]。由于保持架梁的拐角部分是整個(gè)保持架最薄弱環(huán)節(jié)，所以，梁厚度(即板厚S)取值必須保證滿(mǎn)足保持架強(qiáng)度的極限值，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和使用可知，可采用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)計(jì)算。

因此，在設(shè)計(jì)板厚S時(shí)，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式確定，再根據(jù)實(shí)際使用過(guò)程中軸承的承載能力和標(biāo)準(zhǔn)鋼板厚度做適當(dāng)調(diào)整。對(duì)于承載能力小的軸承，可以適當(dāng)增大S值提高保持架的強(qiáng)度；對(duì)于承載能力大的軸承，在滿(mǎn)足使用強(qiáng)度的前提下可以適當(dāng)減少S值。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后經(jīng)驗(yàn)系數(shù)KS根據(jù)各尺寸系列的取值見(jiàn)表1[1]。

表1 各系列軸承保持架板厚計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值對(duì)比

2 有限元模擬分析

2.1 模型建立

保持架為周期對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，在ANSYS中可以利用周期對(duì)稱(chēng)性，取對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行建模和分析，以節(jié)約計(jì)算時(shí)間。根據(jù)32216軸承保持架的結(jié)構(gòu)工藝圖(圖2)，在Pro/E中分別建立改進(jìn)前、后保持架的1/20實(shí)體模型。

圖2 改進(jìn)后保持架局部結(jié)構(gòu)示意圖

材料采用表面質(zhì)量級(jí)別為II級(jí)的10#鋼板，彈性模量E=200 GPa，泊松比ν=0.3，密度ρ=7 850 kg/m3。

2.2 網(wǎng)格劃分

用自由網(wǎng)格劃分方法對(duì)保持架模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，接觸區(qū)域的單元邊長(zhǎng)應(yīng)不大于Hertz接觸面的1/2寬度，改進(jìn)前保持架模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3a所示，模型共有單元5 040個(gè)，節(jié)點(diǎn)6 105個(gè)。改進(jìn)后保持架模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3b所示，模型共有單元5 230個(gè)，節(jié)點(diǎn)6 312個(gè)。

圖3 32216保持架結(jié)構(gòu)圖

2.3 約束條件

根據(jù)保持架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，保持架端面固定不動(dòng)，即設(shè)置上下兩端面為零位移約束。由于只取整個(gè)保持架模型的1/20建模，同時(shí)要在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束邊界條件。

2.4 載荷條件

滾子與保持架的接觸點(diǎn)即是滾子對(duì)保持架的作用力點(diǎn)，位于保持架兜孔壓坡面的中央。滾子端部和保持架兜孔兩邊的相互作用力忽略不計(jì)，過(guò)梁壓坡接觸面所受的摩擦力比法向作用力小得多，也可忽略不計(jì)。故只考慮過(guò)梁壓坡接觸面所承受的法向作用力[2]，即

(1)

式中：F為法向力；CP為保持架兜孔徑向間隙；ZC為鋼球與保持架兜孔的偏移量。為分析保持架結(jié)構(gòu)對(duì)其強(qiáng)度影響，取滾子與保持架過(guò)梁接觸的極限情況進(jìn)行研究，參考文獻(xiàn)[2]取F=67 N。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

改進(jìn)前、后保持架應(yīng)力分布如圖4～圖7所示。由圖可知，最大應(yīng)力發(fā)生在保持架過(guò)梁以及上下圓環(huán)面的接觸部位，這與實(shí)際工作中保持架的疲勞損壞部位一致。改進(jìn)前32216軸承保持架板厚2.5 mm時(shí)最大應(yīng)力183 MPa,根據(jù)等強(qiáng)度原則，采用新結(jié)構(gòu)后板厚可以取1.9 mm,最大應(yīng)力為172 MPa,滿(mǎn)足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，板厚S圓整為2 mm時(shí)，最大應(yīng)力為153.430 MPa。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后最大應(yīng)力對(duì)比見(jiàn)表2。

圖4 改進(jìn)前S=2.5 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖5 改進(jìn)前S=1.9 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖6 改進(jìn)后S=1.9 mm的保持架應(yīng)力云圖

圖7 改進(jìn)后S=2 mm的保持架應(yīng)力云圖

表2 32216保持架改進(jìn)前、后板厚與最大應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)改進(jìn)保持架結(jié)構(gòu)，在不增加梁厚度的情況下滿(mǎn)足了保持架強(qiáng)度要求，節(jié)省了材料，提高了生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用可靠性理論，按與原結(jié)構(gòu)等強(qiáng)度的原則，通過(guò)有限元計(jì)算分析優(yōu)化了帶凸緣全沖壓保持架板厚取值，改進(jìn)了傳統(tǒng)通過(guò)增加板厚來(lái)提高保持架的強(qiáng)度的方法。對(duì)于不同系列圓錐滾子軸承保持架系數(shù)可根據(jù)表1選取，確定板厚。保持架結(jié)構(gòu)改進(jìn)在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度要求的情況下，節(jié)約了材料，改善了制造工藝，提高了加工效率，降低了制造成本。