劉曉杰，孫超，譚明偉

(中國第一汽車股份有限公司 技術(shù)中心，長春 130011)

圓錐滾子軸承是汽車重要的零部件，主要應(yīng)用于變速器、主減速器、差速器、輪轂等部位。軸承質(zhì)量的好壞直接影響著汽車的舒適性、穩(wěn)定性、安全性等，軸承壽命是軸承質(zhì)量的綜合反映。在軸承裝車使用之前，往往通過壽命與可靠性試驗對軸承壽命進行檢驗。在圓錐滾子軸承壽命與可靠性試驗中，一般有純軸向加載和聯(lián)合加載2種加載方式。不同的加載方式下軸承內(nèi)部滾子的受力不同，試驗時間也不同，直接關(guān)系到軸承試驗周期和成本，甚至影響汽車的開發(fā)周期,故有必要對不同加載方式下軸承內(nèi)部的受力情況進行分析。

1 試驗載荷的確定

對于圓錐滾子軸承的壽命與可靠性試驗，施加純軸向載荷時，載荷施加在外圈上；施加聯(lián)合載荷時，軸向載荷施加在外圈上，徑向載荷施加在內(nèi)圈上。根據(jù)GB/T 24607—2009《滾動軸承 壽命與可靠性試驗與評定》，當量動載荷相同時，加載方式不同，試驗載荷也不同。

1.1 純軸向加載

根據(jù)GB/T 24607—2009，P=XFr+YFa，由于僅受軸向載荷，F(xiàn)r=0，則

Fa=P/Y，

(1)

式中：P為當量動載荷；Fr，F(xiàn)a分別為徑向和軸向載荷；X，Y分別為徑向和軸向載荷系數(shù)。

1.2 聯(lián)合加載

根據(jù)GB/T 24607—2009，在聯(lián)合加載時，其載荷為

(2)

式中：Mc為軸向載荷與徑向載荷之比；η為比例系數(shù)。

(2)式中徑向和軸向載荷系數(shù)X，Y在GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》中的規(guī)定并不明確，需要自行判定，其他參數(shù)在GB/T 24607—2009中均有規(guī)定。

根據(jù)GB/T 24607—2009，對于圓錐滾子軸承，η=1/(2Y)，由(2)式可得

(3)

根據(jù)GB/T 6391—2010進行分析：

1)當Fa/Fr≤e=1.5tanα(α為公稱接觸角)時，X=1，Y=0，則

(4)

這與Fa/Fr≤e相矛盾。

2)當Fa/Fr>e=1.5tanα?xí)r，X=0.4，Y=0.4cotα，則

(5)

由(5)式可得

Mc>0.25tanα。

(6)

根據(jù)GB/T 24607—2009，當α≤20°時，Mc=0.25，(6)式顯然成立；當α>20°時，Mc=0.5，由于圓錐滾子軸承接觸角α<45°，此時(6)式也成立。

綜上可得，對于圓錐滾子軸承，F(xiàn)a/Fr>e恒成立，即載荷系數(shù)X=0.4，Y=0.4cotα。

2 受力分析

以圓錐滾子軸承32222為例進行分析，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)α=15°38′32″，圓錐滾子半錐角φ=2°，滾子數(shù)Z=12。此時Mc=0.25，X=0.4，Y=1.432 6，η=1/2Y=0.357。

2.1 純軸向加載

當承受純軸向載荷時，由(1)式得Fa=P/Y≈0.7P。試驗時一般將2套軸承面對面安裝到試驗機上，對軸承外圈施加軸向載荷，每套軸承外圈受力均為Fa≈0.7P。軸承受力簡圖如圖1所示，所有滾子均勻受力。

圖1 軸承受力簡圖

滾子的受力如圖2所示，F(xiàn)1為滾子與外圈滾道的法向作用力，F(xiàn)2為滾子與內(nèi)圈滾道的法向作用力，F(xiàn)3為滾子與內(nèi)圈大擋邊的法向作用力，γ為F2與徑向方向的夾角，δ為F3與軸向方向的夾角，根據(jù)幾何關(guān)系可得δ=α-φ，γ=α-2φ。

圖2 滾子受力圖

根據(jù)力的平衡關(guān)系可得

(7)

根據(jù)(7)式可得在純軸向載荷下各個滾子受力F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3分別為0.13P,0.13P,0.009P。

2.2 聯(lián)合加載

在聯(lián)合加載時，根據(jù)(2)式可得Fr≈0.8P，F(xiàn)a≈0.48P。試驗時，將2套軸承面對面安裝到試驗機上，在外圈上施加軸向力，在內(nèi)圈上施加徑向力，此時單套軸承所受的徑向載荷均為Fr=0.8P。由于徑向力的存在，將產(chǎn)生派生軸向力Fs=Fr/2Y≈0.28P，但由于軸向力通過外圈加載，派生軸向力將相互抵消，且Fa=0.48P>0.28P=Fs，所以可判定此時軸承所受的軸向力不受影響，即Fa=0.48P。

聯(lián)合加載時滾子受力情況復(fù)雜,由于徑向載荷的作用，滾子中有一半放松，而另一半被壓緊，現(xiàn)僅對易失效的壓緊側(cè)滾子進行受力分析。為便于研究，將軸向載荷與徑向載荷獨立分析。軸向加載可以等效為純軸向加載的情況，下面僅分析徑向加載。如圖3所示，滾子與內(nèi)圈滾道在徑向方向的作用力分別為Fr0，F(xiàn)r1，F(xiàn)r2，…；與徑向載荷作用方向的夾角分別為0,θ,2θ,…,nθ(nθ<90°)。

通過文獻[1]可得

(8)

考慮軸向載荷的疊加，滾子與內(nèi)圈滾道接觸的法向載荷為

(9)

根據(jù)受力平衡，此時受力也滿足圖2關(guān)系,則

(10)

由(10)式可得到滾子的受力情況見表1。

表1 滾子受力

3 試驗驗證

純軸向加載方式進行試驗時軸承失效圖如圖4所示，發(fā)現(xiàn)部分軸承內(nèi)圈靠近大擋邊位置及滾子大端面發(fā)生疲勞剝落。這是由于純軸向加載時所有滾子大端與內(nèi)圈大擋邊均接觸，若內(nèi)圈大擋邊加工較差，則該位置容易失效。這與文中受力分析結(jié)果一致。

圖4 純軸向加載時的軸承失效圖

聯(lián)合加載方式進行試驗時軸承失效圖如圖5所示，發(fā)現(xiàn)部分軸承外圈及滾子大面積發(fā)生疲勞剝落。這是由于聯(lián)合加載時個別滾子比純軸向加載時受力要大很多，且隨著轉(zhuǎn)動受力一直在發(fā)生變化，更容易導(dǎo)致軸承失效。這與文中的受力分析結(jié)果也一致。

圖5 聯(lián)合加載時的軸承失效圖

4 結(jié)束語

通過分析得到圓錐滾子軸承在壽命與可靠性試驗中不同加載方式下的試驗載荷。以圓錐滾子軸承32222為例，通過受力分析得到不同加載方式下軸承滾子的受力情況，在相同的當量動載荷下，純軸向加載比聯(lián)合加載的滾子受力小且更均勻，并通過試驗驗證了其正確性。在實際軸承質(zhì)量驗證時可采用強化壽命試驗法，加載過程中可增大試驗載荷，從而提高試驗進度和效率。但滾動軸承應(yīng)用場合千差萬別，失效原因復(fù)雜多變，壽命試驗也有其隨機性與局限性，文中僅在相同的試驗條件下進行對比，且僅通過簡單的受力分析，未考慮其他因素的影響，模型較為理想，后續(xù)有待做進一步研究。