圆锥轴承内圈大挡边与滚子基面摩擦和噪声分析
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（编辑：王立新）
３ 关于内圈大挡边与滚子球基面滑 动摩擦部位的振动噪声的浅析
圆锥滚子轴承工作时，大挡边与滚子球基面 之间必然存在着滑动摩擦，也必然产生振动与噪 声。影响其振动噪声的因素主要有：（１ ）滚子球基 面的基面圆跳动和粗糙度。（２ ）大挡边的表面粗糙 度和厚度变动量。（３ ）大挡边表面和滚子球基面 的磕碰伤等表面缺陷。（４ ）轴承中有金属微粒、粉 尘等异物。（５ ）润滑脂的洁净度差。
１ 前言
轴承是重要的机械基础件，属于精密机械产 品的一种。圆锥滚子轴承与其它类型轴承一样要 求具有高精度、低噪音、低振动等特点。为减振降 噪，除了要积极开展低噪声产品设计，还要在采用 先进的工艺装备上下一番功夫，为此对圆锥滚子 轴承内圈大挡边与滚子球基面之间的滑动摩擦和 振动噪声进行认真的分析是十分必要的。
其中与加工有关的影响因素主要是滚子基面 的圆跳动和大挡边表面的粗糙度。应当看到滚子 基面圆跳动和大挡边表面粗糙度的优劣，与磨削 设备有很大关系。前些年，圆锥滚子球基面的磨 削，曾采用有磁通过式球基面磨床加工，由于滚子 在加工过程中定位不稳定，滚子基面圆跳动只能 达到Ⅲ级滚子的规定，甚至使滚子超差；前几年， 由于无磁通过式球基面磨床的研制成功，滚子定 位稳定性、定位精度较以前有了很大的提高，使 磨削后滚子基面圆跳动稳定达到Ⅱ级，有些型号 可以达到Ⅰ级。此后，圆锥内圈大挡边推荐采用 斜挡边以后，轴承设备生产各厂家相继开发了各 种规格的切入式挡边磨床，轴承加工精度有了提 高，但挡边粗糙度 Ｒａ 值只能达到 ０．４μｍ 左右，有 的只有 ０．６μｍ，与理想值尚存在差距。近期，随 着震荡式挡边磨床的研制成功，挡边粗糙度 Ｒａ 值 得到大幅度降低。磨削内径小于等于 ６０ｍｍ 的内 圈挡边粗糙度 Ｒａ 值不超过 ０．２μｍ；磨削内径大 于 ６０～１１０ｍｍ 的内圈挡边粗糙度 Ｒａ 值不超过 ０．２５μｍ；当无磁通过式球基面磨床和振荡式挡边 磨床投入使用以后，对于减轻圆锥滚子轴承内圈 大挡边与滚子球基面滑动摩擦部位的振动与噪声 又取得了一些进展，但也只能与理想值又近了一 步，尚需我们继续努力，不断的分析，不断的改进， 促使我国的轴承行业努力赶超世界先进水平。
λ—内圈大挡边锥面与端面之间的夹角， ρｐ—内圈弧形大挡边曲率半径， ｄｉ′—弧挡边内圈滚道最大直径， ｄ２—内圈大挡边直径， Ｄｗ—滚子大头直径， β—内圈滚子素线与其轴线之间的夹角， φ—滚子素线与其轴线之间的夹角， ψ — 内圈大挡边锥面与滚道之间的夹角。 圆锥滚子轴承现行的设计方法推荐采用斜挡
计算公式：λ＝ ｓｉｎ ｄｉ＇＋ｄ２
（１ ）
４ρｐቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不难看出，（１）式是在滚子球基面半径等于内
圈弧挡边曲率半径 ρｐ 的条件下建立的。但实际 上，滚子球基面半径并不等于 ρｐ，而是 ρｐ 的 ９５％，因此，（１）式是近似计算公式，用（１）式算出
的 λ 值不是精确值。下面，按滚子球基面半径等
于 ０．９５ρｐ 推导 λ 计算公式。下图中，Ｏ 为内滚道
２ 关于内圈大挡边与滚子球基面之 间的滑动摩擦的浅析
圆锥滚子轴承内圈大挡边的结构有斜挡边和 弧挡边两种。斜挡边的表面为圆锥面，滚子球基面 与该面的接触为球面与锥面的点接触。弧挡边的 表面为球面，因为滚子球基面的半径比弧挡边的 曲率半径小，所以二者的接触为小球面与大球面
收稿日期：２００７－ ０４－ ２８． 作者简介：杨 春（１９７４－），女，工程师．
锥面与滚子锥面的锥顶点，Ｏ１ 为滚子球基面与斜
挡边的接触点，Ｏ１Ｄ＝（ｄｉ＇ ＋ｄ２）／４。Ｏ２ 为滚子球基面
球心，Ｏ１Ｏ２＝ Ｏ２Ｆ＝０．９５ρｐ。ＥＦ＝Ｄｗ／２。推导如下：
设 ＯＯ２＝ｈ，ｈ＝ＯＥ－ Ｏ２Ｅ ，∵ＯＥ＝ＯＦｃｏｓφ＝ρｐｃｏｓφ，
! Ｏ２Ｅ＝!Ｏ２Ｆ ２－ ＥＦ ２ ＝
（０．９５ρｐ）２－
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔａｐｅｒｅｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｎｅ ｒｉｂ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｌｌｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ
Ｙａｎｇ Ｃｈｕｎ， Ｑｉａｏ Ｘｉｕｑｉｎｇ
（Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒ＆ Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｈａｒｂｉｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｈａｒｂｉｎ １５００３６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎｎｅｒ ｒｉｎｇ ｃｏｎｅ ｒｉｂ ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｌｌｅｒ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｅ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｍａｄｅ ｂｅｔｔｅｒ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔａｐｅｒｅｄ ｒｏｌｌｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ； ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｒｉｃｔｉｏｎ； ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ｎｏｉｓｅ
式中，ｈ＝ρｐｃｏｓφ－ !０．９０２５ρｐ２－ ０．２５Ｄｗ２
图 内圈大挡边与滚子球基面接触示意图
２．２ 关于 ψ 的计算公式及允差 现行设计方法给出的挡边锥面与内滚道之间
夹角 ψ 的计算公式为 ψ＝９０°－ λ＋β，ψ的允差规定
为：＋１０′。 我认为，从挡边与滚子的接触点位于挡边中
部考虑，ψ不宜取为＋１０′，宜取为＋５′。
（
Ｄｗ ２
）２
，
∴ｈ＝ρｐｃｏｓφ－ !０．９０２５ρｐ２－ ０．２５Ｄｗ２
（２ ）
λ＝ｓｉｎ－１ Ｏ１Ｃ ＝ｓｉｎ－１ Ｏ１Ｃ ，
Ｏ１Ｏ２
０．９５ρｐ
∵Ｏ１ Ｃ＝Ｏ １Ｄ－ ＣＤ＝（ｄｉ＇＋ｄ ２）／４－ ｈｓｉｎ（β＋φ），
∴λ＝ｓｉｎ－
１
ｄｉ＇＋ｄ２－
４ｈｓｉｎ（β＋φ） ３．８ρｐ
（３ ）
（３）式即为 λ 的精确计算公式。
第 ２８ 卷 第 ４ 期 ２ ０ ０ ７ 年 １２ 月
哈尔滨轴承
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＢＥＡＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ． ２ ０ ０ ７
圆锥轴承内圈大挡边与滚子 基面摩擦和噪声分析
杨 春，乔秀清
（哈尔滨轴承集团公司 技术中心，黑龙江 哈尔滨 １５００３６）
摘 要：通过对设计和设备的改进，内圈大挡边与滚子球基面之间的滑动摩擦及滑动摩擦部位的振动噪声都得到 很大地改善。 关键词：圆锥滚子轴承；滑动摩擦；振动；噪声 中图分类号：ＴＨ１６１＋．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２－４８５２（２００７）０４－０００７－０２
的点接触。当轴承内圈旋转，滚子在内、外圈滚道 之间作纯滚动运动时，挡边面上接触点所在的圆 周（简称挡边接触圆周，下同）与滚动球基面上接 触点所在的圆周（简称球基面接触圆周，下同）的 线速度是不同的，挡边接触圆周的线速度大，球基 面接触圆周的线速度小，所以大挡边与滚子球基 面之间存在着滑动摩擦。滑动摩擦的大小与接触 点的位置有关，接触点偏里（即挡边接触圆周的直 径小），滑动摩擦小；接触点偏外，滑动摩擦大。为 了便于论述与理解，这里将文中的符号做以下标 明。
·８·
哈尔滨轴承
第 ２８ 卷
边。首先，选好接触点，确定好角度很重要。λ 大
会使 ψ 角偏小，ψ 角偏小又会使大挡面与滚子
球基面的接触点在挡边中部偏外。虽然偏外量不
大，但从减小滑动摩擦、减轻轴承发热考虑，应避
免接触点在挡边中部偏外的设计。
２．１ 关于 λ 的计算公式 计算大挡边锥面与端面之间夹角要注意其
３ 关于内圈大挡边与滚子球基面滑 动摩擦部位的振动噪声的浅析
圆锥滚子轴承工作时，大挡边与滚子球基面 之间必然存在着滑动摩擦，也必然产生振动与噪 声。影响其振动噪声的因素主要有：（１ ）滚子球基 面的基面圆跳动和粗糙度。（２ ）大挡边的表面粗糙 度和厚度变动量。（３ ）大挡边表面和滚子球基面 的磕碰伤等表面缺陷。（４ ）轴承中有金属微粒、粉 尘等异物。（５ ）润滑脂的洁净度差。
１ 前言
轴承是重要的机械基础件，属于精密机械产 品的一种。圆锥滚子轴承与其它类型轴承一样要 求具有高精度、低噪音、低振动等特点。为减振降 噪，除了要积极开展低噪声产品设计，还要在采用 先进的工艺装备上下一番功夫，为此对圆锥滚子 轴承内圈大挡边与滚子球基面之间的滑动摩擦和 振动噪声进行认真的分析是十分必要的。
其中与加工有关的影响因素主要是滚子基面 的圆跳动和大挡边表面的粗糙度。应当看到滚子 基面圆跳动和大挡边表面粗糙度的优劣，与磨削 设备有很大关系。前些年，圆锥滚子球基面的磨 削，曾采用有磁通过式球基面磨床加工，由于滚子 在加工过程中定位不稳定，滚子基面圆跳动只能 达到Ⅲ级滚子的规定，甚至使滚子超差；前几年， 由于无磁通过式球基面磨床的研制成功，滚子定 位稳定性、定位精度较以前有了很大的提高，使 磨削后滚子基面圆跳动稳定达到Ⅱ级，有些型号 可以达到Ⅰ级。此后，圆锥内圈大挡边推荐采用 斜挡边以后，轴承设备生产各厂家相继开发了各 种规格的切入式挡边磨床，轴承加工精度有了提 高，但挡边粗糙度 Ｒａ 值只能达到 ０．４μｍ 左右，有 的只有 ０．６μｍ，与理想值尚存在差距。近期，随 着震荡式挡边磨床的研制成功，挡边粗糙度 Ｒａ 值 得到大幅度降低。磨削内径小于等于 ６０ｍｍ 的内 圈挡边粗糙度 Ｒａ 值不超过 ０．２μｍ；磨削内径大 于 ６０～１１０ｍｍ 的内圈挡边粗糙度 Ｒａ 值不超过 ０．２５μｍ；当无磁通过式球基面磨床和振荡式挡边 磨床投入使用以后，对于减轻圆锥滚子轴承内圈 大挡边与滚子球基面滑动摩擦部位的振动与噪声 又取得了一些进展，但也只能与理想值又近了一 步，尚需我们继续努力，不断的分析，不断的改进， 促使我国的轴承行业努力赶超世界先进水平。
λ—内圈大挡边锥面与端面之间的夹角， ρｐ—内圈弧形大挡边曲率半径， ｄｉ′—弧挡边内圈滚道最大直径， ｄ２—内圈大挡边直径， Ｄｗ—滚子大头直径， β—内圈滚子素线与其轴线之间的夹角， φ—滚子素线与其轴线之间的夹角， ψ — 内圈大挡边锥面与滚道之间的夹角。 圆锥滚子轴承现行的设计方法推荐采用斜挡
计算公式：λ＝ ｓｉｎ ｄｉ＇＋ｄ２
（１ ）
４ρｐቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不难看出，（１）式是在滚子球基面半径等于内
圈弧挡边曲率半径 ρｐ 的条件下建立的。但实际 上，滚子球基面半径并不等于 ρｐ，而是 ρｐ 的 ９５％，因此，（１）式是近似计算公式，用（１）式算出
的 λ 值不是精确值。下面，按滚子球基面半径等
于 ０．９５ρｐ 推导 λ 计算公式。下图中，Ｏ 为内滚道
２ 关于内圈大挡边与滚子球基面之 间的滑动摩擦的浅析
圆锥滚子轴承内圈大挡边的结构有斜挡边和 弧挡边两种。斜挡边的表面为圆锥面，滚子球基面 与该面的接触为球面与锥面的点接触。弧挡边的 表面为球面，因为滚子球基面的半径比弧挡边的 曲率半径小，所以二者的接触为小球面与大球面
收稿日期：２００７－ ０４－ ２８． 作者简介：杨 春（１９７４－），女，工程师．
锥面与滚子锥面的锥顶点，Ｏ１ 为滚子球基面与斜
挡边的接触点，Ｏ１Ｄ＝（ｄｉ＇ ＋ｄ２）／４。Ｏ２ 为滚子球基面
球心，Ｏ１Ｏ２＝ Ｏ２Ｆ＝０．９５ρｐ。ＥＦ＝Ｄｗ／２。推导如下：
设 ＯＯ２＝ｈ，ｈ＝ＯＥ－ Ｏ２Ｅ ，∵ＯＥ＝ＯＦｃｏｓφ＝ρｐｃｏｓφ，
! Ｏ２Ｅ＝!Ｏ２Ｆ ２－ ＥＦ ２ ＝
（０．９５ρｐ）２－
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔａｐｅｒｅｄ ｂｅａｒｉｎｇ ｃｏｎｅ ｒｉｂ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｌｌｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ
Ｙａｎｇ Ｃｈｕｎ， Ｑｉａｏ Ｘｉｕｑｉｎｇ
（Ｂｅａｒｉｎｇ Ｒ＆ Ｄ Ｃｅｎｔｅｒ， Ｈａｒｂｉｎ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｈａｒｂｉｎ １５００３６， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎｎｅｒ ｒｉｎｇ ｃｏｎｅ ｒｉｂ ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｒｏｌｌｅｒ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆａｃｅ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｇｒｅａｔｌｙ ｍａｄｅ ｂｅｔｔｅｒ ｂｙ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔａｐｅｒｅｄ ｒｏｌｌｅｒ ｂｅａｒｉｎｇ； ｓｌｉｄｉｎｇ ｆｒｉｃｔｉｏｎ； ｖｉｂｒａｔｉｏｎ； ｎｏｉｓｅ
式中，ｈ＝ρｐｃｏｓφ－ !０．９０２５ρｐ２－ ０．２５Ｄｗ２
图 内圈大挡边与滚子球基面接触示意图
２．２ 关于 ψ 的计算公式及允差 现行设计方法给出的挡边锥面与内滚道之间
夹角 ψ 的计算公式为 ψ＝９０°－ λ＋β，ψ的允差规定
为：＋１０′。 我认为，从挡边与滚子的接触点位于挡边中
部考虑，ψ不宜取为＋１０′，宜取为＋５′。
（
Ｄｗ ２
）２
，
∴ｈ＝ρｐｃｏｓφ－ !０．９０２５ρｐ２－ ０．２５Ｄｗ２
（２ ）
λ＝ｓｉｎ－１ Ｏ１Ｃ ＝ｓｉｎ－１ Ｏ１Ｃ ，
Ｏ１Ｏ２
０．９５ρｐ
∵Ｏ１ Ｃ＝Ｏ １Ｄ－ ＣＤ＝（ｄｉ＇＋ｄ ２）／４－ ｈｓｉｎ（β＋φ），
∴λ＝ｓｉｎ－
１
ｄｉ＇＋ｄ２－
４ｈｓｉｎ（β＋φ） ３．８ρｐ
（３ ）
（３）式即为 λ 的精确计算公式。
第 ２８ 卷 第 ４ 期 ２ ０ ０ ７ 年 １２ 月
哈尔滨轴承
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＡＲＢＩＮ ＢＥＡＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．２８ Ｎｏ．４ Ｄｅｃ． ２ ０ ０ ７
圆锥轴承内圈大挡边与滚子 基面摩擦和噪声分析
杨 春，乔秀清
（哈尔滨轴承集团公司 技术中心，黑龙江 哈尔滨 １５００３６）
摘 要：通过对设计和设备的改进，内圈大挡边与滚子球基面之间的滑动摩擦及滑动摩擦部位的振动噪声都得到 很大地改善。 关键词：圆锥滚子轴承；滑动摩擦；振动；噪声 中图分类号：ＴＨ１６１＋．５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２－４８５２（２００７）０４－０００７－０２
的点接触。当轴承内圈旋转，滚子在内、外圈滚道 之间作纯滚动运动时，挡边面上接触点所在的圆 周（简称挡边接触圆周，下同）与滚动球基面上接 触点所在的圆周（简称球基面接触圆周，下同）的 线速度是不同的，挡边接触圆周的线速度大，球基 面接触圆周的线速度小，所以大挡边与滚子球基 面之间存在着滑动摩擦。滑动摩擦的大小与接触 点的位置有关，接触点偏里（即挡边接触圆周的直 径小），滑动摩擦小；接触点偏外，滑动摩擦大。为 了便于论述与理解，这里将文中的符号做以下标 明。
·８·
哈尔滨轴承
第 ２８ 卷
边。首先，选好接触点，确定好角度很重要。λ 大
会使 ψ 角偏小，ψ 角偏小又会使大挡面与滚子
球基面的接触点在挡边中部偏外。虽然偏外量不
大，但从减小滑动摩擦、减轻轴承发热考虑，应避
免接触点在挡边中部偏外的设计。
２．１ 关于 λ 的计算公式 计算大挡边锥面与端面之间夹角要注意其