圆柱滚子轴承保持架优化设计_公平

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加工方式与效果对比
保持架兜孔过梁拐角处若采用圆角过渡， 传 ； 统加工方式采用拉床拉削 若更改为越程槽结构， 则可采用加工中心进行钻铣加工， 越程槽部分采用
周疲劳使保持架发生断裂， 其一般都发生在兜孔 过梁位置。 在轴承运转过程中， 当滚动体的公转 速度与保持架的转速不一致时， 滚动体与保持架 ［3 ］ 将发生碰撞 。 而这种动态运动是无法避免的， 因此， 特别是对 应最大程度上保证保持架的强度， 于容 易 发 生 应 力 集 中 的 兜 孔 过 梁 拐 角 处 的 设计， 对于延缓保持架的破坏时间 ， 延长轴承寿命
保持架加工精度对比
拉削加工 0． 3 0． 3 0． 2 ～ 0． 3 0． 070 0． 864 铣削加工 0． 1 0． 05 0． 2 ～ 0． 4 0． 004 0． 341
图6
改进前兜孔过梁应力分析云图
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结束语
1 ） 保持架薄弱环节主要在兜孔过梁处， 其设 ， 计是不可忽略的环节 因此在保持架结构设计时， 既要保证兜孔过梁转角不与滚子发生干涉， 又要
图8 表3
改进方案 2 兜孔过梁应力分析云图 不同结构下保持架过梁处最大接触应力
结构 改进前 改进方案 1 改进方案 2 最大应力 / MPa 653 351 379
保持架兜孔结构的改进设计。 参考文献：
［ 1］ 兴长喜， 孙民． 航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂 J］ ． 航空发动机， 2002 （ 2 ） ： 32 － 34． 机理［ ［ 2］ 杨咸启， 刘文秀， 李晓玲， 等． 高速滚子轴承保持架动 J］ ． 轴承， 2002 （ 7 ） ： 1 － 5． 力学分析［ ［ 3］ 刘文秀， 杨咸启， 陈贵． 高速滚子轴承保持架碰撞模 J］ ． 轴承， 2003 （ 9 ） ： 1 － 5． 型与运动分析［ （ 编辑： 钞仲凯）
据失效案例分析统计， 保持架疲劳断裂已逐 ［1 ］ 特别是中大型 渐成为轴承严重失效形式之一 ， 主轴轴承。 实体保持架的受力较为复杂， 主要有 滚子对保持架的作用力、 套圈引导挡边面对保持 架的作用力以及非引导挡边面的阻力等 。 由保持架和滚动体运动的不稳定性造成的高
收稿日期： 2015 － 03 － 30 ； 修回日期： 2015 － 05 － 10
ISSN1000 － 3762 CN41 － 1148 / TH
轴承 2015 年11 期 Bearing 2015 ， No． 11
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圆柱滚子轴承保持架优化设计
刘海波， 张瑞生 公平， 张静静，
（ 中航工业哈尔滨轴承有限公司 ， 哈尔滨 150000 ） 摘要： 阐述了保持架发生断裂的影响因素 ， 以某型号圆柱滚子轴承保持架为例 ， 提出改进保持架兜孔结构设计 的 2 种方案， 并使用 ANSYS 对保持架结构进行应力分析对比 ， 同时， 根据结构改进设计将工艺加工后的效果做 出对比， 选择合适的改进方案 。 关键词： 圆柱滚子轴承； 保持架； 结构设计； ANSYS 中图分类号： TH133． 3 ； O343． 3 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 3762 （ 2015 ） 11 － 0008 － 03
公平， 等： 圆柱滚子轴承保持架优化设计
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将至关重要。
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轴承保持架结构设计改进
单元对上述实体进行网格划分， 对过梁连接处的 圆角或越程槽结构进行细化， 分别如图 3 和图 4 所示。
某型圆柱滚子轴承保持架的几何尺寸见表 1 ， 40CrNiMoA 材料特性见表 2 。 结构改进前兜孔过 梁过渡处采用小圆角设计， 过渡圆角半径最大为 0． 2 mm。为减小应力集中， 设计了 2 种改进结构， 一是将圆角半径增大到 0． 8 mm， 二是将兜孔结构 更改为带有越程槽的结构。 改进前、 后的结构如 图 1 所示 （ 图中单位均为 mm， 最大是指加工允许 的最大值） 。
M］ ． 黄志强， ［ 1］ 冈本纯三． 球轴承的设计计算［ 译， 罗继 2003． 伟， 校． 北京： 机械工业出版社， ［ 2］ 罗继伟． 滚动轴承受力分析及其进展［ J］ ． 轴承， 2001 （ 9 ） ： 28 － 31． ． 北京： 机械工业出 ［ 3］ 刘泽九． 滚动轴承应用手册［M］ 2006． 版社， 2004． 京： 清华大学出版社， ［ 5］ 叶 先 磊， 史 亚 杰． ANSYS 工 程 分 析 软 件 应 用 实 例 ［ M］ ． 北京： 清华大学出版社， 2003． ［ 6］ 周宁． ANSYS APDL 高级工程应用实例分析与二次 M］ ． 北京： 中国水利水电出版社， 2008． 开发［ ［ 7］ 张亚欧． ANSYS 7． 0 有限元分析实用教程［M］ ．北 2004． 京： 清华大学出版社， ［ 8］ 张朝晖． ANSYS 11． 0 结构分析工程应用实例解析 ［ M］ ． 北京： 机械工业出版社， 2008． （ 编辑： 钞仲凯）
密度 / （ kg·m － 3 ） 抗拉强度极限 / MPa
图1
改进前、 后兜孔结构及尺寸示意图 图5 兜孔的载荷与约束
2
2． 1
有限元分析
建模
2． 4
结果分析 结构改进前、 后的保持架兜孔应力云图如图 6
根据保持架的结构参数， 先后建立保持架兜孔结 、 构改进前 后的单个兜孔的三维模型， 如图 2 所示。 2． 2 网格划分 将上述 模 型 导 入 ANSYS 中， 采 用 SOLID186
～ 图 8 所 示， 由 图 可 知， 在同一约束和载荷条件 下， 应力最大值均在保持架的过梁拐角处 。 虽然 3 种结构过梁处的应力值均 小 于 材 料 的 屈 服 极 限 815 MPa， 但具有差异性，其不同结构下保持架过
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《轴承》 2015． №． 11
梁处最大接触应力见表 3 。 改进后的两方案均较 大幅度地减小了兜孔过梁处的最大应力 。
图7 改进方案 1 兜孔过梁应力分析云图
使过渡结构的设计能够最 大 程 度 的 减 缓 应 力 集 中， 有利于润滑。 2 ） 从越程槽结构兜孔与增大圆角过渡结构兜 2 种结构均可大幅度减缓 孔的对比分析可以看出， 应力集中， 效果相似， 但钻铣方式加工的精度明显 高于拉削加工。 3 ） 选用越程槽结构不但可以大幅度减少应力 集中且易于保证加工精度， 适用于圆柱滚子轴承
表1 某型圆柱滚子轴承保持架相关几何参数
参数 保持架内径 / mm 保持架外径 / mm 保持架宽度 / mm 保持架兜孔个数 方兜孔边长 / mm 滚子直径 / mm 滚子长度 / mm 滚子有效长度 / mm 滚子最小圆角半径 / mm 保持架兜孔圆角半径 / mm 数值 183． 8 196 20 20 13． 3 13 13 7． 8 1． 1 0． 2
钻头钻削， 兜孔工作表面采用铣刀加工。 经测试表明， 方案 2 加工质量稳定性高于方 案 1， 且可以明显提高保持架兜孔加工精度和表面 质量， 其具体测试数值见表 4 ， 又由于方案 2 结构 更便于储油和润滑， 故确定其为最终改进结构。
表4
指标 位置度 / mm 等分度 / mm 兜孔相互差 / mm 倾斜度 / mm 表面粗糙度 Ｒa / μm
Optimal Design of Cage for Cylindrical Ｒoller Bearing
Gong Ping， Zhang Jingjing， Liu Haibo， Zhang Ｒuisheng
（ AVIC Harbin Bearing Corporation，Harbin 150000 ，China） Abstract ： The influencing factors are explained about fracture of cage． Taking a certain type of cage for cylindrical roller bearing as an example，two kinds of schemes are presented for improving structural design of cage pocket． The stress analysis for cage structure is compared by using ANSYS． At the same time，according to improved structural design， the effect is compared after processing technology，and the appropriate improvement scheme is selected． Key words： cylindrical roller bearing； cage； structure design； ANSYS
图2
单个兜孔结构三维模型建立
图3
源自文库
兜孔结构过梁圆角网格划分
表2
材料特性 弹性模量 / GPa 泊松比 热膨胀系数 / ℃
保持架材料特性
数值 200 0． 3
－1
图4
兜孔过梁越程槽网格划分
2. 3
施加约束与载荷 滚子采用部分凸度的修形方式， 为模拟圆柱
13. 4 7 850 815
滚子对保持架的冲击力， 对保持架兜孔过梁处一 组节点构成的接触线施加线载荷，接触线长度与 滚子设计时有效长度相等， 为 7． 8 mm， 此分析旨 在研究同样载荷条件下的过梁连接处结构应力， 因此， 取法向载荷 1 170 N， 约束上下端面， 如图 5 所示。
［ 4］ 张朝晖． ANSYS 工程应用范例入门与提高［M］ ．北 解决传统理论计算过程相对复杂的问题， 在设计 验证中相比传统理论计算方法具有一定的优势。 在产品设计开发过程中， 可以将 2 种计算结果结 合起来， 从而提高设计开发的可靠度。 参考文献：