弹性复合圆柱滚子轴承径向刚度分析

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1、弹性复合圆柱滚子轴承径向刚度分析第一章绪论1.1研究背景、目的及意义轴承作为一种基础的承载和传递压力的机械元件，它主要是由滚动体支承轴，与机座作相对旋转运动。在旋转机械系统中，轴承的力学性能对整个系统的力学性能有很大的影响，目前被广泛应用于数控机床、航空航天、铁路等重要的工业系统中。传统的轴承按照滚动体的形状可以分为圆柱滚子轴承和圆珠滚子轴承，而圆柱滚子轴承又可以分为实心圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承。圆柱滚子轴承的滚动体与内外圈之间的接触为线接触，受力面积要明显高过点接触的圆珠滚子轴承，故相同规格的圆柱滚子轴承的承载能力要普遍优于圆珠滚子轴承。圆柱滚子轴承的优点是承载能力强，但是也存

2、在着振动大、传动精度不高等缺点。而圆柱滚子轴承的主要失效形式为滚动体上靠近滚动体两端的区域发生接触疲劳破坏,这是因为圆柱滚子轴承在受载时滚动体两端接触面积要小于中心处，两端的应力要大于中心处的应力，因而不可避免的产生了“边缘应力集中”现象。由于边缘应力集中的存在，使得圆柱滚子轴承的寿命要远远小于预期的寿命。为了克服边缘应力集中,国内外许多学者都进行了大量的研究,十九世纪三十年代Lundberg提出了母线修形的基本理论,到了60年代瑞典的斯凯孚轴承公司进一步发展了滚子轴承的修形技术；在国内，大连交通大学的魏延刚教授根据前人的成果，提出了一种新的对数修行方法[1]。以上所述的方法都能改善实

3、心圆柱滚子轴承的边缘效应，但是并不能完全消除边缘效应，实际工况中实心圆柱滚子轴承的接触疲劳破坏仍旧是其主要的失效形式。随着科技的发展，实心圆柱滚子轴承在很多工况下不能满足需求，空心圆柱滚子轴承大约在百年之前被提了出来，由于空心滚子轴承具备较高的传动精度和振动性能等优点而一直广受重视，成为学者们研究的重点对象,目前已经广泛应用于高速轻载、低速重载等复杂工况中。到了上世纪70年代，空心圆柱滚子轴承制造技术逐渐成熟，并形成了系列化产品。我国从上世纪80年代开始对空心圆柱滚子轴承进行研究，前北京轴承厂在引进国外技术的基础上，在理论研究、产品设计、制作工艺、现场试验等方面取得了较大的成果，到了上

4、世纪九十年代已经能实现批量生产，并应用于各种机械系统中。在理论研究方面，罗虹从摩擦学的角度对空心圆柱滚子轴承滚动体的接触状况进行了数值计算和分析研究，通过滚动体的压纸实验分析了滚动体和滚道的接触状况，并给出了空心圆柱滚子轴承接触半宽以及切应力的计算方法[2]。陈家庆将空心圆柱滚动体简化成曲梁，给出了计算单个空心圆柱滚动体的变形与应力计算方法[3]。但是空心圆柱滚子轴承在使用中也发现了一些新的问题，其中受载的空心圆柱滚动体处于周期性的交替变形状态，空心滚动体内壁的弯曲疲劳断裂成为其主要的失效形式，从而内壁的弯曲应力大小成为了评估空心圆柱滚子轴承的一个重要准则。近些年，随着我国工业水平的不

5、断提高，在各种高速以及复杂工况下，对轴承的要求越来越高。实心圆柱滚子轴承存在传动精度不高、振动噪声大、高速和重载情况下容易损坏等不足，空心滚动体处于周期性的交替变形状态，空心滚动体的内壁容易发生弯曲疲劳断裂，研制具有高转速、高寿命、高精度的轴承在工程上具有特别重要的意义。弹性复合圆柱滚子轴承就是能够同时改善实心圆柱滚子轴承和空心圆柱滚子轴承不足的一种新型轴承，其实质就是在空心圆柱滚子轴承的滚动体中嵌入聚四氟乙烯材料，在空心滚动体内部的两端设计了带斜度的深穴，从而达到了改善滚动体边缘应力集中的作用,结构如图1-1所示。弹性复合圆柱滚动体与内外圈接触比实心圆柱滚动体与内外圈接触的接触半宽更

6、大，接触应力更小；由于深穴的作用，使得滚动体两端的接触区域增大，有效的改善边缘应力集中现象。由于内部填充物的作用，弹性复合滚动体内部的弯曲应力比空心圆柱滚动体内部的弯曲应力更小，从而延长了轴承的弯曲疲劳寿命。1.轴承外圈2.滚动体外圈3.滚动体内部填充物4.轴承内圈5.弹性复合圆柱滚动体图1-1弹性复合圆柱滚子轴承结构图基于上述研究背景与意义，申请了专利“一种弹性复合圆柱滚子轴承”，进而申报了国家省自然科学基金项目“弹性复合圆柱滚子轴承设计理论与关键技术研究”（项目编号：51175168）、湖南省科技计划项目“弹性复合圆柱滚子轴承设计理论与应用研究”（项目编号：2011GK3148）、

7、湖南省科技计划项目“新型弹性复合圆柱滚子轴承优化设计及在工程机械领域的应用”（项目编号：2012GK3092）。由于刚度是轴承最重要的使用性能之一，影响到轴承的动态特性以及轴承寿命，本文从复合滚子轴承的基本结构形式特性出发，对弹性复合圆柱滚子轴承的静态径向刚度和动态径向刚度进行了深入细致的研究，推导出弹性复合圆柱滚子轴承刚度计算模型，并用实验加以验证，为后续的研究做铺垫。1.2国内外研究现状及水平1.2.1轴承接触问题的发展与现状接触问题是一个