角接触球轴承摩擦力矩特性研究

角接触球轴承摩擦力矩特性研究 作者 邓四二 李兴林 汪久根 滕弘飞来源 机械工程学报演讲 鲁豫鑫学号 11721167 1轴承摩擦力矩简介2摩擦力矩的计算3角接触球轴承摩擦力矩实验4实验结果与分析5球轴承摩擦力矩研究发展趋势 滚动轴承在旋转过程中 由于其外圈 内圈 保持架 钢球 密封圈五大件之间互相接触 故存在着摩擦阻力 轴承摩擦阻力是影响轴承寿命 影响控制系统的可靠性和精确性的重要因素 尤其对于高科技使用的轴承 如卫星反作用飞轮 导航平台以及仪表等设备的定向及定位系统等 均需要更加严格的摩擦力控制 轴承摩擦阻力的性能一般按两种方法进行评定 一种是灵活性检查 采用徒手检查的方法 检查轴承在旋转时的阻滞现象 以定性的粗略判断其轴承摩擦阻力大小 另一种是以摩擦力矩来衡量 这也是一种科学的客观的测量方法 1945年Palmgren提出轴承摩擦力矩理论计算公式以来 球轴承摩擦力矩的理论及实验研究都得到迅速发展 但这些研究大都建立在轴承拟静力学分析基础上 仅仅适合中 低速球轴承摩擦力矩的分析计算 对于高速球轴承摩擦力矩的分析计算 其误差较大 定义 轴承在旋转过程中阻碍其运动的力矩的总和 轴承摩擦力矩的种类1 静态力矩 启动力矩 轴承两套圈从静止状态到开始相对转动的一瞬间所需克服的摩擦阻力矩 2 动态力矩 轴承两套相对转动时所需克服的摩擦阻力矩 3 准静态力矩 日本学者曾根据静动态力矩成因相近的理论 提出了利用极低转速下测量动态力矩可以近似获得静态力矩的方法 这种力矩称为准静态力矩 摩擦力矩的计算 1 一般计算方法式中 M0为与轴承载荷大小 润滑剂用量 粘度及转速有关的摩擦力矩分量 M1为与轴承载荷大小 滚动体和滚道间接触弹性变形量有关的摩擦力矩分量 f1为载荷系数 P1为由摩擦力矩分量M1决定的轴承载荷 dm为轴承平均直径 f0为考虑轴承结构和润滑方法的系数 n为轴承转速 为润滑剂的运动粘度 对于润滑脂 则为基油的粘度 2 本文的计算方法本文拟在角接触球轴承动力学分析基础上 利用能量守恒原理 建立角接触球轴承的摩擦力矩理论计算公式 分析轴承工况参数和结构参数对轴承摩擦力矩的影响并加以试验验证 根据角接触球轴承内部摩擦特点 引起角接触球轴承摩擦力矩的主要因素有滚动材料的弹性滞后 滚动体与滚道之间的润滑剂的粘性 滚动体与滚道之间差动滑动 滚动体在滚道上的自旋滑动 滚动体与保持架之间的摩擦和保持架与引导挡边摩擦 这6个因素引起的摩擦力矩的总和即为角接触球轴承摩擦力矩 钢球与滚道之间的弹性滞后引起的摩擦力矩钢球在滚道上滚动时由于材料的弹性滞后性质 对角接触球轴承产生一个摩擦力矩 第j个钢球经历一个受载循环的滞后损耗能量为 式中 材料弹性滞后系数 对钢可取 0 01Qi e 每粒球与滚道间的接触负荷 钢球和套圈的泊松比E1 E2 钢球和套圈的弹性模量ki e 接触椭圆的椭圆率Ri e j 钢球与滚道接触处轴承旋转轴的距离 i e 接触面的曲率和 i e i e 第一类和第二类完全椭圆积分 根据能量守恒 因弹性滞后引起的角接触球轴承摩擦力矩分量为 流体动压引起的摩擦力矩钢球与滚道接触处的能量损耗可以由润滑油中的内摩擦所耗用的能量来确定 式中 d 润滑油膜厚度 润滑油粘度p 接触区压力v1 v2 钢球和滚道在接触点处的线速度因润滑油油膜引起的角接触球轴承摩擦力矩分量为 差动滑动引起的摩擦力矩钢球与滚道之间差动滑动摩擦所消耗能量为 式中 D 滚动体与滚道之间接触摩擦因数v 滚动体与滚道在接触面差动滑动方向上的相对速度差 受载后滚动体与滚道之间弹性接触变形产生的椭圆接触面区域因角接触球轴承钢球差动滑动引起的角接触球轴承摩擦力矩分量为 自旋滑动引起的摩擦力矩钢球单位时间内相对内滚道自旋摩擦消耗的能量为式中 i e s 钢球在轴承内 外 滚道上的自旋分量 s 滚动体与滚道之间自旋摩擦因数因角接触球轴承钢球自旋滑动引起的角接触球轴承摩擦力矩分量为 钢球与保持架之间的摩擦引起的摩擦力矩单位时间内所有钢球与保持架兜孔作用所消耗的能量应等于单位时间内轴承摩擦力矩Mc所消耗的能量 可得 单位时间内第j个钢球滑动摩擦力和滚动摩擦力所消耗的能量Esj和ERj分别为式中 h 材料弹性滞后因数 Fs j Fs j 钢球与保持架接触面入口区的流体FR j FR j 滑动摩擦力 保持架与引导挡边摩擦引起的摩擦力矩轴承因保持架与引导挡边摩擦引起的轴承摩擦力矩如下 式中 Mcx 流体动压油膜对保持架表面产生的摩擦力矩 可由角接触轴承的动力学分析给出 c 保持架旋转角速度 1 心轴2 加载系统3 制动块4 被测试轴承5 试验头6 轴承座7 联轴器8 直流电动机 角接触球轴承摩擦力矩试验台 被测试轴承采用自润滑的多孔聚酰亚胺保持架 保持架兜孔分别采用圆形和方形形状 内外圈及钢球材料为9Cr18 轴承详细尺寸参数见右表 工况 载荷81N 温度40 外圈旋转 内圈静止 角接触球轴承的转速与摩擦力矩关系 实验结果与分析 轴承转速对轴承摩擦力矩的影响 轴承载荷对轴承摩擦力矩的影响 轴承工作温度对摩擦力矩的影响 其他影响因素 1 角接触球轴承在低速工作时 较大的内外沟曲率半径系数有利于角接触球轴承摩擦力矩的减低 高速时 较小的内外沟曲率半径系数更有利于角接触球轴承摩擦力矩的减少 2 过大 过小的保持架引导间隙都不利于角接触球轴承摩擦力矩的降低 存在一个合理的保持架引导间隙 对于本文研究的角接触球轴承 保持架引导间隙在0 25mm时角接触球轴承摩擦力矩最小 3 低速时 选用方柱型直兜孔保持架有利于角接触球轴承摩擦力矩降低 高速时 选用圆柱直兜孔保持架有利于角接触球轴承摩擦力矩降低 球轴承摩擦力矩研究发展趋势 动力学分析公式的建立波动性研究降低摩擦力矩技术 参考文献 1 邓四二 李兴林 汪久根 滕弘飞 角接触球轴承摩擦力矩特性研究 机械工程学报 2011 03 114 120 2 朱爱华 朱成九 张卫华 滚动轴承摩擦力矩的计算分析 轴承 2008 07 1 3 3 郑传统 徐绍仁 杨德卿 梁波 高银涛 球轴承摩擦力矩