低噪音深沟球轴承振动特性研究

低噪音深沟球轴承振动特性研究

胡静

黑龙江省哈尔滨轴承集团公司 黑龙江省哈尔滨市 150030

摘要：在滚动轴承动力学分析理论基础上建立含轴承零件工作表面波纹度的深沟球轴承动力学数学模型，并以某型号低噪音深沟球轴承为例，对不同结构参数、工况参数及谐波参数下低噪音深沟球轴承的振动特性进行理论分析。结果表明，合理选取径向游隙、内外沟曲率半径系数及保持架兜孔间隙等参数能使轴承本身达到减振降噪目的;振动值随轴承宽度增加逐渐减小;施加一定轴向载荷能有效降低轴承振动;存在的合理转速使用范围能有效降低轴承振动;内外滚道谐波阶次等于钢球数目整数倍时，轴承振动明显加剧;偶次谐波阶次钢球表面波纹度对轴承振动有激励作用;轴承旋转套圈会激励更大的轴承振动值;瞬时载荷增加或瞬时速度提高均会致轴承振动增大。

关键词：深沟球轴承；低噪音；表面波纹度；振动探究；

一、深沟球轴承振动与噪音概述

1.深沟球轴承振动与噪音形成机理

从物理学的观点看，噪声是指声强和频率的变化都呈无规律的杂乱无章的声音。物体振动会辐射噪声，机械噪声来源于机械部件的交变力。根据力的传递和作用，这些交变力一般分为周期性作用力、撞击力和摩擦力三大类。一个周期性的作用力必定会激发机械零部件的稳态振动，同时产生噪声并以声能形式向四周辐射出去。轴承振动主要有两个来源∶一是轴承受外来激励引起轴承的固有频率，指轴承内圈、外圈、滚动体及保持架的固有振动;二是由于运动部件互相接触碰撞、摩擦而引起的强迫振动，包括由于滚动体不是理想的球体、内外沟道接触点运动的轨迹不是理想的圆（圆度、波纹度）、滚动面不是理想的光滑表面（粗糙度）以及滚动体和保持架在运动中的冲撞和润滑剂中的杂质等引起的强迫振动。从原理上来讲这种稳态振动是很难完全消除的，要控制这种噪声，最根本的方法是消除或减小引起振动的激励力。相当多机械噪声主要来源于机械零部件的互相撞击，要降低这种噪声首先要降低振动的水平或增加阻尼。摩擦噪声是摩擦物体互相摩擦所激发的噪声，摩擦力大，则振动幅值大。因此克服摩擦噪声的基本法是减小摩擦力。

振动和声音有密切的关系，但从某种意义上略有差别，那就是声起源于振动，声是振动在空气中的传播给人以听力的感觉。人类可听的频率范围一般在20Hz～20000Hz之间，超出此范围的振动频率人是听不到的。

2.轴承振动噪声的影响因素

（1）轴承设计固有振动噪声。假如轴承的各种控制尺寸均为理想尺寸（内外滚道和滚动体均为真圆，有游隙），不存在任何几何误差，甚至在滚动体和套圈之间产生纯净的连续流体油膜条件下，但轴承旋转时仍然会产生振动和噪声，其原因在于轴承本身，也就是说是由于轴承本身的结构性质。因此轴承的固有振动噪声主要有两个原因引起的。第一是由于来自滚动体方向的作用力引起的轴承套圈的弹性变形。轴承套圈与滚动体一起以多边形形状旋转，在承受来自滚动体方向的接触载荷作用下产生弯曲变形，而形成固有振动。并以周围零件或周围介质（如空气）为传播媒体向外传播声波。第二是由于径向载荷作用，轴承旋转时其刚度的变化。

（2）与轴承加工制造误差有关的振动噪声。除轴承结构影响振动与噪声外，轴承零件的加工制造精度误差都会引起轴承的振动与噪声，如沟形偏差、滚道圆形偏差、滚道波纹度和粗糙度、滚动体尺寸相互差、套圈壁厚差等。而这些因素在某种程度上说是可以避免的。

（3）使用过程对振动与噪声的影响。轴承零件工作表面硬度较高，其硬度在60HRC以上，但是，若表面在精加工后受到磕碰、外物撞击或使用过程中磨损、剥落、锈蚀及外物侵入等引起损伤，即使是微小的伤痕也会引起轴承的强迫振动。这类属于使用维护不当造成的，此外防尘盖、密封圈压入不当引起滚道变形，也是此类问题。

二、深沟球轴承动力学性能分析

1.结构参数对球轴承振动影响

设轴承在环境温度下工作，各零件接触表面为理想真圆，内圈转速10000r/min，轴承径向平面内Y轴向径向载荷1200N，径向平面内Z轴向径向载荷0N，轴向载荷（X轴向）0N。分析结果取轴承内圈质心Y轴向径向振动加速度级描述整个轴承振动水平。对冲压浪型保持架，一般有椭圆形球兜孔与圆形球兜孔两种形状。圆形球兜孔保持架球兜孔半径与深度相等;而椭圆形球兜孔保持架球兜孔半径与深度不相等。本文将保持架球兜孔半径与深度差值定义为保持架球兜孔偏心距，用符号e表示。保持架球兜孔偏心距与轴承振动关系看出，具有一定球兜孔偏心距的保持架能有效降低轴承振动。随偏心距逐渐增大轴承振动呈先减小后增大趋势。该型号轴承保持架球兜孔偏心距最佳值为0.04mm。

2.工况参数对球轴承振动影响

设轴承内圈旋转、外圈静止，轴承径向游隙取11μm，采用冲压浪型保持架。轴向预载荷对轴承振动影响。在内圈转速n2=11000r/min、径向平面内Y轴向轴承径向载荷1200N工况下轴向预载荷与轴承振动关系，与轴承寿命关系看出，对深沟球轴承施加一定轴向预载荷可有效降低轴承振动，且轴向预载荷与轴承额定动负荷之比在0.53%～0.89%之间时，轴承振动最小。此分析与前人研究结论一致。对深沟球轴承施加一定轴向预载荷利于提高轴承疲劳寿命，且轴向预载荷与轴承额定动负荷之比在0.05%~0.4%之间时，轴承疲劳寿命最长。综合上述结果，对深沟球轴承，轴向预载荷能有效降低轴承振动、提高其疲劳寿命，但较难确定能同时使轴承寿命最大、振动最低的最佳轴向预载荷，低噪音深沟球轴承轴向预载荷选取可在满足使用寿命下使轴承振动最低的合理轴向预载荷。

3.工艺谐波参数对振动影响

设轴承内圈转速10000r/min，外圈静止，径向游隙取11μm，采用冲压浪型保持架;轴承径向平面内Y轴径向载荷1200N，Z轴径向载荷0N，轴向载荷0N。分别对不同谐波参数下轴承进行动态仿真分析，获得各零件接触表面谐波参数对轴承振动影响关系。外滚道表面波纹度对轴承振动影响。设轴承内滚道及钢球表面为理想几何形状，仅外滚道表面存在加工形状误差。可知，谐波阶次及幅值对轴承振动均有较大影响。谐波阶次一定时，幅值越大轴承振动越剧烈;随谐波阶次逐渐增大，轴承振动值呈递增趋势;谐波阶次为钢球数目整数倍时，轴承振动明显增大。与相关研究结论一致。（z+1）次谐波与（z-）次谐波对轴承振动影响基本相同。由外滚道波纹度激励的轴承振动频率可知，当外滚道谐波阶次为9时，激励频率为592Hz，与理论计算的变刚度频率/=s=597.36Hz较接近，误差为0.9%;当外滚道谐波阶次为18时，激励频率为1184.1Hz，是变刚度频率的2倍。

结束语

综上所述，可知，合理优化轴承结构参数，能从设计角度降低轴承振动、噪声。如选择具有对称结构的浪形保持架较尼龙保持架更利于降低轴承振动值;浪型保持架所具有的偏心距能进一步降低轴承振动值。对低噪音深沟球轴承施加一定轴向载荷，可有效降低轴承振动值，轴向载荷取（0.53%～0.89%）Cr为宜。轴承旋转套圈激励的轴承振动值更大，内、外滚道谐波阶次等于钢球数目整数倍时，轴承振动会明显加剧。

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