轴承1上产生的派生轴向力S1对于轴承2来说是外力,使轴承2有压紧的趋势,故定S,为“十”。图中外力口轴向力Fa也使轴承2有压紧的趋势,所以也定为“+”;故作用在轴承2上的轴向外力为(Fa+S1)。现就Fa+S1与S2的值相比较,讨论如下:
(2)若Fa十S1>S2,则轴承2有向右移动的趋势,而轴承端盖给轴承外圈反力△S2,△S2通过轴承外圈作用在轴承2中滚动体上的法向力如图3所示,其中径向分力相互平衡,而轴向分力使轴承2内向左方向的轴向内力增加△S2,从而使轴承2上所受的轴向外力与轴向内力相平衡,即:
(3)若Fa十S1
Fa+S1+△S1=S2
故作用在轴承2上的轴向载荷为S2。
根据以上三种情况分析可知,作用在轴承2上的轴向载荷Fa2,只要看作用在轴承2上的外力(Fa+S1)或派生轴向力S2哪一个大,就取哪一个为Fa2。
实例分析
轿车轮毂轴承轴向载荷特性分析:针对轿车实际行驶工况,基于静力学分析方法,建立简化的轿车行驶单轨模型,对轿车轮毂轴承轴向载荷特性进行分析。
轿车
轮毂轴承的外部载荷是复杂多变的。在实际行驶当中,路况、行车速度、转弯半径和轮胎特性等都显著影响着轮毂轴承的寿命与性能。我们有汽车径向、轴向的轮胎载荷计算公式,但没有给出汽车在转弯状态下相应的计算方法或结果。从忽略
曲线行驶阻力、轮胎切向力以及滚动阻力等,建立线性化的汽车刚体开始。
轮毂轴承的外部载荷通过轮胎施加在轮毂轴承上,即在轿车的实际行驶过程中,路面对轮胎的径向、轴向载荷等间接作用在了轮毂轴承上。根据力的传递特性,可认为轮毂轴承外部载荷等价于轮胎的外部载荷。汽车的
侧向加速度由汽车转弯半径和行驶速度直接决定,其中,汽车的转弯半径与前轮转向角紧密联系。
分析表明:由于车身结构的固有频率大多低于15Hz,所以当轿车在行驶时的振动频率低于15Hz时,可将车身运动假设为刚体运动。并且,轿车前、后部分质量耦合关系不明显。忽略汽车转向系、轮胎和悬架的惯性、阻尼、弹性等非线性特性因素以及汽车横摆,假设汽车质心在路面上,并且系统是线性的,质心上作用的离心力不会改变两侧载荷的大小,即认为汽车只有前、后两个轮胎,质心在连接前、后轮的刚性架上,将轿车运动简化成为基本的线性化刚体运动,建立起刚性的汽车线性单轨模型。
汽车的坐标系固定于轮胎中心,其原点与轮胎的几何中心重合。设定x轴指向轮胎正前方,y轴指向左侧,z轴通过轮胎质心指向正上方。考虑一般情况,以前轮驱动的轿车为代表,汽车在横坡角为β的坡道上以固定转向角α和恒定速度v稳态转弯,建立刚性汽车单轨模型如下图所示。
轴向载荷对载荷分布的影响
当
向心推力轴承承受径向载荷R时,由于滚动体与滚道的接触线与轴承轴线之间夹一个接触角α,因而各滚动体的反力Ni并不指向半径方向,而是沿接触点的法线方向,它可以分解为一个径向分力和一个轴向分力。用Pi代表某一滚动体反力的径向分力,则相应的轴向分力Fdi应等于Pi tanα。所有径向分力Pi的合力R’与径向载荷R相平衡;所有的轴向分力Fdi之和组成轴承的派生轴向力Fd,它迫使轴颈(连同轴承内圈和滚动体)向右移动,并最后与轴向力Fa平衡。
当只有一个滚动体受载时,即载荷角和接触角相等。当受载的滚动体数目增多,虽然在同样的径向载荷Fr的作用下,但派生的轴向力Fd将增大。因这时作用于各滚动体上的径向反力Pi的方向各不相同,它们的向量和R’虽然与Fr平衡,但其代数和必大于Fr,而派生的轴向力Fd是由各个Pi分别派生的轴向力Fdi合成的,其值应按Fdi的代数和计得。所以在同样的径向载荷Fr作用下,由作用于各滚动体上Pi的分别派生的轴向力所合成的轴向力Fd,将比只有一个滚动体受载时派生的轴向力大。
以上分析说明:
(1)
向心推力轴承必须在径向载荷R和轴向力A的联合作用下工作。
(2)对于同一轴承,在同样的径向载荷R作用下,当受载的滚动体数目不同时,就派生出不同的轴向力S,也就需要不同的轴向力A来平衡它。或者反过来说,在径向载荷R不变的条件下,当轴向力由最小值(Fa=Fr*tanα)这时由一个滚动体受载)逐步增大(即β角增大),这意味着轴承内接触的滚动体数目逐渐增多。
对实际工作的向心推力轴承,为保证它能可靠地工作,应使它至少达到下半圈滚动体全部受载。因此安装这类轴承时,不能有较大的轴向窜动。