【正文】 。由于形成光滑連續(xù)的曲線，其切點(diǎn)附近基本不存在壓力奇異分布現(xiàn)象，但曲率有階躍，壓力集中現(xiàn)象并未完全消除。一般情況下，不存在壓力奇異分布現(xiàn)象，能滿足較高的精度要求，是目前應(yīng)用較為廣泛、比較好的滾子凸型。5）對數(shù)母線型滾子，凸型為一條特殊對數(shù)函數(shù)曲線。該曲線在中部70%的長度上接近于直線，在滾子兩端曲率變化很快，接觸壓力沿長度方向均勻分布，是最為理想的壓力分布，最有利于承載。當(dāng)受偏載荷時，它的壓力分布更優(yōu)于上述各種凸型的滾子。所以說對數(shù)母線滾子是最理想的凸度滾子。6）對數(shù)母線型滾子的優(yōu)越性。接觸壓力集中系數(shù)γ的對比(見表32)表32 接觸壓力集中系數(shù)γ的對比類型接觸壓力集中系數(shù)備注直線型兩端壓力奇異分布最大點(diǎn)在兩端圓弧半凸型兩交點(diǎn)處壓力奇異分布最大點(diǎn)在兩交點(diǎn)圓弧全凸型最大點(diǎn)在中間修正線型最大點(diǎn)在相切處對數(shù)型0均勻分布——接觸負(fù)荷分布的最大線負(fù)荷密度，N/mm——接觸負(fù)荷分布的平均線負(fù)荷密度，N/mm壽命對比試驗(yàn)(見表33)表33 壽命對比試驗(yàn)滾子類型對數(shù)型修正線型直線型L10壽命（107循環(huán)）壽命對比試驗(yàn)再次證明，對數(shù)母線滾子的統(tǒng)計(jì)壽命最高，他們的L10壽命之比為，對數(shù)型∶修正線型∶直線型 = ∶∶1。因此，對數(shù)母線凸型是滾子凸度設(shè)計(jì)應(yīng)用的優(yōu)選凸型。同時建議在廣泛采用對數(shù)凸型之前，滾子凸度設(shè)計(jì)應(yīng)使用應(yīng)力求凸型使曲線連續(xù)光滑，且其曲率變化應(yīng)平緩。 目前設(shè)計(jì)在存在的問題目前，我國圓柱滾子軸承的使用壽命僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家同類產(chǎn)品的1/8~1/12，滾子的破壞比國內(nèi)外分別占80%%。其主要原因之一是國內(nèi)的滾子大都不帶凸度，致使軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中滾子兩端出現(xiàn)邊緣效應(yīng)，使?jié)L子兩端過早疲勞磨損而失效。經(jīng)過系統(tǒng)的論證滾子凸型對接觸壓力分布的影響，通過理論分析和壽命對比試驗(yàn)得出：對數(shù)母線凸型是滾子凸度設(shè)計(jì)優(yōu)先選用的凸型。 目前，國內(nèi)的不少滾針生產(chǎn)廠家缺乏對滾針凸度的真正意義上的研究。沒有對滾針的凸型和凸度量系統(tǒng)的分析設(shè)計(jì)，導(dǎo)致滾針質(zhì)量較國外先進(jìn)行業(yè)的同類產(chǎn)品的承載能力和使用壽命都有很大的距離。為提高滾針軸承產(chǎn)品的性能質(zhì)量及其配套產(chǎn)品的使用性能和可靠性，減少產(chǎn)品發(fā)生早期失效現(xiàn)象，滾針產(chǎn)品凸型最優(yōu)選擇和凸度量的優(yōu)化計(jì)算設(shè)計(jì)迫在眉睫。 改進(jìn)意見 對于滾子出現(xiàn)的“邊緣效應(yīng)”，凸度技術(shù)的應(yīng)用是改變這一現(xiàn)象的有效措施。理論和實(shí)踐均表明，滾子表面的幾何特性，或者說其母線的型式對其承載能力和接觸疲勞壽命有決定性的影響。“凸度技術(shù)”包括：凸度型式設(shè)計(jì)到制造、檢測技術(shù)。對三輪摩托車發(fā)動機(jī)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的實(shí)際載荷和受力情況進(jìn)行具體的分析調(diào)查，并進(jìn)行多體系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究，根據(jù)三輪摩托車發(fā)動機(jī)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。最后進(jìn)行計(jì)算分析及結(jié)果處理，建立研究三輪摩托車發(fā)動機(jī)的曲柄連桿總成的慣性力數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)用ANSYS等有限元分析軟件對滾針設(shè)計(jì)各凸型和不同的凸度量運(yùn)算分析，得出最優(yōu)的凸型和凸度量，從而減少甚至消除滾針的邊緣效應(yīng)，增加滾針的承載能力和抗疲勞特性，提高滾針軸承的使用壽命，整體提高三輪摩托車發(fā)動機(jī)的性能和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，為三輪摩托車使用者提供更舒適的駕駛感受。 凸度滾子的接觸間題屬非Hertz彈性接觸問題。近20年來，隨著計(jì)算機(jī)硬軟件的發(fā)展，三維有限長彈性接觸問題的數(shù)值分析法研究已有長足進(jìn)展，、幾何形狀與尺寸等靜態(tài)參數(shù)，并沒有考慮工作速度、潤滑劑特性等動態(tài)參數(shù)。眾所周知，滾動軸承一定是在潤滑條件下工作，其滾動體和滾道被彈流油膜所隔開，此油膜的厚度不僅與載荷和幾何尺寸有關(guān)，而且還與滾動速度和潤滑劑性能有關(guān)，而油膜的壓力分布也與靜彈性接觸狀態(tài)時不同。所以說不僅是接觸壓力的大小和分布，而且潤滑狀況和滾動速度均對其承載能力、速度性能、工作溫度和使用壽命有很大的影響，它們都是凸度滾子軸承設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，故用三維有限長彈性接觸理論所得到的最佳凸度量沒有考慮到潤滑劑和滾動速度等因素對接觸壓力分布的影響，同時該方法也無法設(shè)計(jì)潤滑膜厚度。有限長線接觸彈流理論不僅可從最佳接觸壓力分布角度，而且也能從最佳油膜厚分布角度進(jìn)行凸度設(shè)計(jì)，故對滾子滾道接觸副的凸度分析與潤滑設(shè)計(jì)，改善使用性能和提高使用壽命有重要的實(shí)際意義，是考慮因素更為全面的凸度優(yōu)化設(shè)計(jì)新理論。 盡管考慮凸度等實(shí)際因素的有限長線接觸彈流研究目前還處于艱難的探索中，然而畢竟已取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，并且已從實(shí)驗(yàn)和理想條件下的有限長線接觸彈流數(shù)值計(jì)算兩個方面證明： （1）對數(shù)凸型滾子的油膜形狀、油膜厚度均優(yōu)于用二次曲面修形的滾子，各種凸型滾子的凸度量對其端部的油膜厚度和膜形分布影響很大。 （2）通過比較可知，對于給定的工況條件，必定存在彈流膜厚度最厚和膜形最均勻的最佳凸度量，且此凸度量定大于在相同工況條件下用彈性接觸力學(xué)方法求得的最佳凸度量。[9]滾針的凸度決定了滾針軸承的與滾道間接觸壓力的分布狀況，是影響曲柄連桿總成的主要因素之一。改善滾針的凸度工藝技術(shù)，分析軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應(yīng)力分布的影響，提出對三輪摩托車適用的滾針凸度類型和凸度量，避免接觸壓力分布出現(xiàn)“邊緣效應(yīng)”，提高連桿滾針軸承的性能和使用壽命。對相交圓弧修形輪廓和對數(shù)輪廓兩種凸形滾針，不同凸度量的對數(shù)輪廓滾針，以及不同載荷和速度下相同凸度量的對數(shù)輪廓滾針的擺動疲勞壽命試驗(yàn)[10]證實(shí)：（1）對數(shù)輪廓滾針的潤滑狀態(tài)和承載能力明顯好于相交圓弧修形滾針；（2）凸度量不足會導(dǎo)致邊緣效應(yīng)，但凸度量過大同樣會降低承載能力，對于確定工況凸度量存在最優(yōu)值；（3）對于凸度量相同的一組滾針，高速輕載工況下的承載能力明顯好于低速重載工況，這與高速輕載工況下的潤滑狀態(tài)較好有關(guān)。凸度設(shè)計(jì)屬于精細(xì)幾何設(shè)計(jì)，以微米為計(jì)量單位，它包含兩部分內(nèi)容：凸型選擇和凸度量設(shè)計(jì)。凸度量是距滾子或滾道端部距離處的輪廓表面在半徑方向上的跌落量（如圖36所示）。隨的不同而改變，其大小由軸承中承受載荷最大的滾子上所受的載荷和軸承的結(jié)構(gòu)形式來確定。圖36 凸度滾子參數(shù)定義滾針軸承有限長線接觸屬非Hertz彈性接觸問題。對于此類問題的研究，可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中的影響系數(shù)法，將光滑表面彈性接觸問題的主導(dǎo)方程 (Fredholm積分方程) 311 離散為一組n階線性代數(shù)方程： 312 借助數(shù)值計(jì)算方法，能夠計(jì)算出滾針和滾道之間的接觸應(yīng)力。式中：R——材料常數(shù)，與兩接觸體材料的彈性模量、泊松比有關(guān)；fij——影響系數(shù)，是作用于單元j上單位壓力，使單元i中心處產(chǎn)生z方向上變形，μm（計(jì)量單位）；pj——單元j中心的壓力樣本值，N；p——總的外載荷，N；δ——滾針和滾道之間相對彈性壓縮量，μm。同時，當(dāng)單元j的面積為Aj時，接觸壓力應(yīng)滿足平衡條件和物理?xiàng)l件滾針的凸度設(shè)計(jì)是提高軸承壽命和承載能力的重要措施，包括兩部分內(nèi)容：凸型選擇和凸度量計(jì)算。Lundberg于1939年利用彈性理論的勢函數(shù)法研究表明，滾子最佳凸度輪廓是對數(shù)型，對于長度小于滾道寬度的彈簧卡圈和沖壓套圈結(jié)構(gòu)滾針軸承中的滾針，給出了對數(shù)凸型的凸度量T的計(jì)算公式 314 式中 ；Q——作用在滾針上的最大荷載，N；L——滾針的有效接觸長度，mm； lt——滾針全長，mm；D——滾針直徑，mm。目前，滾針的凸度設(shè)計(jì)仍以靜彈性接觸理論為基礎(chǔ)，以有限長圓柱體與半無限體接觸為力學(xué)模型。隨著數(shù)值計(jì)算方法的發(fā)展，三維有限長彈性接觸問題數(shù)值分析的研究已成功地應(yīng)用于滾子類軸承的凸度設(shè)計(jì)中[11]。 在滾針的凸度量設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合滾針的實(shí)際加工需求，考慮滾針端部的倒角對凸度設(shè)計(jì)的影響，結(jié)合實(shí)際輪廓得出滾針的最佳凸度量，克服邊緣效應(yīng)，使其在整個接觸長度上的壓力分布均勻。 滾針軸承保持器 滾針軸承中，保持器的主要功能是為確保滾針在運(yùn)動中能與內(nèi)外軌道面成為線接觸狀態(tài)，使?jié)L針能承受大的負(fù)荷而不致于損壞。若是保持器各滾針槽孔的平行度不良或使用中保持器破損皆會使?jié)L針歪斜而與軌道面成為點(diǎn)接觸，致使?jié)L針折損破壞失效。在不同的使用環(huán)境，滾針軸承保持器，使用的材料分為低碳鋼、合金鋼、工程塑膠及鋁合金四種。一般而言，高速發(fā)動機(jī)用軸承應(yīng)采用合金鋼或鋁合金的保持器，齒輪箱或中、低速用軸承可用低碳鋼或工程塑膠保持器。（工程塑膠材料保持器應(yīng)考慮工作溫度）保持架的作用是分隔滾動體，將滾動體本身保持住或使其與一個套圈保持在一起，引導(dǎo)滾動體在正確的軌道上滾動。由于滾針軸承滾動體——滾針的徑向尺寸較小，因此，保持架的引導(dǎo)部分及保持部分的結(jié)構(gòu)尺寸均非常有限，有時往往相互矛盾。滾針軸承，在裝配之后的掉針問題(鎖針不可靠)及夾針問題(鎖針過度，滾針轉(zhuǎn)動不靈活)，是保持架制造工藝中的一個難點(diǎn)，而且，“掉針”或“夾針”往往形成一個矛盾，我們將其歸結(jié)為鎖針問題。保持架的作用是分隔滾動體，將滾動體本身保持住或使其與一個套圈保持在一起，引導(dǎo)滾動體在正確的軌道上滾動。由于滾針軸承滾動體——滾針的徑向尺寸較小，因此，保持架的引導(dǎo)部分及保持部分的結(jié)構(gòu)尺寸均非常有限，有時往往相互矛盾。滾針軸承，在裝配之后的掉針問題(鎖針不可靠)及夾針問題(鎖針過度，滾針轉(zhuǎn)動不靈活)，是保持架制造工藝中的一個難點(diǎn)，而且，“掉針”或“夾針”往往形成一對特殊矛盾，將其歸結(jié)為鎖針問題。 “M”型保持架保持架外型加工成 M 字型結(jié)構(gòu)，為最廣泛使用的摩托車發(fā)動機(jī)連桿大頭軸承，其特點(diǎn)是重量輕、剛性高，滾針與保持器自成一體，易于工裝?！癕”型保持架多用于無套圈滾針軸承，其優(yōu)點(diǎn)是可以保持較多的滾針數(shù)，而且可以具有較大的滾針長度，因而能使軸承獲得最理想的負(fù)荷容量?！癕”型保持架一般采用沖壓方法加工，其工藝經(jīng)過如下幾個階段:沖壓成型→沖窗孔→成M型(同時形成內(nèi)外鎖口)，其鎖針原理如圖37所示。該工藝生產(chǎn)效率和材料利用率都較高，鎖針可靠，質(zhì)量較穩(wěn)定，但需多道沖壓工序，工藝復(fù)雜，且保持架強(qiáng)度需通過軟氮化處理，或氣體碳氮共滲處理，工藝成本較高。圖37 “M”型保持架鎖針原理 “K”型保持架“K”型保持架，一般用于無套圈滾針軸承，其優(yōu)點(diǎn)是剛性和強(qiáng)度都較高，常采用車制成型，工藝簡單：對于小尺寸軸承，“K”型保持架的優(yōu)越性更顯突出，在一些使用場合采用“K”形是最佳方案。生產(chǎn)中其鎖針問題可通過兩種途徑解決。（1）車成型——沖窗孔——滾壓鎖口滾壓鎖口工序一般在專用滾鎖口機(jī)上進(jìn)行，也可以在車床上進(jìn)行，內(nèi)外鎖口同時滾壓效果較好，要求正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)各兩次。此工藝的鎖針原理是利用滾輪的滾壓作用使鎖口部的金屬產(chǎn)生塑性變形，致使窗孔的內(nèi)外鎖口部分尺寸略微減小，即使鎖口尺寸略小于滾針直徑，達(dá)到鎖針的目的。該工藝對沖窗孔工序要求不太嚴(yán)格，且鎖針效果較好，國外應(yīng)用較廣泛，國內(nèi)也有廠家使用。但存在問題是滾印的均勻性受保持架壁厚差的影響，故而影響鎖針質(zhì)量的穩(wěn)定性。（2）車成型——沖窗孔(同時形成內(nèi)外鎖口)該工藝是在沖窗孔工序中，一次沖壓出所需窗孔形狀(如圖38所示)，其中部為內(nèi)鎖口(BB剖視，使?jié)L針不致從內(nèi)徑方向掉出；其兩端為外鎖口和引導(dǎo)部(A—A剖視) ，通過一定的沖裁間隙，使保持架的切斷面形成斜面，一方面不使?jié)L針從外徑方向掉出，同時也保持了滾針在孔內(nèi)有一定的間隙，而不夾針。圖38　“K”型保持架沖壓鎖口鎖針原理生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)得出，外鎖口尺寸一般選?。篋W——滾針公稱直徑；bc1——外鎖口外口公稱寬度；bc2——內(nèi)鎖口內(nèi)口公稱寬度； 315 根據(jù)沖裁理論，沖裁零件的斷面形狀是由圓角帶、光亮帶和斷裂帶形成。在一定的沖裁間隙范圍內(nèi)，沖裁件的斷面形成如圖39所示形狀，其參數(shù)見表34；在這里，斜角β的大小直接影響滾針保持架組件的旋轉(zhuǎn)靈活性，從生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)得出，β值按下式確定： 316 表34 材料h0/t = f退火硬化軟鋼中硬鋼硬鋼經(jīng)過實(shí)踐證明：該工藝簡單，加工工藝性好，經(jīng)濟(jì)性較好，可大幅降低成本，而且鎖針可靠，引導(dǎo)滾針性能好。但其鎖針質(zhì)量受保持架材料性能及滾針直徑的影響。例如：一般保持架材料為20號鋼時，鎖針質(zhì)量較穩(wěn)定，當(dāng)材料較軟時，沖窗孔后往往出現(xiàn)過梁扭曲及外徑漲大現(xiàn)象，需增加整形工序；~φ4時，鎖針效果最理想。圖39 沖裁件的斷面滾針軸承保持架的鎖針工藝，各具特色，目前各種工藝均有廠家應(yīng)用，特別對于無套圈有保持架的滾針軸承，采用“K”型還是“M”型保持架，在一般使用場合下，使用效果上是沒有很大的差別。因此，在生產(chǎn)實(shí)際中采用何種結(jié)構(gòu)及何種鎖針工藝，往往取決于各廠的生產(chǎn)技術(shù)引進(jìn)、產(chǎn)品特點(diǎn)、設(shè)備特點(diǎn)、技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)、生產(chǎn)習(xí)慣等現(xiàn)實(shí)問題。[12]保持架中的圓角，有的是由于制造工藝或便于裝配而設(shè)計(jì)的非應(yīng)力集中區(qū)域的圓角，在應(yīng)力分析計(jì)算過程中可以忽略；有的圓角設(shè)計(jì)是為了消除應(yīng)力集中而設(shè)計(jì)的，進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算時不能忽略。圓角參數(shù)的設(shè)計(jì)對保持架的性能會產(chǎn)生很大影響，在保持架設(shè)計(jì)中是不可或缺的。因此當(dāng)保持架的設(shè)計(jì)不能滿足強(qiáng)度要求時，可以考慮對保持架圓角參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。 保持架徑向定位滾針軸承一般由滾針、保持架、內(nèi)圈(曲柄銷)和外圈(連桿大頭內(nèi)壁)組成。軸承工作時，一個套圈轉(zhuǎn)動，另一個套圈固定不動，滾針在與轉(zhuǎn)動圈及固定圈的接觸點(diǎn)間的摩擦力的作用下，一方面繞其自身軸線自轉(zhuǎn)，一方面繞軸承的軸線公轉(zhuǎn)，因滾針裝在保持架窗孔內(nèi)，所以，保持架必然隨滾針的公轉(zhuǎn)而同步轉(zhuǎn)動。為保證滾針自轉(zhuǎn)的靈活性，滾針與保持架窗孔各對應(yīng)點(diǎn)間必須有一定的間隙，因而使?jié)L針在保持架窗孔內(nèi)存在一定的徑向移動量，軸承裝機(jī)時，滾針的徑向位置被內(nèi)圈內(nèi)滾道及外圈外滾道限定，這時，保持架因其自重就會相對軸承中心向下滑移，下滑到某一位置時就會與軸承中的某一零件接觸，該零件便限制保持架下滑，即