李明章，彭志翔，陈 龙，高 祥，胜永民

（航空工业洪都，江西南昌，330024）

0 引言

滚动轴承是一种精密的机械支撑元件，轴承用户希望装在主机上的轴承能够在预定的使用期内不会损坏并保持其动态性能，但客观事实有时并不尽如人意，突发的轴承失效事故会给用户造成重大损失。轴承早期失效的原因包括轴承选型不当或者实际工作载荷超过了轴承的额定载荷、未严格按照轴承使用要求进行安装、维护以及润滑等[1]。轴承作为航空产品舵系统操控执行支撑元件，对整个产品的飞控可靠性起着至关重要的作用，其设计选用过程需要进行准确计算和合理布置。本文从轴承选型、布置形式以及载荷计算等方面浅析某型轴承设计选用方法以期对后续其他产品轴承的设计选用提供帮助。

1 轴承选型布置分析

轴承的选型通常要考虑轴承受载情况、工作环境、润滑方式、安装拆卸性以及调心性能等因素。该舵系统的设计原理为直线电动舵机驱动曲柄连杆机构，带动舵面完成控制指令，轴承内圈与舵轴，以及轴承外圈与轴承安装座均采用小过盈量的过盈配合，轴承的选型工作主要分以下步骤进行：

1）考虑舵面在产品自主飞行过程中的复杂受载情况，轴承必须选用可以同时承受径向与轴向载荷的类型；

2）分析舵面受载情况知轴承径向载荷远大于轴向载荷，故轴承选用以承受径向载荷为主的类型；

3）在极限转速要求不高的情况下可同时承受径向载荷与轴向载荷的轴承方案有深沟球轴承、圆锥滚子轴承或者是向心轴承与推力轴承的组合使用，考虑到产品本身紧张的结构布局空间，首先排除了单一功能轴承组合使用的方案，由于滚子轴承的主要元件是线接触，承载能力及受载变形均优于球轴承，因此优先选择圆锥滚子轴承；

4）考虑产品高速飞行时的气动加热以及推进系统的热量会使舵机操纵模块处的工作温度快速上升，而轴的温度一般会高于轴承安装支座的温度，轴的轴向与径向热膨胀将大于安装支座，因此为防止热膨胀导致轴承卡死，轴承安装必须留有足够的轴向游动间隙；

5）考虑合理的受力支撑以及防止舵轴轴向窜动，舵轴需要两个旋转支点，舵轴与舵面固连，而来自舵面压心的载荷相当于作用在延长了的舵轴悬臂端，为提高悬臂梁系统的刚性，在结构布置空间限定的情况下应尽量缩短悬臂长度。如图1所示，在支撑距离b相同的情况下，压力中心距L1＞L2，因此图1布置形式的悬臂较短，并且背靠背布置形式在受热膨胀时可以轴向窜动（因为圆锥滚子轴承内外圈可分离，也再一次显示了与深沟球轴承相比的优越性），不会导致轴承卡死，因此选择背靠背的布置形式；

图1 圆锥轴承组安装方式示意

6）轴承选择耐高温的固体润滑脂润滑，相对于普通矿物润滑油其优点在于不需要进行润滑剂的密封设计，并且普通矿物润滑油不适用于高温工作环境下的轴承润滑。

轴承选型以及布置形式确定后，至于与轴承内圈相配合的轴以及与轴承外圈相配合的轴承座的几何尺寸公差带的选取，可以根据机械设计手册进行选取，在满足设计手册规定的同时，需要考虑方便拆卸维护或换装的要求来确定公差配合。

2 轴承强度校核分析

在轴承选型及布置形式确定后，根据轴颈尺寸选定轴承具体牌号，接下来则需要对轴承进行强度校核。分析该舵面操纵机构传力路线如图2。

强度校核计算：舵面压心到转轴轴承支承中心的距离L=123.75 mm，压心载荷F0=4002 N，轴承中心距L1=21.16 mm。圆锥滚子轴承30204计算系数Y=1.7，Y0=0.9，额定静载荷 C0=30.9 KN。

由 cotα=2.5Y=2.5×1.7=4.25

径向载荷作用距离

根据力矩及力的平衡方程：

1）当量静载荷校核

由力矩及力的平衡方程，分析轴承受力情况：

轴承 1（右）：Fr1=15413 N，Fa1=4533 N

轴承 2（左）：Fr2=11411 N，Fa2=3356 N

根据GB/T 4662-2003计算轴承径向当量静载荷：

取二者较大者即：Por=16184N

满足使用要求。

2）接触应力校核

滚子与内圈滚道间最大接触应力：

滚子与外圈滚道间最大接触应力：

通过以上接触应力计算，滚子和滚道间接触应力不超过4000MPa（产生0.0001Dw永久变形量时的接触应力），该轴承在工作中，不会产生永久变形，轴承的性能通常不会受损害。

3 结语

虽然轴承元器件的固有性能及使用可靠性是由轴承成件厂家设计、生产所决定的，但是对于飞航产品的主机单位而言，做好轴承元器件的优选优布、校核计算对于操控系统乃至产品的可靠性也是至关重要的。该型轴承设计选用方案的合格性已经通过试验验证，可为类似产品的轴承设计选用提供参考。