路轨两用车旋转装置中转盘轴承的设计

    转盘轴承是一种能够用于大型回转运动中同时承受较大的轴向载荷、径向载荷和倾覆力矩综合作用的特殊轴承。目前已广泛应用于建筑机械（如塔式起重机）、工程机械（如挖掘机）、军事装备（如坦克）等大、重型机械设备上。转盘轴承主要有单排四点接触球式、双排异径球式、单排交叉滚柱式、三排滚柱式等几种布置形式，这几种布置形式各有其优缺点。用于路轨两用车旋转装置中的转盘轴承，因其对轴承有特殊的结构尺寸要求，不能简单使用传统的轴承设计方法计算与校核。本文采用滚子最大接触应力作为转盘轴承的选型计算依据，并用有限元法对设计的转盘轴承进行应力分析。

1 转盘轴承的设计要求

    路轨两用车的旋转装置位于汽车底盘中部，主要由底板、转盘轴承、顶板组成，主要实现通过旋转改变车辆车身方向的功能。旋转装置开始工作时，通过液压升降装置从车身降至地面固定，通过电机齿轮传动带动顶板旋转，从而使车辆完成旋转的动作。此装置的三维模型如图1所示。

图1 路轨两用车上的旋转装置

    由于旋转时旋转装置承受整个车体的重量，故受到的轴向重力非常大，并且由于旋转装置的回转中心与车辆的重心不重合，会产生较大的倾覆力矩。此外，汽车底盘高度有限使得旋转装置的轴向尺寸必须非常小。因此选用交叉圆柱滚子转盘轴承来满足上述功能。

    此装置工作条件为低速重载，轴向载荷Fa=77.371kN，径向载荷Fr=25.1kN，倾覆力矩M=69.88kN·m，要求转盘轴承的回转直径Dpw=900mm，外齿轮模数m=8，齿数zl=130，轴承高度H=78mm。

2 转盘轴承的静载荷计算

    2.1 接触载荷的计算

    根据赫兹理论，当两接触体均为钢材且线接触时，按最大接触应力计算的滚动体接触载荷Q有以下关系式：

    式中：Lwe为滚子有效长度，mm；σ为接触应力，MPa；E为弹性模量，MPa；v为泊松比。

    其中滚子轴承主曲率总和为：

    式中：Dwe为滚子直径，mm；α为交叉滚子接触角。r采用外圈计算时取+，采用内圈计算时取-。

    2.2 滚子的参数计算

    由于交叉滚子轴承相邻滚子成90°交叉排列，载荷分布相当于两列滚子叠加，故分别设滚子为Ⅰ列和Ⅱ列，每列滚子数Z取轴承滚子总数N的1/2，即2Z=N。