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控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理

邓凯文 谢鹏飞 廖辉 周刚 邓四二

邓凯文, 谢鹏飞, 廖辉, 等. 控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理[J]. 航空动力学报, 2023, 38(3):752-768 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210424
引用本文: 邓凯文, 谢鹏飞, 廖辉, 等. 控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理[J]. 航空动力学报, 2023, 38(3):752-768 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210424
DENG Kaiwen, XIE Pengfei, LIAO Hui, et al. Mechanism of abnormal fluctuation of friction torque of control moment gyro bearing assembly[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(3):752-768 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210424
Citation: DENG Kaiwen, XIE Pengfei, LIAO Hui, et al. Mechanism of abnormal fluctuation of friction torque of control moment gyro bearing assembly[J]. Journal of Aerospace Power, 2023, 38(3):752-768 doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210424

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动机理

doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210424
基金项目: 国家科技攻关项目(TDGC-JD-19-126-1); 国家自然科学基金(52005158); 山东省重大科技创新工程(2020CXGC011003)
详细信息
    作者简介:

    邓凯文(1994-),男,硕士生,主要从事滚动轴承动力学研究。E-mail:369048051@qq.com

    通讯作者:

    邓四二(1963-),男,教授、博士生导师,博士,主要从事滚动轴承设计及理论。E-mail:sedeng@haust.edu.cn

  • 中图分类号: V448.25+3

Mechanism of abnormal fluctuation of friction torque of control moment gyro bearing assembly

  • 摘要:

    在角接触球轴承动力学分析基础上,建立了公-自转耦合的控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组和摩擦力矩理论计算式,开展了轴承保持架结构、滚道加工精度和轴承预紧力等参数对控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性的影响研究,分析了某型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常波动的机理。分析结果表明:保持架外径表面与套圈引导挡边之间碰摩以及钢球与保持架兜孔间碰摩是引起该型号控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩异常变化的主要因素。合理的轴承原始径向游隙可有效消除轴承保持架外径表面与套圈引导挡边之间的碰摩现象,且避免控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩明显异常波动。

     

  • 图 1  控制力矩陀螺轴承组件系统坐标系

    Figure 1.  Coordinate system of control moment gyro bearing assembly

    图 2  控制力矩陀螺轴承组件结构图

    Figure 2.  Structure of control torque gyro bearing assembly

    图 3  保持架与外圈引导挡边之间间隙

    Figure 3.  Gap between cage and outer ring guide rib

    图 4  切片位置与接触力

    Figure 4.  slice position and contact force

    图 5  钢球受力图

    Figure 5.  Diagram of force acting on a ball

    图 6  保持架受力图

    Figure 6.  Diagram of force acting on a cage

    图 7  某控制力矩陀螺失效模式

    Figure 7.  Failure mode of control moment gyro

    图 8  轴承组件摩擦力矩波动特性

    Figure 8.  Characteristics of friction torque fluctuations of bearing assembly

    图 9  保持架引导间隙参数对轴承组件摩擦力矩的影响

    Figure 9.  Influence of the guide gap parameters of the cage on the friction moment of the bearing assembly

    图 10  保持架兜孔间隙对轴承组件摩擦力矩的影响

    Figure 10.  Influence of the pocket gap of the cage on the friction moment of the bearing assembly

    图 11  预紧力对轴承组件摩擦力矩的影响

    Figure 11.  Influence of preload on friction torque of bearing assembly

    图 12  滚道沟曲率半径对轴承组件摩擦力矩的影响

    Figure 12.  Influence of raceway curvature radius on friction torque of bearing assembly

    图 13  轴承原始径向游隙对轴承组件摩擦力矩的影响

    Figure 13.  Influence of the original radial clearance of the bearing on the friction moment of the bearing assembly

    图 14  公-自转轴承组件摩擦力矩试验台

    Figure 14.  Friction torque test bench for revolution-rotation bearing assembly

    图 15  轴承组件摩擦力矩

    Figure 15.  Friction torque of bearing assembly

    图 16  保持架表面外观

    Figure 16.  Surface appearance of cage

    $ {J_y} $、$ {J_{\textit{z}}} $外圈轮体转动惯量分量(kg·m2$ {m_{\rm{c}}} $保持架质量(kg)
    $ {J_{q{\rm{c}}x}} $、$ {J_{q{\rm{c}}y}} $、${J_{q{\rm{c}}{\textit{z}}}}$q列保持架转动惯量分量(kg·m2$ {D_{{\rm{cm}}}} $保持架中径(mm)
    $ {\omega _{q{\rm{c}}x}} $q列保持架绕x轴旋转角速度(rad/s)$ {\dot \omega _{q{\rm{b}}xj}} $、$ {\dot \omega _{q{\rm{b}}yj}} $、 ${\dot \omega _{q{\rm{b}}{\textit{z}}j}}$q列第$ j $个钢球角加速度分量(1/s2
    ${\theta _{\textit{z}}}$外圈轮体倾斜角(°)$ {\ddot x_{q{\rm{c}}}} $、$ {\ddot y_{q{\rm{c}}}} $、${\ddot {\textit{z}}_{q{\rm{c}}}}$q列保持架质心位移加速度分量(mm/s2
    ${\theta _{q{\rm{c}}{\textit{z}}}}$q列保持架倾斜角(°)$ {\ddot \theta _{q{\rm{c}}x}} $、$ {\ddot \theta _{q{\rm{c}}y}} $、${\ddot \theta _{q{\rm{c}}{\textit{z}}}}$q列保持架角加速度分量(1/s2
    $ {d_x} $、$ {d_y} $、${d_{\textit{z}}}$外圈轮体中心位移量(mm)${G_{{\rm{cage}}}}$保持架重力(N)
    ${L_{}}$轴承组件两侧轴承中心距(mm)$ {D_{{\rm{ck}}}} $方兜孔长度(mm)
    ${B_{\rm{e}}}$轴承外圈宽度(mm)$ \ddot x $、$ \ddot y $、$\ddot {\textit{z}}$外圈轮体中心位移加速度分量(mm/s2
    $ {D_{\rm{ce}}} $保持架外径(mm)$ {\ddot \theta _y} $、${\ddot \theta _{\textit{z}}}$分别为外圈轮体角加速度分量(1/s2
    ${B_{\rm{c}}}$保持架宽度(mm)$ {\alpha _{\rm{o}}} $轴承原始接触角(°)
    $ {d_{q{\rm{c}}x}} $、$ {d_{q{\rm{c}}y}} $、${d_{q{\rm{c}}{\textit{z}}}}$q列保持架中心位移量(mm)$ {\alpha '_{\rm{o}}} $轴承预紧后的接触角(°)
    $ {\varphi _{q{\rm{c}}}} $q列保持架与外圈引导挡边碰摩处的位置角(°)$ {r_{\rm{i}}} $内沟半径(mm)
    $ {f_{{\rm{c1}}}} $保持架与外圈引导挡边之间的摩擦因数$ {r_{\rm{e}}} $外沟半径(mm)
    $ \eta $两物体综合弹性常数${F_{\rm{a}}}$轴承预紧力(N)
    $ {N_{q{\rm{c}}}} $、${F_{q{\rm{c}}}}$分别为第q列保持架外表面与外圈引导挡边间的法向作用力和摩擦阻力(N)$ {\delta _{{\rm{ao}}}} $轴承内圈相对外圈的预紧轴向位移量(mm)
    ${Q_{q{\rm{i}}j}}$、${Q_{q{\rm{e}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外圈接触力(N)$\,\beta$材料弹性滞后系数
    ${T_{q\eta {\rm{i}}j}}$、${T_{q\eta {\rm{e}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外沟道接触面$\eta $轴上的拖动力(N)$ {\varepsilon _1} $、$ {\varepsilon _2} $分别为钢球和套圈的泊松比
    $ {T_{q\xi {\rm{i}}j}} $、${T_{q\xi {\rm{e}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外沟道接触面$ \xi $轴上的拖动力(N)$ {E_1} $、$ {E_2} $分别为钢球和套圈的弹性模量
    ${F_{q{\rm{r}}\eta {\rm{i}}j}}$、${F_{q{\rm{r}}\eta {\rm{e}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外沟道接触面$ \eta $轴上的滚动摩擦阻力(N)${a_{q{\rm{i (e) }}j}}$、${b_{q{\rm{i (e) }}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与滚道的接触椭圆长半轴和短半轴(mm)
    ${F_{q{\rm{r}}\xi {\rm{i}}j}}$、${F_{q{\rm{r}}\xi {\rm{e}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外沟道接触面$ {{\mathbf{\omega }}_{\rm{o}}} $轴上的滚动摩擦阻力(N)$\sum {{\rho _{{\rm{i (e) }}j}}}$第$ j $个钢球的接触面曲率和
    ${Q_{q{\rm{cc}}j}}$、${Q_{q{\rm{ca}}j}}$分别为第q列第$ j $个钢球与保持架兜孔周向和轴向的碰撞力(N)${\mu _{\rm{d}}}$滚动体与滚道之间接触摩擦因数
    $ m $轮体质量(kg)${R_{q{\rm{i (e) }}j}}$q列第$ j $个钢球与滚道接触处轴承旋转轴的距离(mm)
    ${\,\alpha _{q{\rm{i} }j} }$、${\,\alpha _{q{\rm{e} }j} }$分别为第q列第$ j $个钢球与内、外圈接触角(°)${\Gamma _{{\rm{i (e) }}}}$、${{\text{ξ}} _{{\rm{i (e)}}}}$分别为第1类和第2类完全椭圆积分
    $ {m_{\rm{b}}} $钢球质量(kg)$ {\nu _{{\eta}\xi }} $滚动体与滚道在接触面差动滑动方向上的相对速度差(m/s)
    $ {\ddot x_{q{\rm{b}}j}} $、$ {\ddot y_{q{\rm{b}}j}} $、${\ddot {\textit{z}}_{q{\rm{b}}j}}$q列第$ j $个钢球质心位移加速度分量(mm/s2$\varOmega$受载后滚动体与滚道之间弹性接触变形产生的椭圆接触面区域
    ${F_{q{{n}}j}}$、${F_{q{\tau}j}}$q列第$ j $个钢球惯性力(N)$ {\omega _{q{\rm{si}}\left( {\rm{e}} \right)}}_j $钢球自旋角速度(rad/s)
    ${P_{q{\rm{s}}\eta {\rm{c}}xj}}$、$ {P_{q{\rm{s}}\xi {\rm{c}}yj}} $分别为第q列第$ j $个钢球与保持架兜孔周向接触面$ \eta $和$ {{\mathbf{\omega }}_{\rm{o}}} $轴上的滑动摩擦力(N)$ {\mu _{\rm{s}}} $钢球与滚道之间自旋摩擦因数
    ${P_{q{\rm{r}}\eta {\rm{c}}xj}}$、${P_{q{\rm{r}}\xi {\rm{c}}yj}}$分别为第q列第$ j $个钢球与保持架兜孔周向接触面$ \eta $和$ {{\mathbf{\omega }}_{\rm{o}}} $轴上的滚动摩擦力(N)${\omega _x}$外圈轮体自转角速度(rad/s)
    ${P_{q{\rm{r} }\eta {\rm{a} }{\textit{z}}j} }$、${P_{q{\rm{r}}\xi {\rm{a}}yj}}$分别为第q列第$ j $个钢球与保持架兜孔轴向接触面$ \eta $和$ {{\mathbf{\omega }}_{\rm{o}}} $轴上的滚动摩擦力(N)${\omega _{\rm{g}}}$轴承组件机动角速度(rad/s)
    ${P_{q{\rm{s} }\eta {\rm{a} }{\textit{z}}j} }$、${P_{q{\rm{s}}\xi {\rm{a}}yj}}$分别为第q列第$ j $个钢球与保持架兜孔轴向接触面$ \eta $和$ {{\mathbf{\omega }}_{\rm{o}}} $轴上的滑动摩擦力(N)$K_{\rm{n}} $衡量钢球与套圈间负荷的变形常数
    $ {J_{{\rm{b}}x}} $、$ {J_{{\rm{b}}y}} $、${J_{ {\rm{b} }{\textit{z}}} }$钢球转动惯量分量(kg·m2下标
    ${G_{q{\rm{b}}yj}}$、${G_{q{\rm{b} }{\textit{z}}j} }$q列第$ j $个钢球惯性力矩(N·mm) i内圈
    $ {D_{\rm{w}}} $钢球直径(mm) e外圈
    $ {N_{\rm{b}}} $钢球数目 q轴承列数,取1或2
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    表  1  某控制力矩陀螺角接触球轴承主要参数

    Table  1.   Main parameters of control moment gyro angular contact ball bearing

    参数数值
    轴承内径/mm24
    轴承外径/mm49
    轴承宽度/mm15
    钢球个数14
    钢球直径/mm6.35
    外圈挡边直径/mm40.15
    内沟曲率半径/mm3.40
    外沟曲率半径/mm3.52
    保持架外径/mm39.65
    保持架兜孔直径/mm6.68
    外沟底直径/mm43.471
    内沟底直径/mm30.726
    接触角/(°)17
    外圈转速/(r/min)6000
    外框架机动速度/((°)/s)60
    预紧力/N120
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  • 收稿日期:  2021-08-09
  • 网络出版日期:  2022-10-25

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