内圈滚道表面微结构对四点接触球轴承
综合性能的影响研究
摘要
四点接触球轴承相对于传统的双向角接触球轴承具有多向载荷承载能力、
适应倾斜和偏差、应用范围广泛等特点，通常应用于需要承受径向和轴向载荷
以及瞬时或周期性的倾斜力的应用场景。四点接触球轴承的可靠性直接关系到
机械设备能否正常运行，因此优化轴承设计以延长四点接触球轴承的综合性能
具有极其重要的现实意义。本文通过引入微结构技术，在四点接触球轴承内圈
滚道表面上加工不同参数的微结构凹坑，探究其对轴承综合性能的影响，获得
性能最优的微结构参数，为微结构球轴承的设计和发展提供方向。
（1）以QJ206四点接触球轴承为研究对象，对其进行结构参数分析，基
于Hertz接触理论建立力学分析模型，计算出滚动体与套圈的接触面积和接触
应力，为有限元模型的建立奠定基础；对表面微结构形貌进行表征，分析其应
力分布状态，分析微结构产生的应力集中现象与疲劳寿命之间的关系；通过疲
劳分析理论，分析轴承疲劳寿命计算方法，并对次表面应力进行分析。
（2）确定微结构制备的方法及加工的位置，设计微结构凹坑的参数范围，
包括形状、深度、面积和面密度等；使用Hypermesh-ABAQUS有限元软件对
四点接触球轴承进行静态联合仿真分析，以获得轴承的接触应力、接触面积，
进而分析轴承最先产生疲劳破坏的位置；建立局部微结构轴承模型，采用控制
单一变量的方法分析不同微结构参数对轴承表面应力的影响；使用FE-SAFE
软件对常规四点接触球轴承和设计的九组微结构轴承进行疲劳寿命分析，结果
表明：在轴承内圈滚道表面加工微结构凹坑对轴承的疲劳寿命起到了较好影响。
（3）针对微结构参数进行正交试验设计，通过轴承综合性能试验机及摩
擦力矩试验机对常规轴承及九组微结构轴承进行振动加速度、温度和启动摩擦
力矩的测量，探究不同参数的微结构对轴承性能的影响；利用NSGA-Ⅱ优化算
法对微结构参数进行优化设计，确定最佳的微结构凹坑参数组合。
关键词四点接触球轴承；表面微结构；应力分布；疲劳寿命；参数优化
-I-
StudyontheInfluenceofInnerRingRaceway
SurfaceMicrostructureontheComprehensive
PerformanceofFour-pointContactBallBearing
Abstract
Comparedwithtraditionaltwo-wayangularcontactballbearings,four-point
contactballbearingshavethecharacteristicsofmulti-directionalloadcarrying
capacity,adaptabilitytotiltanddeviation,andwideapplicationrange.Theyareusually
usedinapplicationscenariosthatneedtowithstandradialandaxialloadsand
instantaneousorperiodictiltforces.Thereliabilityoffour-pointcontactballbearings
isdirectlyrelatedtothenormaloperationofmechanicalequipment.Therefore,itisof
greatpracticalsignificancetooptimizethebearingdesigntoextendthecomprehensive
performanceoffour-pointcontactballbearings.Inthispaper,byintroducing
microstructu