CN101922503A - 一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法 - Google Patents

Abstract

一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，外圈结构改进为夹心式整体阻尼外圈并由外圈内环(4)、阻尼环(6)和外圈外环(3)构成，外圈内环设置有用于钢球(2)滚动的滚道，外圈内环的外径与阻尼环内径匹配，外圈外环呈圆环套状且其内径与阻尼环外径匹配，阻尼环的内端面和外端面均设有圆周等距分布的内沟槽(6.2)和外沟槽(6.1)，保持架(5)的兜孔尺寸和内圈(1)滚道的曲率半径应于减小直径的钢球尺寸匹配，夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承外形尺寸与标准高速球轴承外形尺寸保持一致，因此可以按照标准高速球轴承的安装方式使用，不影响夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承的通用性。

Description

一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法

技术领域

本发明属于轴承设计技术领域，尤其是一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法。

背景技术

随着现代工业的发展，为了提高加工效率，各种机械的主轴系统工作转速越来越高，转速在100000转/分以上的高速主轴已经得到越来越普遍的应用。

临界转速(critical speed)的含义：转动件转子在运转中都会发生振动，转子的振幅随转速的增大而增大，到某一转速时振幅达到最大值(也就是平常所说的共振)，超过这一转速后振幅随转速增大逐渐减少，且稳定于某一范围内，转子振幅最大值时的转速称为转子的临界转速。临界转速等于转子的固有频率，当临界转速继续增大，接近2倍固有频率时振幅又会增大，当转速等于2倍固有频率时称为二阶(级)临界转速，依次类推有三阶(级)临界转速、四阶(级)临界转速……。

转子在高速旋转时，由于质量偏心等原因会产生很大的不平衡力或不平衡力矩，工作转速往往在其一、二阶临界转速之上，因此转子在启动、加速或停车、减速过程中必须通过临界转速，此时转子系统就极易产生共振，导致强烈的振动。同时，即使不发生共振，轴承所受到的动反力也会在共振频率附近急剧增大，轴承内部旋转阻力随之急剧增加，可以导致轴承内部出现严重磨损，使轴承短期内失效。

因此，要对高速转子系统的振动进行有效控制，主要手段是通过控制系统的径向刚度和系统阻尼。即一方面可以通过降低或者提高径向刚度改变系统的共振点，另一方面通过控制系统阻尼改变系统共振的幅度和响应时间。

滚动轴承作为系统的重要支撑零件，其本身的刚度和阻尼对系统刚度和阻尼具有重要影响。但是传统结构的滚动轴承是很难通过自身的结构改变系统刚度和阻尼，一般是在轴承座上添加阻尼系统来调整。

发明内容

为了解决轴承系统振动状态的调整控制问题，本发明提供了一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，该高速球轴承设计方法主要针对外圈展开结构设计，通过外圈结构设计来控制轴承的阻尼和刚度，外圈由外圈内环、阻尼环和外圈外环共同构成，成功的解决了高速球轴承在高速运转时产生的共振和失稳问题。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，是在保证高速球轴承内圈强度的前提下尽量降低钢球的设计直径，其目的一方面降低了钢球旋转时产生的离心力且提高了高速球轴承的高速运转稳定性，另一方面也为外圈结构的改进预留了空间；外圈结构改进为夹心式整体阻尼外圈，所述夹心式整体阻尼外圈由外圈内环、阻尼环和外圈外环构成，即在外圈外环和外圈内环之间夹有阻尼环，其中外圈内环的内径面设置有用于钢球滚动的滚道，外圈内环的外径与阻尼环内径匹配，外圈外环呈圆环套状且外圈外环的内径与阻尼环外径匹配，阻尼环的内端面和外端面均设有圆周等距分布的内沟槽和外沟槽，为保证阻尼环的刚度，内沟槽和外沟槽的设置数量相等且两外沟槽的中点对称面设置一个内沟槽，外圈内环、阻尼环和外圈外环的宽度相等；保持架的兜孔尺寸和内圈滚道的曲率半径应于减小直径的钢球尺寸相匹配，夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承外形尺寸与标准高速球轴承外形尺寸保持一致。

所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，阻尼环在壁厚太薄的情况下，或在阻尼环的内端面设置圆周等距分布的内沟槽，或在阻尼环的外端面设置圆周等距分布的外沟槽。

所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，阻尼环由铍青铜制作，或由高分子阻尼材料制作。

所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，阻尼环加热膨胀后套在外圈内环上，待阻尼环降温后再套上加热膨胀的外圈外环，室温下外圈内环和阻尼环之间的配合以及阻尼环和外圈外环之间的配合均为过盈配合。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

1、本发明通过采用夹心式整体阻尼外圈改变了高速球轴承的刚度和阻尼。

2、本发明的夹心式整体阻尼外圈采用了三层结构，外圈外环和外圈内环之间夹有阻尼环，可以增大高速球轴承的系统阻尼，提高了高速球轴承的高速和稳定性。

3、阻尼环可以选用不同硬度和阻尼系数的阻尼材料，适用范围很广。

4.阻尼环内端面和外端面均设有等距的内沟槽和外沟槽，内沟槽和外沟槽均呈凹状，在阻尼环材料确定下其内沟槽和外沟槽的槽宽以及设置数量与阻尼环的刚度和阻尼效果有关。

5.夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承外形尺寸与的标准高速球轴承外形尺寸保持一致，因此夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承可以按照标准高速球轴承的安装方式使用，不影响夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承的通用性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是阻尼环的结构示意图；

上述图中：1-内圈；2-钢球；3-外圈外环；4-外圈内环；5-保持架，6-阻尼环；6.1-外沟槽；6.2-内沟槽。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，是在保证高速球轴承内圈1强度的前提下尽量降低钢球2的设计直径，其目的一方面降低了钢球2旋转时产生的离心力且提高了高速球轴承的高速运转稳定性，另一方面也为外圈结构的改进预留了空间。

外圈结构改进为夹心式整体阻尼外圈，所述夹心式整体阻尼外圈由外圈内环4、阻尼环6和外圈外环3构成，即在外圈外环3和外圈内环4之间夹有阻尼环6，夹心式整体阻尼外圈可以增大高速球轴承的系统阻尼，提高高速球轴承的高速和稳定性。所述外圈内环4的内径面设置有用于钢球2滚动的滚道，外圈内环4的外径与阻尼环6内径匹配，外圈外环3呈圆环套状且外圈外环3的内径与阻尼环6外径匹配。

结合图2，阻尼环6的内端面和外端面均设有圆周等距分布的内沟槽6.2和外沟槽6.1，为保证阻尼环6的刚度，内沟槽6.2和外沟槽6.1的设置数量相等且两外沟槽6.1的中点对称面设置一个内沟槽6.2，外圈内环4、阻尼环6和外圈外环3的宽度相等。图2所示的阻尼环壁厚＞3mm。

阻尼环在壁厚太薄(如壁厚≤3mm)的情况下，或在阻尼环的内端面设置圆周等距分布的内沟槽6.2，或在阻尼环的外端面设置圆周等距分布的外沟槽6.1。这种单一设置内、外沟槽的阻尼环与图2所述的阻尼环6在阻尼效果上显然较差，但是由于结构尺寸的限制，总比没有阻尼效果为好。

由于钢球2的直径减小，保持架5的兜孔直径应与钢球2的直径相匹配，同时内圈1滚道的曲率半径应与钢球2的直径相匹配，内圈1的其它尺寸维持不变，夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承外形尺寸与标准高速球轴承外形尺寸保持一致，因此夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承可以按照标准高速球轴承的安装方式使用，不影响夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承的通用性。

阻尼环6由铍青铜制作，或由高分子阻尼材料制作，其内沟槽6.2和外沟槽6.1的槽宽以及设置数量与阻尼环6的刚度和阻尼效果有关，根据二阶振动系统的振动公式

可知：

当0＜ξ＜1时，系统为欠阻尼状态；

当ξ＝0时，系统为无阻尼状态；

当ξ＝1时，系统为临界阻尼状态；

当ξ＞1时，系统为过阻尼状态。

对高速球轴承而言，要求阻尼系数ξ控制在0.4-0.8为好。

在上述公式中：c为阻尼环阻尼系数，m为阻尼环质量，k为阻尼环刚度。

通过控制阻尼环阻尼系数c和阻尼环刚度k，就可以实现高速球轴承振动状态的控制。

实际应用过程中，可以通过调节内、外沟槽的数量，沟槽的宽度等设计参数来调整阻尼环刚度和阻尼环质量，以达到控制阻尼环的阻尼系数c和刚度k。若内、外沟槽的槽宽不变，内、外沟槽设置的数量越多，其阻尼环的刚度越小、阻尼越大。若内、外沟槽的设置数量不变，其内、外沟槽的宽度越宽，其阻尼环的刚度越小、阻尼越大。具体采用那种设计方法可以根据阻尼环材料的强度、加工工艺性等具体情况来确定。

阻尼环6加热膨胀后套在外圈内环4上，待阻尼环6降温后再套上加热膨胀的外圈外环3，室温下外圈内环4和阻尼环6之间的配合以及阻尼环6和外圈外环3之间的配合均为过盈配合。当然，阻尼环6的装配方式多种多样，不再赘述。

Claims (4)

1.一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，是在保证高速球轴承内圈强度的前提下尽量降低钢球的设计直径，其目的一方面降低了钢球旋转时产生的离心力且提高了高速球轴承的高速运转稳定性，另一方面也为外圈结构的改进预留了空间，其特征是：外圈结构改进为夹心式整体阻尼外圈，所述夹心式整体阻尼外圈由外圈内环(4)、阻尼环(6)和外圈外环(3)构成，即在外圈外环(3)和外圈内环(4)之间夹有阻尼环(6)，其中外圈内环(4)的内径面设置有用于钢球(2)滚动的滚道，外圈内环(4)的外径与阻尼环(6)内径匹配，外圈外环(3)呈圆环套状且外圈外环(3)的内径与阻尼环(6)外径匹配，阻尼环(6)的内端面和外端面均设有圆周等距分布的内沟槽(6.2)和外沟槽(6.1)，为保证阻尼环的刚度，内沟槽(6.2)和外沟槽(6.1)的设置数量相等且两外沟槽(6.1)的中点对称面设置一个内沟槽(6.2)，外圈内环(4)、阻尼环(6)和外圈外环(3)的宽度相等；保持架(5)的兜孔尺寸和内圈(1)滚道的曲率半径应于减小直径的钢球尺寸相匹配，夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承外形尺寸与标准高速球轴承外形尺寸保持一致。

2.如权利要求1所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，其特征是：阻尼环(6)在壁厚≤3mm的情况下，或在阻尼环的内端面设置圆周等距分布的内沟槽，或在阻尼环的外端面设置圆周等距分布的外沟槽。

3.如权利要求1所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，其特征是：阻尼环(6)由铍青铜制作，或由高分子阻尼材料制作。

4.如权利要求1所述的一种夹心式整体阻尼外圈构成的高速球轴承设计方法，其特征是：阻尼环(6)加热膨胀后套在外圈内环(4)上，待阻尼环(6)降温后再套上加热膨胀的外圈外环(3)，室温下外圈内环(4)和阻尼环之间(6)的配合以及阻尼环(6)和外圈外环(3)之间的配合均为过盈配合。

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