CN102414465B - 圆锥滚子轴承及其设计方法 - Google Patents

Abstract

提供一种圆锥滚子轴承及其设计方法，能够降低面压、接触部的应力，谋求轴承的寿命的延长，并且一边防止轨道面的加工不良于未然，一边谋求滚子的两端部的沉降量的降低，谋求加工效率的提高。滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分(7)与非接触部凸面部分(8)，该接触部凸面部分(7)在内圈轨道面(1a)的轴向范围内与内圈轨道面(1a)接触，该非接触部凸面部分(8)脱离内圈轨道面(1a)的轴向范围，不与内圈轨道面(1a)接触。上述接触部凸面部分(7)与非接触部凸面部分(8)中的沿滚子轴向延伸的母线为通过相互不同的函数表示，并且相互在连接点相互平滑地连接的线，连接点的附近的非接触部凸面部分(8)的母线的曲率小于接触部凸面部分(7)的母线的曲率。

Description

圆锥滚子轴承及其设计方法

相关申请 

本申请要求申请日为2009年4月24日，申请号为日本特愿2009-105854的申请的优先权，通过参照其整体，作为构成本申请的一部分的内容而引用。 

技术领域

本发明涉及支承各种设备旋转部的圆锥滚子轴承及其设计方法，本发明特别是涉及滚子滚动面的凸面形状。 

背景技术

圆锥滚子轴承的凸面可设置于内圈、外圈、滚子中的任意者上，人们提出有主要的凸面设置于滚子上的类型(专利文献1)；设置于内外圈上的类型(专利文献2)。对于凸面形状，人们提出有将圆弧、直线组合的各种设计，但是，人们知道，如果采用通过对数函数表示的曲线，或其近似曲线，则与其它的曲线相比较，使面压、接触部的应力降低，寿命延长(专利文献3～5)。 

现有技术文献 

专利文献1：日本特开平8-232960号公报 

专利文献2：日本特开平4-351314号公报 

专利文献3：日本特开2000-346078号公报 

专利文献4：日本特开2001-65574号公报 

专利文献5：日本特开2006-52790号公报 

发明内容

由于滚子、内圈之间的接触部的面压大于滚子、外圈之间的接触部的面压，故最好在内圈上设置主要的凸面。如果在内圈上设置由对数函数表示的凸面(在下面称为“对数凸面”)，由于在内圈轨道面的两端上具有凸缘，故具有在精加工时，在凸面的沉降量大的轨道面的两端附近，精加工用的磨石未充分地作用，加工不良的可能性。 

于是，在“滚子”上设置对数凸面。一般，由于滚子的滚动面长于内圈的轨道面，故在滚子的两端处不与内圈接触。但是，在过去的对数凸面的设计方法中，由于凸面整体由对数曲线表示，故不与内圈接触的两端部的沉降量按照超过必要量的程度而较大，磨削量过大。即使在单一圆弧凸面等的情况下，在滚子两端，沉降量仍过大。 

本发明的目的在于提供一种圆锥滚子轴承及其设计方法，在该轴承中，可降低面压、接触部的应力，谋求轴承的寿命的延长，一边防止轨道面的加工不良于未然，一边谋求滚子的两端部的沉降量的降低，谋求加工效率的提高。 

本发明的圆锥滚子轴承为包括内外圈和滚子的圆锥滚子轴承，其中，至少在滚子的外周的滚子滚动面上形成凸面，滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分和非接触部凸面部分，该接触部凸面部分在内圈轨道面的轴向范围内与内圈轨道面接触，该非接触部凸面部分脱离内圈轨道面的轴向范围，不与内圈轨道面接触，上述接触部凸面部分和非接触部凸面部分中的沿滚子轴方向延伸的母线由相互不同的函数表示，并且为在连接点相互平滑地连接的线，上述连接点的附近的上述非接触部凸面部 分的母线的曲率小于上述接触部凸面部分的母线的曲率。 

上述“平滑地连接”指在不产生角的情况下连接，作为理想方式，指接触部凸面部分的母线与非接触部凸面部分的母线在相互的连接点，按照具有共同的切线的方式连接，即，形成上述母线在上述连接点处连续的可微分的函数。 

按照上述方案，由于在滚子的外周的滚子滚动面上形成凸面，故与仅仅在内圈轨道面上形成凸面的场合相比较，可充分必要地使磨石作用于滚子滚动面上。于是，可在今后防止对滚动面的加工不良。可通过形成于滚子滚动面上的凸面降低面压、接触部的应力，谋求圆锥滚子轴承的寿命的延长。另外，由于接触部凸面部分与非接触部凸面部分的连接点的附近的上述非接触部凸面部分的母线的曲率小于上述接触部凸面部分的母线的曲率，故可谋求滚子的两端部的沉降量的降低。于是，与比如，过去的单一圆弧凸面的类型相比较，可抑制磨削量，谋求滚子的加工效率的提高，谋求制造成本的降低。 

上述非接触部凸面部分的母线中的大直径侧的部分和小直径侧部分中的任何一者或两者也可为圆弧。在此场合，与滚子滚动面整体的母线由比如，对数曲线表示的场合相比较，可谋求沉降量的降低。于是，谋求磨削量的降低。 

上述非接触部凸面部分的母线中的大直径侧的部分和小直径侧的部分中的任意一者或两者也可为直线。在此场合，与非接触部凸面部分的母线为圆弧的场合相比较，可谋求沉降量的降低。 

上述接触部凸面部分的母线的一部分或全部也可由对数凸面表示。可通过由该对数凸面表示的接触部凸面部分降低面压、接触部的应力，谋求圆锥滚子轴承的寿命的延长。 

上述接触部凸面部分的母线也可通过沿滚子轴方向平坦地形 成的平直部分和由对数凸面的对数曲线形成的部分表示。 

从确保凸面的加工精度的方面来说，最好是，上述平直部分的长度在滚子全长的1/2以上。 

上述非接触部凸面部分的母线中，由对数凸面的对数曲线形成的部分的连接部与该对数曲线的斜率一致。在此场合，可在连接点更加平滑地使接触部凸面部分的母线和非接触凸面部分的母线连接。 

上述接触部凸面部分的母线可由通过下述式表示的对数凸面的对数曲线形成。 

(数学公式1) 

$z\left(y\right)=A\ln \frac{1}{1-\{1-\exp (-\frac{z_m}{A})\}{(\frac{y-a}{K_{2}a}+1)}^2}$

$A:=\frac{{2K}_{1}Q}{\mathrm{\πl}{E}^{\′}}$

a：观察部的有效长度(图1中的注释，a:C×x+D(0≤x≤1中任选)) 

E’：等效扬氏模量 

K₁：凸面加工的设计参数 

设计荷载Q的倍率，从几何学方面说凸面部的曲率的程度 

K₂：凸面加工的设计参数 

凸面长度与观察部的有效长度a的比例 

l：有效长度(图1中的注释，l:B+C+D) 

Q：法线方向荷载 

y：接触部的母线方向位置 

z(y)：轴向位置y的沉降量 

z_m：凸面加工的设计参数(图1中的注释，zm:F) 

有效长度端部的沉降量 

也可针对上述式中的至少K₁、z_m，采用数理的最佳化方法进行最佳设计。 

还可在内圈轨道面上设置凸面，该内圈轨道面的凸面的沉降量与滚子的外周的凸面的沉降量的和为规定值。 

本发明的圆锥滚子轴承的设计方法为包括内外圈和滚子的圆锥滚子轴承的设计方法，其中，至少在滚子的外周的滚子滚动面上形成凸面，滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分与非接触部凸面部分，该接触部凸面部分在内圈轨道面的轴向范围内与内圈轨道面接触，该非接触部凸面部分脱离内圈轨道面的轴向范围，不与内圈轨道面接触，上述接触部凸面部分与非接触部凸面部分中的沿滚子轴向延伸的母线通过相互不同的函数表示，并且为相互在连接点相互平滑地连接的线，上述接触部凸面部分的母线通过由前述式表示的对数凸面的对数曲线形成，上述连接点的附近的上述非接触部凸面部分的母线的曲率按照小于上述接触部凸面部分的母线的曲率的方式设计。 

通过本发明的设计方法，可简单地设计出降低面压、接触部的应力，谋求寿命的延长的圆锥滚子轴承。另外，可谋求滚子的沉降量的降低，谋求制造成本的降低的滚子轴承。 

附图说明

根据参照附图的下述的优选的实施方式的描述，会更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图用于单纯的图示和说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由后附的权利要求书确定。在附图中，多个附图中的同一标号表示同一或相应的部分。 

图1为本发明的第1实施方式的圆锥滚子轴承的主要部分的剖视图； 

图2为表示圆锥滚子轴承的滚子的凸面形状的图； 

图3(A)为表示该滚子的母线方向坐标与沉降量之间的关系的图，图3(B)为表示Mises的有效应力的最大值与对数凸面参数之间的关系的图； 

图4为表示本发明的第2实施方式的圆锥滚子轴承的滚子的凸面形状的图； 

图5为表示本发明的第3实施方式的圆锥滚子轴承的滚子的凸面形状的图； 

图6为表示本发明的第4实施方式的圆锥滚子轴承的内圈等的凸面形状的图。 

具体实施方式

根据图1～图3，对本发明的第1实施方式进行描述。 

本实施方式的圆锥滚子轴承如图1所示的那样，包括内圈1、外圈2与介设于该内外圈1、2之间的多个圆锥滚子3。在内圈1的外周形成有内圈轨道面1a，在该内圈轨道面1a的大直径侧和小直径侧分别具有大凸缘4和小凸缘5。在内圈轨道面1a和大凸缘4交叉的角部，形成磨削退刀部1b，在内圈轨道面1a和小凸缘5的角部，形成磨削退刀部1c。在上述内圈轨道面1a中，沿内圈轴向延伸的母线为直线。在外圈2的内周，形成与内圈轨道面1a面对的外圈轨道面2a，处于没有凸缘的状态，外圈轨道面2a中的沿外圈轴方向延伸的母线为直线。 

如图1、图2所示的那样，在滚子3的外周的滚子轨道面上形成凸面，在该滚子3的两端设置倒角6、6。该滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分7与非接触部凸面部分8。它们中的接触部凸面部分7在内圈轨道面1a的轴向范围内，与内圈轨道 面1a接触。非接触部凸面部分8脱离内圈轨道面1a的轴向范围，不与内圈轨道面1a接触。 

该接触部凸面部分7与非接触部凸面部分8中的沿滚子轴向延伸的母线通过相互不同的函数表示，并且为相互在连接点P1处平滑地连接的线。上述连接点P1的附近的上述非接触部分凸面部分8的母线的曲率R8按照小于上述接触部凸面部分7的母线的曲率R7的方式设定。 

但是，在圆锥滚子轴承中，在内圈1侧的接触部和外圈2侧的接触部，由于内圈1侧的等效半径较小，故内圈1侧的面压高。于是，在凸面的设计中，可对内圈1侧的接触进行探讨。 

对在圆锥滚子轴承，轴承编号30316的产品上作用有额定动负荷的35％的径向荷载，轴线不重合度为1/600的场合进行探讨。此时，轴线不重合度指沿不在滚子3的小直径侧，而在其大直径侧面压增加的方向倾斜。上述额定动负荷指在使内圈1旋转、外圈2静止的条件下，分别使一组的相同轴承运转时，低额定寿命为100万圈的方向和尺寸不变化的荷载。上述轴线不重合度为嵌合外圈2的图示外的外壳，嵌合内圈1的轴的偏心，倾斜量通过上述那样的分数表示。 

上述接触部凸面部分7的母线通过由下述式表示的对数凸面的对数曲线形成。 

(数学公式2) 

$z\left(y\right)=A\ln \frac{1}{1-\{1-\exp (-\frac{z_m}{A})\}{(\frac{y-a}{K_{2}a}+1)}^2}$

$A:=\frac{{2K}_{1}Q}{\mathrm{\πl}{E}^{\′}}$

a：观察部的有效长度(图1中的注释，a:C×x+D(0≤x≤1中任选)) 

E’：等效扬氏模量 

K₁：凸面加工的设计参数 

设计荷载Q的倍率，从几何学方面说凸面部的曲率的程度 

K₂：凸面加工的设计参数 

凸面长度与观察部的有效长度a的比例 

l：有效长度(图1中的注释，l:B+C+D) 

Q：法线方向荷载 

y：接触部的母线方向位置 

z(y)：轴向位置y的沉降量 

z_m：凸面加工的设计参数(图1中的注释，zm:F) 

有效长度端部的沉降量 

为了确保凸面的加工精度，最好在滚子3的外周存在滚子全长L1的1/2以上的平直部分。于是，如果形成滚子全长L1的1/2为平直部分，以该滚子轴方向中间为基准，小直径侧的部分和大直径侧的部分对称的凸面，则对数凸面加工的设计参数中的K₂是固定的，K₁与z_m为设计的对象。 

但是，如果采用后述的数理的最佳处理方法对凸面进行最佳处理，则在本条件下，形成图3(A)的“对数”这样的凸面。此时，该滚子3的凸面的最大沉降量为69μm。但是，图3(A)中的G的区域为与图1的内圈1的磨削退刀部1b、1c相对的E、A的区域，不与内圈1接触。由此，滚子3的上述G区域不必为对数凸面，即使为直线或圆弧或其它函数也没有关系。即使滚子3的上述G区域为直线、圆弧、其它函数，滚子整体呈与对数凸面的场合相同的面压分布，在功能上没有任何的逊色。 

对对数凸面的数理的最佳处理方法进行说明。 

可通过适当选择表示对数凸面的函数式中的K₁、z_m，设计最 佳的对数凸面。 

凸面按照一般降低接触部的面压或应力的最大值的方式设计。在这里，如果认为滚动疲劳寿命是伴随Mises的屈服条件而产生的，则按照Mises的有效应力的最大值为最小的方式选择K₁、z_m。 

K₁、z_m可采用适合的数理的最佳处理方法而选择。关于数理的最佳处理方法的算法，人们提出有各种类型，作为其一种的直接探索法可在不采用函数的微系数的情况下，进行最佳化处理，对于目的函数和变量无法通过数学式而直接表达的场合是有用的。在这里，采用作为直接探索法的一种的Rosenbrock法求出K₁、z_m的最佳值。 

在上述的动作条件，即圆锥滚子轴承，轴承编号30316的产品上作用有额定动负荷的35％的径向荷载，上述轴线不重合度为1/600的场合，对于Mises的有效应力的最大值S_{Mises_max}和对数凸面参数K₁、z_m，处于图3(B)那样的关系，对K₁、z_m提供适当的初始值，按照Rosenbrock法的规则，修正K₁、z_m，此时，到达图3(B)中的最佳值的组合，S_{Mises_max}为最小。 

只要考虑滚子3和内圈1的接触，图3(A)中的G区域的凸面可为任意的形状，但是，如果考虑与外圈2的接触、加工时的磨石的成形性，在对数凸面部的连接点P1，形成斜率小于对数凸面部的斜率这一点是不优选的。在对G区域的凸面提供斜率大于对数凸面部的斜率的场合，由于沉降量大，故此场合也是不优选的。即，G的区域的凸面和对数凸面按照在其连接点P1，斜率一致而平滑地连接的方式设计。在图3中，对于滚子3的G的区域的凸面，在直线的场合给出虚线的例子，在圆弧的场合给出粗实线的例子。在G的区域的凸面为直线的场合，滚子3的凸面的沉降量 Dp为比如36μm。在G的区域的凸面为圆弧的场合，滚子3的凸面的沉降量Dp为比如40μm。 

如果采用以上描述的圆锥滚子轴承，由于在滚子3的外周的滚子滚动面上形成凸面，故与仅仅在内圈轨道面1a上形成凸面的场合相比较，可充分必要地使磨石作用于滚子滚动面上。于是，可在今后防止对滚动面的加工不良。可通过形成于滚子滚动面上的凸面来降低面压、接触部的应力，谋求圆锥滚子轴承的寿命的延长。另外，由于接触部凸面部分7与非接触部凸面部分8的连接点P1的附近的上述非接触部凸面部分8的母线的曲率R8小于上述接触部凸面部分7的母线的曲率R7，故可谋求滚子3的两端部的沉降量Dp的降低。于是，与比如，过去的单一圆弧凸面的类型相比较，可抑制磨削量，谋求滚子3的加工效率的提高，制造成本的降低。 

非接触部凸面部分8的母线中的大直径侧的部分和小直径侧的部分中的任意一者或两者也可为圆弧。在此场合，与通过比如，对数曲线表示该滚子滚动面整体的母线的场合相比较，可谋求沉降量Dp的降低。于是，谋求磨削量的降低。如图4所示的第2实施方式那样，上述非接触凸面部分8的母线中的大直径侧的部分和小直径侧的部分中的任意一者或两者也可为直线(在图4的第2实施方式中，仅仅大直径侧的部分为直线)。在此场合，与非接触部凸面部分8的母线为圆弧的场合相比较，可进一步谋求沉降量Dp的降低。 

接触部凸面部分7的母线的一部分或全部也可由对数凸面表示。可通过由该对数凸面表示的接触部凸面部分7来降低面压、接触部的应力，谋求圆锥滚子轴承的寿命的延长。 

如图5所示的第3实施方式那样，接触部凸面部分7的母线 也可通过沿滚子轴方向平坦地形成的平直部分7a，与借助对数凸面的对数曲线形成的部分7b表示。 

作为本发明的第4实施方式，也可如图6所示的那样，在圆锥滚子轴承中，凸面设置于滚子3上，并且还可设置于内圈1上。在该图中，示出内圈1的凸面部分9。在此场合，滚子3的沉降量与内圈1的沉降量的和等于上述最佳的沉降量。可通过这些凸面来降低面压、接触部的应力，谋求圆锥滚子轴承的寿命的延长。另外，与过去的单一圆弧凸面的类型相比较，可抑制磨削量，可谋求该滚子3的加工效率的提高，谋求制造成本的降低。 

如上所述，参照附图，对优选的实施方式进行了说明，但是如果是本领域的技术人员，观看本说明书，会在显然的范围内，容易想到各种变更和修正方式。于是，这样的变更和修正方式被解释为根据权利要求书确定的发明的范围内。 

标号说明 

标号1表示内圈； 

标号1a表示内圈轨道面； 

标号2表示外圈； 

标号3表示滚子； 

标号7表示接触部凸面部分； 

标号8表示非接触部凸面部分； 

标号L1表示滚子全长； 

标号P1表示连接点； 

标号R7、R8表示曲率。 

Claims (11)

1.一种圆锥滚子轴承，其包括内外圈和滚子，至少在滚子的外周的滚子滚动面上形成凸面，滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分和非接触部凸面部分，该接触部凸面部分在内圈轨道面的轴向范围内与内圈轨道面接触，该非接触部凸面部分脱离内圈轨道面的轴向范围，不与内圈轨道面接触，上述接触部凸面部分和非接触部凸面部分中的沿滚子轴方向延伸的母线由相互不同的函数表示，并且为在连接点相互平滑地连接的线，上述连接点的附近的上述非接触部凸面部分的母线的曲率小于上述接触部凸面部分的母线的曲率。

2.根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其中，上述非接触部凸面部分的母线中的大直径侧的部分和小直径侧的部分中的任意一者或两者为圆弧。

3.根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其中，上述非接触部凸面部分的母线中的大直径侧的部分和小直径侧的部分中的任意一者或两者为直线。

4.根据权利要求1所述的圆锥滚子轴承，其中，上述接触部凸面部分的母线的一部分或全部由对数凸面表示。

5.根据权利要求4所述的圆锥滚子轴承，其中，上述接触部凸面部分的母线通过沿滚子轴方向平坦地形成的平直部分和由对数凸面的对数曲线形成的部分表示。

6.根据权利要求5所述的圆锥滚子轴承，其中，上述平直部分的长度在滚子全长的1/2以上。

7.根据权利要求4所述的圆锥滚子轴承，其中，上述非接触部凸面部分的母线中，由对数凸面的对数曲线形成的部分的连接部与该对数曲线的斜率一致。

8.根据权利要求4所述的圆锥滚子轴承，其中，上述接触部凸面部分的母线由下述式表示的对数凸面的对数曲线形成，

$z\left(y\right)=A\ln \frac{1}{1-\{1-\exp (-\frac{z_m}{A})\}{(\frac{y-a}{K_{2}a}+1)}^2}$

$A:=\frac{2K_{1}Q}{\mathrm{\πl}{E}^{\′}}$

a：观察部的有效长度

E’：等效扬氏模量

K₁：凸面加工的设计参数

设计荷载Q的倍率，从几何学方面说凸面部的曲率的程度

K₂：凸面加工的设计参数

凸面长度与观察部的有效长度a的比例

l：有效长度

Q：法线方向荷载

y：接触部的母线方向位置

z(y)：轴向位置y的沉降量

z_m：凸面加工的设计参数

有效长度端部的沉降量。

9.根据权利要求8所述的圆锥滚子轴承，其中，针对上述式中的至少K₁、z_m，采用数理的最佳化方法进行最佳设计。

10.根据权利要求8所述的圆锥滚子轴承，其中，在内圈轨道面上设置凸面，该内圈轨道面的凸面的沉降量与滚子的外周的凸面的沉降量的和为规定值。

11.一种圆锥滚子轴承的设计方法，该圆锥滚子轴承包括内外圈和滚子，至少在滚子的外周的滚子滚动面上形成凸面，滚子滚动面的凸面形成部分形成为接触部凸面部分与非接触部凸面部分，该接触部凸面部分在内圈轨道面的轴向范围内与内圈轨道面接触，该非接触部凸面部分脱离内圈轨道面的轴向范围，不与内圈轨道面接触，

上述接触部凸面部分与非接触部凸面部分中的沿滚子轴向延伸的母线通过相互不同的函数表示，并且为相互在连接点相互平滑地连接的线，上述接触部凸面部分的母线通过由下述式表示的对数凸面的对数曲线形成，上述连接点的附近的上述非接触部凸面部分的母线的曲率按照小于上述接触部凸面部分的母线的曲率的方式设计，该下述式为：

$z\left(y\right)=A\ln \frac{1}{1-\{1-\exp (-\frac{z_m}{A})\}{(\frac{y-a}{K_{2}a}+1)}^2}$

$A:=\frac{2K_{1}Q}{\mathrm{\πl}{E}^{\′}}$

a：观察部的有效长度

E’：等效扬氏模量

K₁：凸面加工的设计参数

设计荷载Q的倍率，从几何学方面说凸面部的曲率的程度

K₂：凸面加工的设计参数

凸面长度与观察部的有效长度a的比例

l：有效长度

Q：法线方向荷载

y：接触部的母线方向位置

z(y)：轴向位置y的沉降量

z_m：凸面加工的设计参数

有效长度端部的沉降量。