CN102852969B - 滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法。它包括确定内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值K的取值，确定滚子球基面与内圈挡边球面的接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角θ的取值方法，建立计算公式。本发明滚子球基面接触在内圈挡边球面的中部，滚子球基面与内圈挡边球面的接触形态为半径较小的凸形球面与半径较大的凹形球面间的点接触，润滑条件好，容易形成润滑油膜，应力分布均匀，轴承承载工作时，滚子球基面和内圈挡边球面的温升比较低，磨损量比较小，轴承的使用寿命比较高。实际使用表明，本发明轴承的使用寿命比现有技术轴承的使用寿命提高20%以上。

Description

滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法

技术领域

本发明涉及轴承技术领域，尤其涉及滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法。

背景技术

圆锥滚子轴承由内圈、外圈、滚子和保持架组成，如图1所示。内圈设有挡边，滚子大端面呈球面形，称为球基面。轴承运转时，滚子与内、外圈滚道之间为纯滚动，滚子球基面与内圈挡边面之间为滑动。内圈挡边面的形状原来为球面形，后来改为圆锥面形。由于工艺装备方面的原因，有些圆锥滚子轴承仍然采用球面形挡边。国家轴承研究单位在编制圆锥滚子轴承设计方法时，既有内圈挡边面为圆锥面的设计方法，也有内圈挡边面为球面的设计方法。无论内圈挡边面是圆锥面还是球面，均要求滚子球基面接触在内圈挡边面的中部，以保证良好的润滑条件和应力分布。

但是现有技术的内圈挡边面为球面的圆锥滚子轴承设计方法存在一定缺陷，即滚子球基面不是接触在内圈挡边球面的中部，而是接触在内圈挡边球面的边缘。具体情况如下：

图2为现有技术的内圈和滚子的几何关系示意图。SR为滚子球基面曲率半径，ρ_P为内圈挡边球面曲率半径，SR=0.95ρ_P。O点是内圈挡边球面的球心，也是滚子外锥面的锥顶点，O点位于内圈轴线上。O₁点为滚子球基面的球心，O₁点位于滚子轴线上，滚子轴线通过O点。F点位于内圈挡边球面的中部，E点位于内圈挡边球面的边缘。

在ΔO₁FO中

$O_{1}F={(O{O_1}^2+O{F}^2-2O{O}_1\·\mathrm{OF}\·\mathrm{COS\β})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

在ΔO₁EO中

$O_{1}E={(O{O_1}^2+O{E}^2-2O{O}_1\·\mathrm{OE}\·\mathrm{COS\α})}^{\frac{1}{2}}--\left(2\right)$

（1）、（2）式中，因为OF＝OE＝ρ_P，β＞α，所以O₁F＞O₁E。这证明滚子球基面的球心O₁距离F点远，距离E点近，因此滚子球基面不会接触在内圈挡边球面中部的F点，只会接触在内圈挡边球面边缘的E点。

由于滚子球基面接触在内圈挡边球面边缘的E点，不仅润滑条件差，而且会产生应力集中。轴承承载工作时，滚子球基面与内圈挡边球面的边缘将发生较剧烈摩擦，引起磨损和发热，导致轴承的使用寿命降低。

轴承的使用寿命是轴承的重要质量指标，关系到轴承的可靠性。因此，发明一种设计方法，使滚子球基面能够接触在内圈挡边球面的中部，以保证良好的润滑条件和应力分布，提高轴承的使用寿命，成为人们追求的目标。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种能够实现滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法。

本发明为达到上述技术目的所采用的技术方案是：它包括确定内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值K的取值，确定滚子球基面与内圈挡边球面的接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角θ的取值方法，建立计算公式。

本发明的有益效果是：滚子球基面接触在内圈挡边球面的中部，滚子球基面与内圈挡边球面的接触形态为半径较小的凸形球面与半径较大的凹形球面间的点接触，润滑条件好，容易形成润滑油膜，应力分布均匀，轴承承载工作时，滚子球基面和内圈挡边球面的温升比较低，磨损量比较小，轴承的使用寿命比较高。实际使用表明，本发明轴承的使用寿命比现有技术轴承的使用寿命提高20%以上。

附图说明

图1为圆锥滚子轴承整体示意图；

图2为现有技术的内圈和滚子的几何关系示意图；

图3为本发明的内圈和滚子的几何关系示意图。

符号说明

a′_o为滚子大头理论边缘点B至内圈大端面的距离，a″_o为内圈挡边球面根部宽度，d为内圈公称内径，d′_i为滚子大头理论边缘点B处的内圈滚道直径，d″_i为内圈滚道最大直径，E为外圈公称小内径，K为内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值，SR为滚子球基面曲率半径，T为轴承公称宽度，α为轴承公称接触角，即外圈滚道角度，β为内圈滚道角度，γ为接触点F和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角，θ为接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角，λ为内圈挡边球面根部A点和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角，ρ为内圈挡边球面曲率半径，ρ_P为现有技术的内圈挡边球面曲率半径，φ为滚子半锥角，ψ为滚子球基面球心O₂和滚子大头理论边缘点B的连线与内圈滚道母线之间的夹角。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明：

本设计方法所使用的符号与图1和图3所标注的符号一致，含义相同。

所述图3为本设计方法的内圈和滚子的几何关系示意图。图中SR为滚子球基面曲率半径，ρ为内圈挡边球面曲率半径。O点是滚子外锥面的锥顶点，也是内圈滚道母线的延长线与内圈轴线的交点。O₁点为内圈挡边球面的球心，F点为滚子球基面与内圈挡边球面的接触点，F点位于内圈挡边球面的中部。O₂点为滚子球基面的球心，O₂点位于F点和O₁点的连线上。

本设计方法的设计程序如下：

1、内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值K

K＝ρ/SR＝1.12

2、接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角θ

$\mathrm{\θ}=(0.25+\frac{1}{d})\mathrm{\φ}$

式中：d为内圈公称内径，已知。

φ为滚子半锥角，已知。

注：θ角的大小决定接触点F的位置，θ角按本方法取值可以保证接触点F位于内圈挡边球面的中部。

3、滚子大头理论边缘点B处的内圈滚道直径d′_i

$d_i^{\′}=2(\frac{E}{2\tan \mathrm{\α}}+T-a_o^{\′})\tan \mathrm{\β}$

式中：E为外圈公称小内径，已知。

α为轴承公称接触角，即外圈滚道角度，已知。

T为轴承公称宽度，已知。

a′_o为滚子大头理论边缘点B至内圈大端面的距离，已知。

β为内圈滚道角度，已知。

4、接触点F和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角γ

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}\frac{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ})}{\frac{(k-1)\sin (\mathrm{\φ}-\mathrm{\θ})}{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\φ})}+\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ})}$

5、内圈挡边球面根部A点和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角λ

$\mathrm{\λ}=\mathrm{\β}-{\sin }^{-1}\frac{\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ}-\mathrm{\γ})}{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\θ})}$

6、滚子球基面球心O₂和滚子大头理论边缘点B的连线与内圈滚道母线之间的夹角ψ

$\mathrm{\ψ}={\sin }^{-1}\frac{(k-1)\sin \mathrm{\φ}\sin \mathrm{\γ}}{\sin (\mathrm{\β}+\mathrm{\φ})}$

7、滚子球基面曲率半径SR

$\mathrm{SR}=\frac{d_i^{\′}\sin \mathrm{\φ}}{2\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\ψ})}$

注：SR是设计圆锥滚子轴承时，滚子产品图中需要标注的尺寸。

8、内圈挡边球面曲率半径ρ

ρ＝K·SR

注：ρ是设计圆锥滚子轴承时，内圈产品图中需要标注的尺寸。

9、内圈滚道最大直径d″_i

d″_i＝2ρsinλ

注：d″_i是设计圆锥滚子轴承时，内圈产品图中需要标注的尺寸。

10、内圈挡边球面根部宽度a″_o

$a_o^{\′\′}=a_o^{\′\′}-\frac{d_i^{\′\′}-d_i^{\′}}{2\tan \mathrm{\β}}$

注：a″_o是设计圆锥滚子轴承时，内圈产品图中需要标注的尺寸。

至此，设计程序结束。其余参数的设计方法同现有技术。

实例计算

轴承型号    31326

已知数据    d＝130

            E＝211.753

            T＝72

            a′_o＝13.50

            α＝28°48'39"

β＝20°8'39"

φ＝4°20'

计算过程

(1)确定比值K

K＝1.12

(2)计算θ角

(3)计算d′_i

$d_i^{\′}=2(\frac{E}{2\tan \mathrm{\α}}+T-a_o^{\′})\tan \mathrm{\β}=184.147$

(4)计算γ角

(5)计算λ角

(6)计算ψ角

(7)计算滚子球基面曲率半径SR

$\mathrm{SR}=\frac{d_i^{\′}\sin \mathrm{\φ}}{2\sin \mathrm{\β}\sin (\mathrm{\φ}+\mathrm{\ψ})}=242.364$

(8)计算内圈挡边球面曲率半径ρ

ρ＝K·SR＝271.448

(9)计算内圈滚道最大直径d″_i

d″_i＝2ρsinλ＝184.152

(10)计算内圈挡边球面根部宽度a″_o

$a_o^{\′\′}=a_o^{\′}-\frac{d_i^{\′\′}-d_i^{\′}}{2\tan \mathrm{\β}}=13.49.$

Claims (1)

1.一种滚子球基面接触在内圈挡边球面中部的圆锥滚子轴承设计方法， 

①它包括确定内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值K的取值，确定滚子球基面与内圈挡边球面的接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角θ的取值方法，建立计算公式； 

②内圈挡边球面曲率半径ρ与滚子球基面曲率半径SR的比值K取为1.12； 

③滚子球基面与内圈挡边球面的接触点F和滚子外锥面锥顶点O的连线与内圈滚道母线之间的夹角θ的取值方法为：θ＝(0.25+1/d)φ， 

式中：d为内圈公称内径，已知； 

φ为滚子半锥角； 

其特征在于：建立8个计算公式，即 

(1)滚子大头理论边缘点B处的内圈滚道直径d'_i的计算公式 

式中：E为外圈公称小内径，已知， 

α为轴承公称接触角，已知， 

T为轴承公称宽度，已知， 

a'_o为滚子大头理论边缘点B至内圈大端面的距离， 

β为内圈滚道角度，β＝α-2φ； 

(2)接触点F和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角γ的计算公式 

(3)内圈挡边球面根部A点和内圈挡边球面球心O₁的连线与内圈轴线之间的夹角λ的计算公式 

(4)滚子球基面球心O₂和滚子大头理论边缘点B的连线与内圈滚道母线之间的夹角ψ的计算公式 

(5)滚子球基面曲率半径SR的计算公式 

(6)内圈挡边球面曲率半径ρ的计算公式 

ρ＝K·SR 

(7)内圈滚道最大直径的计算公式 

(8)内圈挡边球面根部宽度的计算公式