CN103089806A - 一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承及其长寿命设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承及其长寿命设计方法，所述的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承包括内圈、外圈、圆锥滚子、保持架和密封装置，其中，轴承游隙在正常的游隙的设计范围内减小50%-60%，在内圈的大挡边和倒角之间设计用于消除因圈、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的过渡平台，使滚子平稳导入内圈大挡边面，合理设计圆锥滚子的滚子球基面半径和大挡边与滚子球基面接触凸度，使滚子球基面和大挡边面呈点接触、并且接触点在大挡边的中点。本发明的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，合理设计滚子球基面半径，使滚子球基面和大挡边面呈点接触，减少摩擦力矩，轴承寿命提高了一倍以上。

Description

一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承及其长寿命设计方法

技术领域

本发明属于机械作业领域，是一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承及其长寿命设计方法。

背景技术

双列圆锥滚子轴承该轴承有一个外圈两个内圈，两内圈之间有一隔圈，改变隔圈厚度可调整游隙，可同时承受径向载荷与双向轴向载荷，可在轴承游隙范围内限制轴或外壳的双向轴向位移，广泛的应用于汽车转向轮。这类双列圆锥滚子轴承通常的设计方法是：

1、轴承的游隙在0.08-0.20mm范围内；

2、轴承内圈挡边为锥面或弧面形状；

3、轴承的滚子球基面半径按设计手册为0.95*锥面母线长度。

这种设计方法应用于车辆转向轮轴承是存在以下问题：

1、由于转向轮轴承外圈受到频繁的较大的扭矩，需要轴承有较大的刚性，而轴承的刚性大小取决于轴承的内部游隙，用常规设计方法设计的游隙用于转向轮时，刚性不足，造成轴承滚道面上一点受力，应力明显增大，轴承很快在受力点产生疲劳剥落，使整套轴承失效。

2、轴承挡边与滚子基面之间是滑动摩擦，因此，这两个面之间油膜的形成和油膜厚度对轴承寿命至关重要。按常规设计方法，两个面基本上是面与面接触不利于油膜的形成，造成摩擦力矩大，温升高。

3、对于转向轴承由于内圈和外圈的不同心，滚子导入时滚子旋转时球基面是在内圈的挡边面与倒角接触棱上行驶，造成滚子将内圈挡边啃伤导致轴承失效。

发明内容

本发明提供了一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承及其长寿命设计方法，它解决了以下问题：（1）现有轴承游隙用于转向轮时，刚性不足，造成轴承滚道面上一点受力，应力明显增大，轴承很快在受力点产生疲劳剥落，使整套轴承失效；（2）轴承挡边与滚子基面是面与面接触不利于油膜的形成，造成摩擦力矩大，温升高的问题；（3）转向轴承由于内圈和外圈的不同心，滚子导入时滚子旋转时球基面是在内圈的挡边面与倒角接触棱上行驶，造成滚子将内圈挡边啃伤导致轴承失效。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，包括内圈、外圈、圆锥滚子、保持架和密封装置，其特征在于：轴承的游隙为0.04-0.08mm，在内圈的大挡边和倒角之间设置有用于消除因内、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的过渡平台，圆锥滚子的滚子球基面半径为：

其中公式中的：

ρ’—滚子球基面半径，

ρ0—内圈滚道顶点至大挡边与内圈滚道交点的距离，

θ—大挡边与内圈滚道夹角，

滚子球半角，

AB—滚子球基面与大挡边接触点至大挡边与内圈滚道交点距离，

大挡边与滚子球基面接触凸度为：

${\mathrm{FF}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},$

其中公式中：

FF'—大挡边与滚子球基面接触凸度，

BF—滚子球基面与大挡边接触点至油沟的距离，

ρ‘—滚子球基面半径。

进一步，本发明的轴承一种优选方案：所述的过渡平台的宽度为0.2~0.4mm。

进一步，本发明的轴承一种优选方案：所述的过渡平台的宽度为0.3mm。

一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，包括内圈、外圈、圆锥滚子、保持架和密封装置，其中，轴承游隙在正常的游隙的设计范围内减小50%-60%，在内圈的大挡边和倒角之间设计用于消除因内、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的过渡平台，使滚子平稳导入内圈大挡边面，合理设计圆锥滚子的滚子球基面半径和大挡边与滚子球基面接触凸度，使滚子球基面和大挡边面呈点接触、并且接触点在大挡边的中点。

进一步，本发明的设计方法的一种优选方案：所述的过渡平台的宽度为0.2~0.4mm。

进一步，本发明的设计方法的一种优选方案：所述的过渡平台的宽度为0.3mm。

进一步，本发明的设计方法的一种优选方案：

所述的滚子球基面半径的设计：

设O点为滚子球锥面滚道顶点，A为大挡边与内圈滚道的交点，则OA=ρ0。设O'点为滚子球基面的球心，B点为滚子球基面与大挡边的切点，则O'B为滚子球基面半径，则O'B⊥AG，

过O'点做O'B的垂线与OA交于C点，过C点做AG的垂线与AG交于E点，

则：AB=AE+EB=AE+O'C，   （1）

AE=CE·ctg∠EAO=O'B·ctgθ=ρ'ctgθ，（2）

在△O'OC中，∠O'OC为滚子球半角，且

∠O'CO=∠BOA=θ，

OC=OA-CA=ρ0-ρ'/sinθ，

根据正弦定理：

$\frac{O^{\′}C}{\sin \∠O^{\′}\mathrm{OC}}=\frac{\mathrm{OC}}{\sin \∠O{O}^{\′}C}$

由（1）、（2）和（3）式推出滚子球基面与大挡边的接触位置为：

由（4）式得出滚子球基面半径为：

其中公式中的：

ρ’—滚子球基面半径，

ρ0—内圈滚道顶点至大挡边与内圈滚道交点的距离，

θ—大挡边与内圈滚道夹角，

滚子球半角，

AB—滚子球基面与大挡边接触点至大挡边与内圈滚道交点距离，

所述的大挡边与滚子球基面接触凸度的设计：

设F为油沟与大挡边的交点，F'为O'F与滚子球基面的交点。

则有效挡边的凸度位置为：

凸度量：

${\mathrm{FF}}^{\′}=O^{\′}F-O^{\′}{F}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},---\left(7\right)$

其中公式中：

FF'—大挡边与滚子球基面接触凸度，

BF—滚子球基面与大挡边接触点至油沟的距离，

ρ‘—滚子球基面半径。

本发明的有益效果：

（1）本发明的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，设计特殊的游隙，即在正常的设计范围内减小50%-60%，使轴承的刚性提高80%以上。

（2）本发明的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，在大挡边面和倒角之间设计0.3mm过渡平台，消除了因圈、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的问题，使滚子平稳导入内圈单边面，同时利于油膜的形成，提高轴承的寿命。

（3）本发明的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，合理设计滚子球基面半径，使滚子球基面和大挡边面呈点接触，减少摩擦力矩，轴承寿命提高了一倍以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的用于转向轮的双列圆锥滚子轴承的结构示意简图。

图2为图1中圆锥滚子的放大图。

图3为图1中的内圈的放大图。

图4为某型号轴承内圈的结构示意简图。

注：1—外圈，2—圆锥滚子，3—密封装置，4—内圈，5—保持架，6—滚子球基面，7—大挡边，8—倒角，9—过渡平台，10—油沟，11—内圈滚道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1~3所示，一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，包括内圈4、外圈1、圆锥滚子2、保持架5和密封装置3，，其中，轴承的游隙在正常的游隙的设计范围内减小50%-60%，在内圈4的大挡边7和倒角8之间设计用于消除因内、外圈不同心造成滚子基面6在内圈4和倒角8连接处的棱上行驶的过渡平台9，使滚子平稳导入内圈大挡边面，合理设计圆锥滚子2的滚子球基面6半径和大挡边7与滚子球基面6接触凸度，使滚子球基面6和大挡边7面呈点接触、并且接触点在大挡边7的中点。

所述的滚子球基面6半径的设计：

如图2~3，设O点为内圈4锥面滚道顶点，A为大挡边7与内圈滚道11的交点，则OA=ρ0。设O'点为滚子球基面6的球心，B点为滚子球基面6与大挡边7的切点，则O'B为滚子球基面6半径（设为ρ'），则O'B⊥AG，

过O'点做O'B的垂线与OA交于C点，过C点做AG的垂线与AG交于E点，

则：AB=AE+EB=AE+O'C，（1）

AE=CE·ctg∠EAO=O'B·ctgθ=ρ'ctgθ，（2）

在△O'OC中，∠O'OC为滚子球半角，且

∠O'CO=∠BOA=θ，

OC=OA-CA=ρ0-ρ'/sinθ，

根据正弦定理：

$\frac{O^{\′}C}{\sin \∠O^{\′}\mathrm{OC}}=\frac{\mathrm{OC}}{\sin \∠O{O}^{\′}C}$

由（1）、（2）和（3）式推出滚子球基面6与大挡边7的接触位置为：

由（4）式得出滚子球基面6半径为：

其中公式中的：

ρ’—滚子球基面6半径，

ρ0—内圈滚道11顶点至大挡边7与内圈滚道11交点的距离，

θ—大挡边7与内圈滚道11夹角，

滚子球半角，

AB-滚子球基面6与大挡边7接触点至大挡边7与内圈滚道11交点距离，所述的大挡边7与滚子球基面6接触凸度的设计：

如图2~3，设F为油沟10与大挡边7的交点，F'为O'F与滚子球基面6的交点，

则有效挡边的凸度位置为：

凸度量：

${\mathrm{FF}}^{\′}=O^{\′}F-O^{\′}{F}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},---\left(7\right)$

以某型号轴承产品为例，设计实施例1、对比例1和对比例2的圆锥滚子轴承的滚子球基面6半径和凸度量。

已知轴承的设计参数为：ρ0=98.17，

（滚子球半角）=2°37′，其余参数如图4所示。

实施例1

如图1~4所示，一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，包括内圈4、外圈1、圆锥滚子2、保持架5和密封装置3，轴承游隙0.04mm，在内圈的大挡边7和倒角8之间设置有0.3mm的过渡平台。其中滚子球基面6半径ρ’和大挡边与滚子球基面接触凸度设计如下：

当凸度位置在大挡边7的中点时，滚子球基面6和大挡边7面呈点接触，由图1、图2可得，

代入公式（5）式得ρ‘=91.03

凸度位置BF=1.503-0.85=0.653

凸度量=FF'=GG'=0.0023

将以上结果列入表1。

对比例1

轴承的基本结构和实施例1的相同，不同点在于：轴承游隙0.12mm，在内圈的大挡边7和倒角8之间不设置过渡平台。其中滚子球基面6半径ρ’和大挡边与滚子球基面接触凸度设计如下：

滚子球基面6半径等于内圈滚道与挡边交点至顶点距离，即，ρ’=ρ0。

由（4）式得出：

有效凸度位置：

FB=AB-AF=0.37，

由（7）式得凸度值：

${\mathrm{FF}}^{\′}=\sqrt{{0.37}^2+{98.17}^2}-98.17\≈0.0007.$

由图3、图4可得：

${\mathrm{GG}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{GB}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′}=\sqrt{{1.241}^2+{98.17}^2}-98.17=0.0078.$

把所得的结果列入表1。

对比例2

轴承的基本结构和实施例1的相同，不同点在于：轴承游隙0.12mm，在内圈的大挡边7和倒角8之间设计0.3mm的过渡平台9。其中滚子球基面6半径ρ’和大挡边与滚子球基面接触凸度设计如下：

滚子基面半径等于内圈滚道与挡边交点至顶点距离的0.95倍，即，ρ’=0.95ρ0。

ρ’=0.95 ρ0=93.26。

把ρ’带入（4）式，

有效凸度位置：

FB=AB-AF=0.42，

代入（7）式得凸度值：

${\mathrm{FF}}^{\′}=\sqrt{{0.42}^2+{93.26}^2}-93.26\≈0.001.$

${\mathrm{GG}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{GB}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′}=\sqrt{{0.875}^2+{93.26}^2}-93.26=0.0041$

把所得的结果列入表1。

表1 三种球半径时的接触情况

从表1不难看出，对比例1：取滚子球基面6半径等于ρ0时，接触点在油沟11的边缘处，在F点形成应力集中；对比例2设计方法同样存在上述问题。实施例1设计方法能保证合理的接触位置又能形成一定的接触凸度，是一种理想的接触状态。

按照上述的设计要求，分别生产不同的轴承，然后将各个轴承在实验室进行强化模拟试验，其中实施例1轴承平均寿命为31000个循环，对比例1轴承平均寿命为12000个循环，对比例2轴承平均寿命为13000个循环。

可知本发明的轴承寿命与对比例2相比，提高1倍以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，包括内圈、外圈、圆锥滚子、保持架和密封装置，其特征在于：轴承的游隙为0.04-0.12mm，在内圈的大挡边和倒角之间设置有用于消除因内、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的过渡平台，圆锥滚子的滚子球基面半径为：

其中公式中的：

ρ’—滚子球基面半径，

ρ0—内圈滚道顶点至大挡边与内圈滚道交点的距离，

θ—大挡边与内圈滚道夹角，

滚子球半角，

AB—滚子球基面与大挡边接触点至大挡边与内圈滚道交点距离，

所述的大挡边与滚子球基面接触凸度为：

${\mathrm{FF}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},$

其中公式中：

FF'—大挡边与滚子球基面接触凸度，

BF—滚子球基面与大挡边接触点至油沟的距离，

ρ‘—滚子球基面半径。

2.根据权利要求1所述的一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述的过渡平台的宽度为0.2~0.4mm。

3.根据权利要求2所述的一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承，其特征在于：所述的过渡平台的宽度为0.3mm。

4.一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，所述双列圆锥滚子轴承包括内圈、外圈、圆锥滚子、保持架和密封装置，其特征在于：轴承游隙在正常的游隙的设计范围内减小50%-60%，在内圈的大挡边和倒角之间设计用于消除因内、外圈不同心造成滚子基面在内圈和倒角连接处的棱上行驶的过渡平台，使滚子平稳导入内圈大挡边面，合理设计圆锥滚子的滚子球基面半径和大挡边与滚子球基面接触凸度，使滚子球基面和大挡边面呈点接触、并且接触点在大挡边的中点。

5.根据权利要求4所述的一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，其特征在于：所述的过渡平台的宽度为0.2~0.4mm。

6.根据权利要求5所述的一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，其特征在于：所述的过渡平台的宽度为0.3mm。

7.根据权利要求4~6任一项所述的一种用于转向轮的双列圆锥滚子轴承长寿命设计方法，其特征在于：

所述的滚子球基面半径的设计：

设O点为滚子球锥面滚道顶点，A为大挡边与内圈滚道的交点，则OA=ρ0，设O'点为滚子球基面的球心，B点为滚子球基面与大挡边的切点，则O'B为滚子球基面半径，则O'B⊥AG，

过O'点做O'B的垂线与OA交于C点，过C点做AG的垂线与AG交于E点，

则：AB=AE+EB=AE+O'C，（1）

AE=CE·ctg∠EAO=O'B·ctgθ=ρ'ctgθ，（2）

在△O'OC中，∠O'OC为滚子球半角，且

∠O'CO=∠BOA=θ，

OC=OA-CA=ρ0-ρ'/sinθ，

根据正弦定理：

$\frac{O^{\′}C}{\sin \∠O^{\′}\mathrm{OC}}=\frac{\mathrm{OC}}{\sin \∠{\mathrm{OO}}^{\′}C}$

由（1）、（2）和（3）式推出滚子球基面与大挡边的接触位置为：

由（4）式得出滚子球基面半径为：

其中公式中的：

ρ’—滚子球基面半径，

ρ0—内圈滚道顶点至大挡边与内圈滚道交点的距离，

θ—大挡边与内圈滚道夹角，

滚子球半角，

AB—滚子球基面与大挡边接触点至大挡边与内圈滚道交点距离；

所述的大挡边与滚子球基面接触凸度设计：

设F为油沟与大挡边的交点，F'为O'F与滚子球基面的交点，

则有效挡边的凸度位置为：

凸度量：

${\mathrm{FF}}^{\′}=O^{\′}F-O^{\′}{F}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},---\left(7\right)$

所述的滚子球基面半径为：

其中公式中的：

ρ’-滚子球基面半径，

ρ0-内圈滚道顶点至大挡边与内圈滚道交点的距离，

θ-大挡边与内圈滚道夹角，

滚子球半角，

AB-滚子球基面与大挡边接触点至大挡边与内圈滚道交点距离，

所述的大挡边与滚子球基面接触凸度为：

${\mathrm{FF}}^{\′}=\sqrt{{\mathrm{BF}}^2+{\mathrm{\ρ}}^{\′2}}-{\mathrm{\ρ}}^{\′},$

其中公式中：

FF'—大挡边与滚子球基面接触凸度，

BF—滚子球基面与大挡边接触点至油沟的距离，

ρ‘—滚子球基面半径。

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