CN103277408A - 高精密双列圆柱滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精密双列圆柱滚子轴承，其包括采用SKF-3#钢制成的外圈与内圈、分体增强尼龙66模注型保持器以及陶瓷滚子，所述陶瓷滚子的母线形状为中间凸度较小，两端凸度较大的对数曲线形状。本发明主要可应用于机床主轴上，可以达到精密机床主轴轴承高精度、高转速、低温升、低噪音、高刚性和长寿命的性能要求。

Description

高精密双列圆柱滚子轴承

技术领域

本发明涉及一种双列圆柱滚子轴承，还涉及一种对数曲线修型滚子。

背景技术

高精密双列圆柱滚子轴承主要用在机床主轴上，而机床行业正向着高效率、高精度、自动化程度高的国际先进机床方向发展，这些高科技机床的诞生，要求与其配套的高精密双列短圆柱滚子轴承也向高精度、高转速、高寿命、低温升等优良性能方向发展。

为正确应对高速化已成世界机械发展的潮流，并满足机床主轴高精度、高速化发展的需要，全面推进全国机械行业高速化发展进程，本发明提供一种高精密双列圆柱滚子轴承，以推进中国机床行业高速发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种高精密双列圆柱滚子轴承，满足机床主轴高精度、高速化发展的需要。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：包括外圈、内圈、保持器以及滚子，所述滚子的母线形状为中间凸度较小，两端凸度较大的对数曲线形状，所述对数曲线为：

$y=\frac{2(1-V^2)}{\mathrm{\π}\·E}\·\frac{W}{L_{\mathrm{we}}}\·\ln \frac{1}{1-{\left(\frac{2x}{L_{\mathrm{we}}}\right)}^2}(x\≠\mathrm{Lwe}/2)$

式中：Lwe——滚子有效长度；

V——滚子材料的泊松比；

E——滚子材料弹性模量；

W——滚子负荷；

x——母线上的点沿滚子轴线上的坐标；

y——母线上的点沿滚子径向上的坐标。

其中：所述外圈与内圈的材料采用SKF-3#钢。

其中：所述保持器是分体增强尼龙66模注型保持器，其采用玻璃纤维增强尼龙PA66材料注塑成型。

其中：所述保持器的窗孔的间梁的内外分别带有内弹性爪与外弹性爪，使滚子被锁定在保持器的窗孔中。

其中：所述对数曲线中，Lwe=Lw-2rmax，Lw为滚子总长度，rmax为滚子的最大轴向倒角长度。

所述对数曲线中，W=5Pr∕Z；Pr为轴承的实际负荷；Z为轴承中滚动体的个数。

与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是：

1.本发明采用对数曲线修型滚子，滚子凸度形式为即变曲。如图3所示，所述滚子的母线形状为中间凸度较小，两端凸度较大的对数曲线形状，实现了均匀载荷分布，不仅减少了边缘应力，提高了滚子的疲劳寿命，而且提高了轴承的精度保持性。

2.陶瓷滚子具有低密度、高硬度、低摩擦系数，耐磨、自润滑及刚性好等特点，特别适合做高速、高精度及长寿命混合陶瓷轴承的滚动体。在润滑条件恶劣的情况下工作，干运转性能优异，可广泛的应用于航空、航天、航海、汽车、机床、纺织、医药、科研及军事技术等领域，是具有国际先进水平的新材料高科技产品。

3.由于增强尼龙PA66材料比重只是黄铜的15%，用此材料制造的保持器具有较低的离心力，有利于轴承高速运转；尼龙与滚子接触摩擦系数小，温升低，使轴承的振动噪音减小，满足了该系列轴承高精度、高转速、低温升、低噪音、高刚性的性能要求，并提高了可靠性。增强尼龙66模注型保持器还可以提高轴承的极限转速和寿命，通常可以在-40℃～120℃温度范围内长期稳定工作。

附图说明

图1a-图1d分别是内圈双挡边有角度，内圈双挡边无角度，内圈无挡边有角度，以及内圈无挡边无角度的现有双列圆柱滚子轴承的轴承内圈结构示意图；

图2a-图2d分别是外圈无挡边无油槽油孔，外圈无挡边有油槽油孔，外圈双挡边有油槽油孔，以及外圈双挡边无油槽油孔的现有双列圆柱滚子轴承的轴承外圈结构示意图；

图3是本发明提供的对数曲线修型滚子的剖视结构示意图；

图4、图4a是传统的双列圆柱滚子轴承保持器的整体式车制黄铜保持器的主视图及其剖视图；

图5、图5a是传统的双列圆柱滚子轴承保持器的分体式车制黄铜保持器的主视图及其剖视图；

图6、图6a本发明采用的新型分体增强尼龙66模注型保持器的主视图与侧视图；

图6b、图6c分别是本发明采用的新型分体增强尼龙66模注型保持器在应用于外圈无挡边结构以及外圈双挡边结构的窗孔部分结构示意图；

图7a、图7b分别是两种高精密双列圆柱滚子轴承的装配结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，详细论述本发明提供的高精密双列圆柱滚子轴承的结构设计：

一、轴承内、外套圈的设计

现有双列圆柱滚子轴承的轴承内圈常见的有内圈双挡边和内圈无挡边，且内圈内径无角度的和有1:12的角度的结构，参考见图1a-图1d。而外圈结构常见的也是外圈双挡边和外圈无挡边的，同时外圈外径上不带油槽油孔的，还有外径上带油槽和油孔的，参考见图2a-图2d，其中，油槽和油孔的主要作用，就是用以改善润滑性能，减少了轴承的摩擦与磨损，降低温升，提高了轴承的极限转速。

为了提高轴承的稳定性，本发明的套圈材料不选用普通的轴承钢，而是采用SKF-3#钢，套圈增加了深冷处理（高冷冻），磨削加工采用了无火花及微火花磨削，并采用了人工时效。SKF-3#钢具有高耐磨性、高淬透性、切削性好、抗疲劳能力强、热加工性好等优点，使高精密双列圆柱滚子轴承具有好的基础。

二、滚动体设计

对于双列圆柱滚子轴承最常见的滚动体材料就是轴承钢，而本发明采用陶瓷材料，使陶瓷滚子具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速等特性，适用于极度恶劣的环境及特殊工况。

为了提高滚子的承载能力和疲劳寿命，必须从轴承设计和应用两个方面采取措施减少或消除边缘应力集中，设计方面通常的办法是减少滚子两端的直径，采用带凸度的滚子，改善滚子母线表面形状。以往的滚子采用圆弧全凸度型或圆弧修缘凸度型，圆弧全凸度型滚子，其母线是一段圆弧线。轻载时，接触状态近于点接触，滚子的稳定性较差，容易发生偏斜；当载荷增大时，可以使滚子全长进入接触且不发生边缘应力效应，滚子中部往往有较高的压力锋。因此，全凸度滚子存在接触压力集中缺点;圆弧修缘凸度型滚子，滚子母线中部为直线，两端是两段修缘圆弧，在圆弧与直线相交处有明显的几何交点。这种滚子的工作长度也是随载荷变化的，滚子全长进入接触且不发生边缘效应，稳定性虽然比全凸度滚子好，但是还不够理想。

因此，本发明采用对数曲线修型滚子，滚子凸度形式为即变曲。如图3所示，所述滚子的母线形状为中间凸度较小，两端凸度较大的对数曲线形状，实现了均匀载荷分布，不仅减少了边缘应力，提高了滚子的疲劳寿命，而且提高了轴承的精度保持性。

所述的对数曲线为：

$y=\frac{2(1-V^2)}{\mathrm{\π}\·E}\·\frac{W}{L_{\mathrm{we}}}\·\ln \frac{1}{1-{\left(\frac{2x}{L_{\mathrm{we}}}\right)}^2}(x\≠\mathrm{Lwe}/2)$

式中：Lwe——滚子有效长度（单位：mm），Lwe=Lw-2rmax，Lw为滚子总长度，rmax为滚子的最大轴向倒角长度；

V——滚子材料的泊松比；

E——滚子材料弹性模量；（单位：N/m²）

W——滚子负荷（单位：N），在轴承中一般取最大滚动体负荷来计算，即W=5Pr∕Z；Pr为轴承的实际负荷；Z为轴承中滚动体的个数；

x——母线上的点沿滚子轴线上的坐标；

y——母线上的点沿滚子径向上的坐标。

图3中，δ为凸度值，其值由轴承额定载荷、滚子大小决定。

三、保持器设计

保持器在整套轴承中作用非常重要，概括起来有以下四点：其一，隔离滚动体，使滚动体之间保持合适的距离，防止两相邻滚动体之间直接接触，减少摩擦热；其二，使滚动体均匀地分布在整个轴承内，使轴承载荷能够更均匀地分布，并且能够降低振动和噪音；其三，在无载荷区域引导滚动体，以改善轴承的滚动条件和防止出现有损坏性的滑动；其四，对于分离型轴承，本发明就是分离型，在安装或者拆卸其中一个轴承套圈时，可以使滚动体与保持器及内圈（或外圈）为一体。

传统的双列圆柱滚子轴承保持器一直是整体式（如图4、图4a所示）或分体式（如图5、图5a所示）车制黄铜保持器，但是，黄铜比重大，黄铜保持器对轴承的高速性能有很大的限制，并且制造成本高。

因此，本发明采用一种性能优良、成本相对较低的新型分体增强尼龙66模注型保持器（如图6、图6a所示），其采用玻璃纤维增强尼龙PA66材料注塑成型。

同时，本发明还对保持器的结构进行了改进设计：保持器03的窗孔的间梁的内外分别带有内弹性爪07与外弹性爪08（见图6b、图6c），滚子04被锁定在保持器03的窗孔中，窗孔与滚子04接触面积较大，滚子04在保持器03中具有良好的定位，保证滚子04在窗孔中的稳定性和旋转灵活性；所述内、外弹性爪07、08使滚子04、保持器03、内圈合为一体，使装配方便，提高了生产效率，这是铜保持器无法实现的。

由于增强尼龙PA66材料比重只是黄铜的15%，用此材料制造的保持器具有较低的离心力，有利于轴承高速运转；尼龙与滚子接触摩擦系数小，温升低，使轴承的振动噪音减小，满足了该系列轴承高精度、高转速、低温升、低噪音、高刚性的性能要求，并提高了可靠性。增强尼龙66模注型保持器还可以提高轴承的极限转速和寿命，通常可以在-40℃～120℃温度范围内长期稳定工作。

四、装配结构

如图7a、图7b所示，是两种所述高精密双列圆柱滚子轴承的装配结构示意图，其均包括外圈01、内圈02、尼龙保持器03以及陶瓷滚子04。

外圈无挡边结构如图7a所示，装配时保持架03、滚子04、内圈02为一组合体，滚子04在保持架03外弹性爪08处装入，保持架03窗孔部分结构如图6b所示；外圈双挡边结构如图7b所示，装配时保持架03、滚子04、外圈01为一组合体，滚子04在保持架03内弹性爪07处装入，保持架03窗孔部分结构如图6c所示。

五、高精密双列圆柱滚子轴承在具体应用中的优点

1、随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷滚子用于双列圆柱滚子轴承，已经从过去只在一些高、精、尖领域小范围内应用，逐步推广到国民经济各个工业领域，产品市场价格也逐渐接近实用化，达到用户可接受的程度，陶瓷滚子轴承大面积应用的浪潮已经涌来！陶瓷滚子在双列圆柱滚子轴承突出优点表现在：

第一，由于陶瓷滚子几乎不怕腐蚀，所以，陶瓷滚动轴承适宜于在恶劣介质条件下作业。

第二，由于陶瓷滚子的密度比钢低，重量比正常滚子要轻得多，因此转动时对外圈的离心作用可降低40%，进而使轴承的寿命大大延长。

第三，陶瓷受热胀冷缩的影响比钢小，因而在轴承的间隙一定时，可允许轴承在温差变化较为剧烈的环境中工作。

第四，由于陶瓷的弹性模量比钢高，受力时不易变形，因此有利于提高工作速度，并保持较高的精度。

陶瓷滚子具有低密度、高硬度、低摩擦系数，耐磨、自润滑及刚性好等特点，特别适合做高速、高精度及长寿命混合陶瓷轴承的滚动体。在润滑条件恶劣的情况下工作，干运转性能优异，可广泛的应用于航空、航天、航海、汽车、机床、纺织、医药、科研及军事技术等领域，是具有国际先进水平的新材料高科技产品。

2、增强尼龙66模注型保持器是在近几年才应用到双列圆柱滚子轴承中的。当然，轴承的保持器类型很多，像深沟球轴承的保持器就有好多种，其中常用的保持器材料有铁保、铜保、塑保和陶瓷纤维等，各种保持器有各自的优缺点，但现在的尼龙保持器用的也越来越多了，它的优点有什么呢？轴承的尼龙保持器，简称塑保，是目前替代铜保持器的新一代产品，相对金属保持器而言，有着很多优点。

第一，它重量轻，提高了轴承的灵活性，如果用于电器或者功耗产品，对于节能有很大的作用。

第二、它噪音低，是制造静音轴承的首选，特别是对噪音要求很高的电器，尼龙保持器是首先被选择的。

第三、它能有效延长轴承的使用寿命，尼龙保持器对滚动体的摩擦低于金属保持器对钢球的摩擦，大大延长了轴承的使用寿命。

第四、制造工艺性好，大大提高了生产效率，降低了生产成本。

增强尼龙66模注型保持器主要材料成份为玻璃纤维增强尼龙66并添加抗老化剂、其具有很好的强度和弹性、抗化学腐蚀、抗老化和尺寸稳定性好的特点，国内外已大量应用作为保持器，在许多类型轴承中已经把尼龙保持器作为标准结构。

总之，本发明主要可应用于机床主轴上，可以达到精密机床主轴轴承高精度、高转速、低温升、低噪音、高刚性和长寿命的性能要求。

Claims (6)

1.一种高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：包括外圈、内圈、保持器以及滚子，所述滚子的母线形状为中间凸度较小，两端凸度较大的对数曲线形状，所述对数曲线为：

$y=\frac{2(1-V^2)}{\mathrm{\π}\·E}\·\frac{W}{L_{\mathrm{we}}}\·\ln \frac{1}{1-{\left(\frac{2x}{L_{\mathrm{we}}}\right)}^2}(x\≠\mathrm{Lwe}/2)$

式中：Lwe——滚子有效长度；

V——滚子材料的泊松比；

E——滚子材料弹性模量；

W——滚子负荷；

x——母线上的点沿滚子轴线上的坐标；

y——母线上的点沿滚子径向上的坐标。

2.根据权利要求1所述的高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：所述外圈与内圈的材料采用SKF-3#钢。

3.根据权利要求1所述的高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：所述保持器是分体增强尼龙66模注型保持器，其采用玻璃纤维增强尼龙PA66材料注塑成型。

4.根据权利要求1所述的高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：所述保持器的窗孔的间梁的内外分别带有内弹性爪与外弹性爪，使滚子被锁定在保持器的窗孔中。

5.根据权利要求1所述的高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：所述对数曲线中，Lwe=Lw-2rmax，Lw为滚子总长度，rmax为滚子的最大轴向倒角长度。

6.根据权利要求1所述的高精密双列圆柱滚子轴承，其特征在于：所述对数曲线中，W=5Pr∕Z；Pr为轴承的实际负荷；Z为轴承中滚动体的个数。

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