CN103697067A - 向心球轴承的低摩擦实现方法及浅沟向心球轴承 - Google Patents

向心球轴承的低摩擦实现方法及浅沟向心球轴承 Download PDF

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赵思澄
陈淑英
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Abstract

本发明涉及一种浅沟向心球轴承，包括外圈、内圈、嵌入外圈沟道和内圈沟道之间的滚珠和将滚珠沿圆周方向均匀分隔的保持器，外圈或/和内圈的沟道深度同滚珠半径之比即沟深系数小于对应的深沟球轴承，沟道深度减小一般通过调整套圈挡边直径或沟边倒角实现。浅沟向心球轴承，减少了沟深，也就减少了套圈沟道对滚珠的包容摩擦面积，对减小轴承的能耗、启动摩擦力矩、运转摩擦力矩、温升，提高轴承的运转灵敏度等非常有利，是滚动轴承减摩设计、灵敏设计、绿色设计的重要手段，浅沟向心球轴承的发明，具有非常重要的工程实际意义。

Description

向心球轴承的低摩擦实现方法及浅沟向心球轴承
技术领域
本发明涉及特种滚动轴承技术领域，特别涉及一种向心球轴承的低摩擦实现方法、及套圈沟道深度比现行深沟球轴承浅的浅沟向心球轴承。
背景技术
在所有类型滚动轴承中，单列向心球轴承用途最广、用量最大，现行单列向心球轴承都采用深沟设计，并因此称为深沟球轴承（Deep Groove Ball Bearing，缩写为DGBB），所以，深沟球轴承几乎成了向心球轴承的代名词。深沟球轴承固然有其优点，比如，套圈整体机械强度增加、轴承的轴向承载能力较大等等。
但随着主机向高速、轻量化、低摩擦、绿色环保等方向发展，越来越多的主机要求轴承低能耗、低扭矩、低温升、高灵敏度等等，虽然这些要求的评价方式、表述方式不同，但有一点是共同的，就是这些要求都与轴承最主要的接触摩擦副套圈沟道与滚珠的接触摩擦密切相关，都指向轴承的低摩擦设计。为达到这些要求，不少用户已花费很大力气，包括提高套圈沟道表面的加工精度，尤其是降低粗糙度和不圆度，降低润滑脂的黏度甚至减少注脂量等，虽有收效，但很多场合仍然不能满足主机的要求，有些调整比如一味降低油脂的黏度或减少注脂量还会对轴承的安全可靠运行带来负面的影响。因此，迫切需要从其它方面或途径找到低摩擦深沟球轴承的解决方案。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种向心球轴承的低摩擦实现方法，以解决现有低摩擦方式比如一味降低油脂的黏度或减少注脂量不能使低摩擦满足现有的要求、还会对轴承的安全可靠运行带来负面影响的技术问题。
本发明的第二目的在于提供一种向心球轴承，以解决现有技术深沟球轴承因摩擦不够低而引起的功耗较大、力矩偏高、温升较大、不够灵敏等技术问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种浅沟向心球轴承，包括外圈、内圈、嵌入外圈沟道和内圈沟道之间的滚珠和将滚珠沿圆周方向均匀分隔的保持器，所述轴承中，外圈或/和内圈的沟深系数，即沟道深度同滚珠半径之比，小于现行深沟球轴承对应的沟深系数。
所述的浅沟向心球轴承，外圈或/和内圈的沟深系数，对直径系列100向心球轴承，小于0.35；对直径系列200和300向心球轴承，当轴承内径小于等于25毫米时，小于0.35，当轴承内径大于25毫米时，小于0.40；对直径系列400向心球轴承，小于0.40；对采用带爪保持器的向心球轴承，小于0.30。
所述的浅沟向心球轴承，在滚珠直径一定的情况下，外圈沟道变浅的方法包括：（1）减小外圈沟道直径，或/和（2）加大外圈挡边直径，或/和（3）在外圈沟道和挡边之间倒角。
所述的浅沟向心球轴承，在滚珠直径一定的情况下，内圈沟道变浅的方法包括：（1）增大内圈沟道直径，或/和（2）减小内圈挡边直径，或/和（3）在内圈沟道和挡边之间倒角。
所述的浅沟向心球轴承，当套圈沟道和挡边之间没有倒角时，其沟道深度为沟底至挡边的径向距离；当套圈沟道和挡边之间倒角时，其沟道深度为沟底至沟道圆弧和倒角交点的径向距离。
所述的浅沟向心球轴承，套圈材料包括金属、陶瓷、塑料、碳石墨、复合材料。
所述的浅沟向心球轴承，所述的浅沟向心球轴承，其特征在于，包括单列、双列或多列浅沟向心球轴承，也包括包含浅沟的球和滚子混合两列或多列向心轴承。
与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：
本发明浅沟向心球轴承，相对现行技术深沟球轴承，外圈和内圈中，至少有一个套圈沟深系数减少即沟道变浅，这样就减少了套圈沟道和滚珠之间的摩擦接触面积（包括滚珠和沟道直接接触面积以及通过润滑剂间接接触面积），因此减少了套圈沟道—滚珠接触副之间的摩擦，摩擦的减少就意味着功耗的降低、启动和摩擦力矩的降低、温升的降低和灵敏度的提高。因此，浅沟向心球轴承能够在深沟球轴承各种技术手段用尽都仍然无法满足主机低功耗、低温升、高灵敏度等苛刻要求的情况下排上用场，符合低摩擦、绿色设计和制造的潮流和趋势，具有非常重要的工程实际意义。
附图说明
图1为本发明浅沟向心球轴承剖面示意图；
图2A为本发明沟边无倒角浅沟外圈剖面示意图，图2B为沟边倒角浅沟外圈剖面示意图；
图3A为本发明沟边无倒角浅沟内圈剖面示意图，图3B为沟边倒角浅沟内圈剖面示意图。
具体实施方式
图1为本发明浅沟向心球轴承剖面示意图，包括外圈11、内圈12、滚珠13、保持器14、润滑脂15和密封圈16，该浅沟向心球轴承，与同型号的深沟球轴承具有相同的内径、外径、宽度、滚珠直径和润滑脂，但外圈11和内圈12中，至少有一个套圈其沟深系数即沟道深度小于同型号的深沟球轴承。
具体是：对直径系列100向心球轴承，小于0.35；对直径系列200和300向心球轴承，当轴承内径小于等于25毫米时，小于0.35，当轴承内径大于25毫米时，小于0.40；对直径系列400向心球轴承，小于0.40；对采用带爪保持器的向心球轴承，小于0.30。
工程实际中，在轴承中心圆直径（又称轴承球组节圆直径）和轴承径向游隙确定的情况下，套圈沟道直径随之确定，因此，浅沟向心球轴承的实现，主要通过调整套圈挡边直径和对沟道边缘倒角实现。
对外圈，如图2A，滚珠直径为Db，外圈沟道直径为Do，挡边直径为D2，沟道深度为Ho，沟边没有倒角，那么Ho=(Do-D2)/2，沟深系数用Kd表示，Kd=Ho/(0.5Db)，当浅沟向心球轴承的外圈为浅沟外圈时，Kd应满足上述浅沟向心球轴承的对应值，如对6302轴承，直径系列为300，内径小于25毫米，Kd应小于0.35；如图2B，滚珠直径仍为Db，外圈沟道直径仍为Do，挡边直径为D2 -（表示小于图2A中的D2，因此外圈壁加厚），沟道深度若要仍为Ho，沟边需要倒角，倒角后，Ho<(Do-D2 -)/2，沟深系数Kd仍然等于Ho/(0.5Db)。
对内圈，如图3A，滚珠直径为Db，内圈沟道直径为di，挡边直径为d2，沟道深度为hi，沟边没有倒角，那么hi=(d2-di)/2，沟深系数用Kd表示，Kd=hi/(0.5Db)，当浅沟向心球轴承的内圈为浅沟内圈时，Kd应满足上述浅沟向心球轴承的对应值，如对6204轴承，直径系列为200，内径小于25毫米，Kd应小于0.35；如图3B，滚珠直径仍为Db，内圈沟道直径仍为di，挡边直径为d2 +（表示大于图3A中的d2，因此内圈壁加厚），沟道深度若要仍为hi，沟边需要倒角，倒角后，hi<(d2 +-di)/2，沟深系数Kd仍然等于hi/(0.5Db)。
挡边高度系数用Ka表示，其与上述定义的沟深系数Kd之和为1，因此Ka和Kd都可以用来描述沟道的深度，为直观起见，本发明采用沟深系数Kd来描述。
相对同型号深沟球轴承，浅沟向心球轴承外圈沟道变浅通过增大外圈挡边直径，直到沟深系数满足上述浅沟要求。但增大外圈挡边直径意味着外圈壁厚变薄和整体机械强度的下降，因此，当外圈壁厚有要求不能变薄时，应采用外圈沟边倒角的方式达到外圈沟道变浅的目的，这样既保证了外圈的壁厚，又控制了外圈沟道的深度。
对内圈，沟道变浅通过减小内圈挡边直径，直到沟深系数满足上述浅沟要求。但减小内圈挡边直径意味着内圈壁厚变薄和整体机械强度的下降，因此，当内圈壁厚有要求不能变薄时，应采用内圈沟边倒角的方式达到内圈沟道变浅的目的，这样既保证了内圈的壁厚，又控制了内圈沟道的深度。
另外，在使套圈沟深变浅的技术措施中，外圈挡边直径增大或/和内圈挡边直径减小，使得外圈挡边和内圈挡边之间的径向距离变大，有利于保持器宽度的增加；套圈沟边倒角还有利于避免套圈和滚珠合套时沟边尖棱对滚珠表面的划伤，也有利于沟边储存润滑脂。
浅沟向心球轴承，与同型号的深沟球轴承相比，径向承载能力没有丝毫降低，轴向极限承载能力可能会有不同程度的降低。
本发明提供一种浅沟向心球轴承，其相对于目前在全球范围内广泛采用的深沟球轴承而言，至少有一个套圈其沟深系数小于对应的深沟球轴承，在向心球轴承所受轴向载荷不是很大的情况下，通过调整套圈的挡边直径或采用沟边倒角的方式，减小套圈的沟道深度，设计、制造出浅沟向心球轴承。
如果套圈壁厚充裕，一般采用调整套圈挡边直径减小沟深，对外圈是增大其挡边直径，对内圈是减小其挡边直径；如果套圈壁厚并不充裕，可保持套圈挡边直径不变或不作明显调整，而是采取沟边倒角的方式实现套圈沟道深度的降低。
当主机对功耗、力矩、温升、灵敏度要求苛刻，深沟球轴承反复优化都无法满足要求的情况下，具有同样外径、内径、宽度和径向承载能力的浅沟向心球轴承是非常好的选择，因此，浅沟向心球轴承并不简单是深沟球轴承的反向设计，而是基于对滚动轴承摩擦学属性的深刻理解，将用户对功耗、力矩、温升、灵敏度等方面的要求巧妙地转化到如何减小轴承接触摩擦上，对轴承进行低摩擦设计的结果。
浅沟向心球轴承特别适用于对温升要求比较高的高频内置式振动棒轴承，对能耗要求比较高的消防衣供电电机轴承，对灵敏度要求比较高的分丝转子轴承、流量计轴承、陀螺轴承等。
浅沟向心球轴承并不局限于单列浅沟向心球轴承，还包括双列和多列浅沟向心球轴承、包含浅沟球轴承列的球与滚子混合轴承，同时不受轴承材料和尺寸的限制。
一种向心球轴承的低摩擦实现方法，包括：设置轴承外圈和轴承内圈中至少有一个套圈沟深系数减少，以减少套圈沟道和滚珠之间的摩擦接触面积，由此实现低摩擦，并且，所述沟深系数为沟道深度同滚珠半径之比，其至少要小于同型号深沟球轴承对应的沟深系数。
在预先要求的低摩擦范围内时，可以预先获知沟深系数的范围。减少套圈的沟深系数包括减少沟道深度，其进一步包括：
当套圈沟道和挡边之间没有倒角时，减少沟道深度为减少沟底至挡边的径向距离；当套圈沟道和挡边之间倒角时，减少沟道深度为减少沟底至沟道圆弧和倒角交点的径向距离。
在滚珠直径一定的情况下，设置外圈的沟深系数减少的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤：
A1:减小外圈沟道直径，
A2:加大外圈挡边直径，
A3:加设或加大在外圈沟道和挡边之间的倒角。
或，在滚珠直径一定的情况下，设置内圈的沟深系数减少的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤：
B1:增大内圈沟道直径，
B2:减小内圈挡边直径，
B3:加设或加大在内圈沟道和挡边之间倒角。
以下结合附图，对本发明加以详细描述。
实施例一，某低温升应用场合浅沟向心球轴承6302
该场合对温升的要求特别高，现用深沟球轴承6302采用多种技术措施仍然不能满足主机要求，因此需要采用对应的浅沟向心球轴承6302，且仅外圈采用浅沟设计，下表为实际尺寸对比。
技术参数（名义值） 现行深沟球轴承6302 本发明外圈浅沟向心球轴承6302
Do/mm 37.448 37.475
D2/mm 34.43 35.10
Ho/mm 1.509 1.188
Db/mm 7.9375 7.9375
Kd 0.380 0.299
浅沟向心球轴承6302仅外圈为浅沟设计，相比深沟球轴承6302，浅沟外圈的挡边直径明显增大，沟道直径略微增大，沟道深度从原来的1.509毫米降低到1.188毫米，沟深系数从原来的0.380降为0.299，小于0.35，是明显的浅沟。这样的浅沟向心球轴承能够满足该主机对温升的苛刻要求。
实施例二，某低能耗场合用浅沟向心球轴承6204
该场合原用深沟球轴承6204，功耗不能满足主机要求，虽经改进但效果不佳，采用外圈和内圈同为浅沟的向心球轴承6204较好地解决了这一问题，浅沟的实现方法是不改变现行深沟球轴承6204的套圈沟道直径及套圈挡边直径，而是采取沟边倒角方式，实际参数如下表。
Figure BDA0000444326390000071
Figure BDA0000444326390000081
浅沟向心球轴承6204通过沟边倒角的方式实现外圈和内圈的浅沟设计，深沟球轴承6204外圈沟深系数和内圈沟深系数分别为0.35和0.38，而本发明浅沟向心球轴承6204则分别是0.30和0.33，均小于0.35，是明显的浅沟。这样设计、制造的6204浅沟向心球轴承能够满足主机的低能耗要求。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种向心球轴承的低摩擦实现方法，其特征在于，包括：
设置轴承外圈和轴承内圈中至少有一个套圈沟深系数减少，以减少套圈沟道和滚珠之间的摩擦接触面积，由此实现低摩擦，并且，所述沟深系数为沟道深度同滚珠半径之比，其至少要小于同型号深沟球轴承对应的沟深系数。
2.如权利要求1所述的方法 ，其特征在于，减少套圈的沟深系数包括减少沟道深度，其进一步包括：
当套圈沟道和挡边之间没有倒角时，减少沟道深度为减少沟底至挡边的径向距离；当套圈沟道和挡边之间倒角时，减少沟道深度为减少沟底至沟道圆弧和倒角交点的径向距离。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在滚珠直径一定的情况下，设置外圈的沟深系数减少的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤：
A1:减小外圈沟道直径，
A2:加大外圈挡边直径，
A3:加设或加大在外圈沟道和挡边之间的倒角。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在滚珠直径一定的情况下，设置内圈的沟深系数减少的步骤包括以下步骤中的至少一个步骤：
B1:增大内圈沟道直径，
B2:减小内圈挡边直径，
B3:加设或加大在内圈沟道和挡边之间倒角。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，外圈或/和内圈的沟深系数，对直径系列100向心球轴承，沟深系数小于0.35；对直径系列200和300向心球轴承，当轴承内径小于等于25毫米时，沟深系数小于0.35，当轴承内径大于25毫米时，沟深系数小于0.40；对直径系列400向心球轴承，沟深系数小于0.40；对采用带爪保持器的向心球轴承，沟深系数小于0.30。
6.一种浅沟向心球轴承，包括外圈、内圈、嵌入外圈沟道和内圈沟道之间的滚珠和将滚珠沿圆周方向均匀分隔的保持器，其特征在于，所述轴承中，外圈或/和内圈的沟深系数小于当前同型号深沟球轴承对应的沟深系数。
7.如权利要求6所述的浅沟向心球轴承，其特征在于，外圈或/和内圈的沟深系数，对直径系列100向心球轴承，小于0.35；对直径系列200和300向心球轴承，当轴承内径小于等于25毫米时，小于0.35，当轴承内径大于25毫米时，小于0.40；对直径系列400向心球轴承，小于0.40；对采用带爪保持器的向心球轴承，小于0.30。
8.如权利要求6所述的浅沟向心球轴承，其特征在于，在滚珠直径一定的情况下，外圈沟道为以下的至少一种：A1:减小外圈沟道直径的外圈沟道，A2:加大外圈挡边直径的外圈沟道，A3:在外圈沟道和挡边之间设置倒角的外圈沟道。
9.如权利要求6所述的浅沟向心球轴承，其特征在于，在滚珠直径一定的情况下，内圈沟道为以下的至少一种：B1:增大内圈沟道直径的内圈沟道 ，B2:减小内圈挡边直径的内圈沟道，B3:在内圈沟道和挡边之间设置倒角的内圈沟道。
10.如权利要求6所述的浅沟向心球轴承，其特征在于，包括单列、双列或多列浅沟向心球轴承，也包括包含浅沟的球和滚子混合两列或多列向心轴承。
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