CN103717925A - 滚子轴承的挡边的几何设计 - Google Patents

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Abstract

一种滚子轴承的轴承圈(30)，具有用于至少一个滚子(13)的滚道(14;15)，具有用于传递轴向力的、设置在滚道端面上的挡边(31)，所述挡边(31)从滚道向外延伸。具有面向滚道(14;15)的、用于滚子(13)的止挡面(32)具有特殊的几何，所述止挡面的曲率从起始点(33)至止挡面的端部(34)是单调递减的。

Description

滚子轴承的挡边的几何设计
本发明涉及一种用于滚子、尤其是用于圆锥滚子的挡边的几何设计。
滚子轴承、例如圆锥滚子轴承中的引导挡边可以或是直线形，或是球面的。直线形挡边主要用于具有较小直径和因此也具有较小挡边宽度的滚子轴承。在此，挡边宽度常常太小从而不能在以供使用的挡边面上制造出特定的型廓。球面挡边、也即具有恒定曲率的挡边大多数情况下用于具有较大直径和因此也具有较大挡边宽度的滚子轴承。球面挡边的特征在于，半径描绘了面向滚子滚道的挡边形状，该半径的原点基本位于滚子的旋转轴线(滚子转动轴线)上，其中允许由于轴心差引起的微小的偏差。
为了进一步说明具有球面挡边的滚子轴承，图1显示了例如设计为圆锥滚子轴承的滚子轴承10的纵切面的示意图。滚子轴承10具有轴承内圈11、轴承外圈12和多个滚子13，滚子13能够在由轴承圈11、12构成的滚动面或滚道14、15上滚动。在圆锥滚子轴承中，滚子或滚动体13相应地是指圆锥滚子。
圆锥滚子13能够在成型于轴承内圈11上的内侧滚道14上和成型于轴承外圈12上的外侧滚道15上滚动。滚道14、15在圆锥滚子轴承中被设计为锥形罩。在图1所示的圆锥滚子轴承10的纵切面中，滚道14、15在假想的延长线中定义出内侧直线16和外侧直线17，所述内测直线16和外侧直线17应该相交于滚子轴承10的旋转轴线或转动轴线18的旋转点19上。
在轴承10的运行中，每个(圆锥)滚子13围绕自己的滚子轴线20转动，其中滚子轴线20的假想延长线同样应该与旋转点19相交。通过全部交于旋转点19的内侧直线16、外侧直线17、轴承旋转轴线18和滚子轴线20的相对位置，形成对于圆锥滚子13在滚道14、15上的滚动条件，从而使得在轴承内圈11和轴承外圈12的相对转动时，圆锥滚子13能够基本无滑移地在滚道14、15上滚动并且使得与之相关的滑动摩擦的份额最小化。
为了也优化沿轴向(也就是沿轴承旋转轴线18的方向)在承受轴向力时出现的摩擦，在滚子轴承中使用的滚子在其端面21上具有由第一半径R21确定的第一曲率，从而使滚子13的端面构成球面的一部分，如图1的放大图所示，该球面在接触点22上与例如轴承内圈11的直线形或球面挡边23相接触。在远离可能的接触点22的区域中，所述弯曲的端面还可以具有由第二半径R23定义的第二曲率，该第二曲率小于滚子13的球面端面21的第一曲率。所述滚子在该区域中也可以是平的。曲率通常理解为无穷短的曲线段的每一连续长度上的方向改变。具有半径r的圆因此具有始终相同且恒定的曲率1/r，其方向改变的程度始终相同。在所有其他曲线中，曲率从弯曲点至弯曲点而改变或沿在三维表面上的路径而改变。曲率的倒数称为曲率半径。曲率半径是各种圆(曲率圆)的半径，所述圆在接触点的周围描绘出与所涉及曲线最近似的（曲线）。
在滚子轴承中，例如圆柱、圆筒或圆锥滚子轴承中，那些设有直线形或平面形挡边与设有球面挡边的滚子轴承相比，滚子-挡边-接触在滚子端面21与朝向该滚子端面的挡边面之间具有更高的面压力(赫兹压力)。在此赫兹压力应理解为在两个弹性体的接触面的中部产生的最大应力。如在具有直线形挡边的滚子轴承中，若两个弹性体(弯曲的滚子端面和直线形或平面状挡边)相互挤压，则它们在理想情况下仅会点状地接触。但是在实际情况中，由于弹性在接触点22上形成压平并且形成接触面。在两个(弹性)体的接触面上形成特征化的压力分布(面压力)，其中，在中部的压力始终是最高的。例如在此，如果球形表面和平面的挡边面相接触则形成接触椭圆面。由于相对较高的面压力，则具有直线形挡边的滚子轴承中通常在较大的力作用下会形成相对较差的润滑膜。此外，与球面挡边相比，直线或平面的挡边会导致在滚子端面和与之相对的挡边面之间形成过小的接触椭圆面，因此仅在极端负载下会导致接触椭圆面与挡边棱边的重叠。通常在直线形或平面的挡边中同样存在接触点22相对轴心差的较小的敏感度，因此可以在滚子13和挡边之间定义接触点22。在平面挡边中，一方面能够实现较大的倾斜，然而另一方面在运行中会相对较差地引导滚子。
如图1所示，在大轴承领域中的圆锥滚子轴承设计有球面挡边23，这与直线形或平面挡边相比在滚子端面21与朝向滚子13的挡边面或止挡面之间产生较小的面压力。此外，相对直线形挡边，设计为球面的挡边23使得在滚子端面21和相对的挡边面之间形成更大的接触椭圆面，从而使接触椭圆面常常与挡边棱边重叠并进而产生边缘应力。与设计为直线的或平面的挡边相比，在设计为球面的挡边23中通常对于轴心差具有更高的敏感度。虽然球面挡边一方面会使滚子13的倾斜较小，但是另一方面由于滚子端面21与朝向滚子13的挡边面之间狭窄的润滑，使得滚子13在运行中能更好地被引导。通过选择不同的滚子端面21的曲率半径(和/或其原点)以及球面挡边面，借助球面挡边理论上也可以在滚子13和挡边23之间实现确定的接触点22。
这种球面挡边的主要缺点是，在滚子端面21和挡边23之间的接触点22对于轴心差而产生的敏感度。滚道角度、滚子角度、挡边半径以及滚子端面角度的偏差在此具有决定性的影响。
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种更好的挡边几何设计，其能够减小上述缺点。
为了解决上述技术问题，在此提供一种相应优化的挡边面几何设计，尤其是挡边的朝向滚道的止挡面的特殊几何设计，滚子能够与所述止挡面接触。
所述挡边尤其具有用于滚动体或滚子的、朝向滚道的止挡面，该止挡面的曲率从起始点开始至止挡面的端部是单调递减的。
由此通过弯曲的表面，一方面可以保证较小的赫兹压力，而通过至止挡面的端部的减小的曲率同时可以减小滚子与挡边棱边的重叠的危险。
本发明的一些实施例为此提供一种用于滚动轴承的轴承圈，该轴承圈具有用于至少一个滚子的滚道，所述滚子具有至少局部球形设计的滚子端面。所述轴承圈为了传递轴向力具有从端侧设置在滚道上或与该滚道邻接的挡边，该挡边具有朝向滚子端面的止挡面，该止挡面的曲率从位于止挡面内侧的起始点至止挡面的端部是单调递减的。在一些实施例中，所述挡边或止挡面沿基本垂直于滚道的方向从滚道向外延伸。这例如这样理解，挡边或止挡面这样从滚道向外延伸，使得滚子或滚动体通过与所述止挡面的接触可以阻止平行于滚道的运动。
在一些实施例中，所述起始点设置在止挡面的内侧的与滚道邻接的端部上，这可以最大化地补偿沿一方向的倾斜。所述起始点也可以与挡边棱边或凹槽棱边相邻接。
在另一些实施例中，起始点设置在止挡面的内侧的与滚道邻接的端部与止挡面的外侧的远离滚道的端部之间，其中止挡面的曲率从起始点开始向止挡面的两端单调递减。这可以沿两个不同的方向补偿轴承的倾斜。
滚子-挡边几何设计在一些实施例中这样设计，在理想几何设计中，滚子端面和止挡面之间的接触点或接触区域位于起始点处。
在一些实施例中，所述曲率从起始点开始至滚道的每个端部都是单调递减的，这对于止挡面上的每个点来说都能保证尽可能大的接触椭圆面。
在另一些实施例中，所述单调的曲率走向是这样的，即曲率在包括起始点的第一区域内部是单调递减或严格单调递减的，其中在第一区域和位于止挡面的端部的第二区域之间所述曲率是恒定的或等于零。由此在第二区域中止挡面例如可以是平的并且曲率为零。
按照一些实施例，滚子轴承是圆锥滚子轴承。滚子相应地设计为圆锥滚子。
其他有利的结构设计和扩展设计是从属权利要求的技术内容。
以下参照附图详细阐述本发明的实施例。在附图中：
图1示出具有球面挡边的滚子轴承的纵剖面示意图；
图2示出具有按照本发明的一种实施例的轴承圈的滚子轴承的纵剖面示意图；
图3示出图2中滚子-挡边-接触区的放大视图；
图4示出具有按照本发明的另一种实施例的轴承圈的滚子轴承的纵剖面示意图；以及
图5示出轴承圈的制造方法的实施例的流程示意图。
图2示出具有按照本发明的一种实施例的轴承圈的滚子轴承的局部的纵剖面示意图。
所示的用于滚子轴承的轴承圈30的部分具有用于至少一个滚子13的滚道14。滚子13具有曲面的滚子端面21，该滚子端面例如可以是至少部分球面的。为了传递轴向力，轴承圈30具有从端侧朝向或靠近滚子13的端侧的并且设在滚道14上的挡边31，该挡边31具有朝向滚子端面并且也朝向滚道14的止挡面32。
如不仅在图2中还在图3的放大视图中所示，朝向滚道14的用于滚子的止挡面32的曲率从止挡面32与滚道邻接的起始点33开始至止挡面的端部34是严格单调递减的，从而使当滚子13和止挡面32在所示接触点22接触时滚子13和止挡面32之间的缝隙量d2大于缝隙量d1。换句话说，起始点33是止挡面32上的曲率最大点。
如前所述，曲率应理解为每一长度单位上的方向改变。作为根据符号变化显示方向变化的量度，所述曲率是正的或者是零。例如直线的曲率始终是零，因为其方向不会改变。半径为r的圆具有始终相同的曲率(即1/r)，因为其方向始终以相同程度改变。在所有其他曲线中，曲率从曲线点至曲线点而(逐点)改变。曲线在一个点上的曲率这样描述，即紧邻该点的曲线相对于直线具有多大强度的偏离。用于弯曲面(例如止挡面32)的曲率的度量也可以是所述面相对于在该面的给定点的相切平面上增大的偏离。因此增大的曲率可以理解为从所述平面增大的偏离。单调递减的曲率曲线的含义是，若沿着表面的轨迹移动，所述曲率在每个无穷小的步骤中沿着所述轨迹曲线要么更小，要么保持不变。相应地，严格单调递减的曲率曲线的含义是，所述曲率在每个无穷小的步骤中沿着所述轨迹曲线更小。
在图2和图3所绘的实施例中，起止点直接位于在滚道14与止挡面32之间的凹槽35处，也就是在止挡面32的内侧的、与滚道14邻接的端部上。因此，曲率从起始点33开始至止挡面32的远离滚道的外侧端部34是单调递减的。
按照一些实施例，止挡面32的单调递减或严格单调递减的曲率使得单边31或止挡面32的开口处于大于0°且小于30°的角度范围α中，优选处于0°0′6″≤α≤30°。
止挡面32的开度α例如这样描述，即确定了在止挡面34的端部处的切面38与在从起始点33延长至止挡面34的端部的球形表面40处的第二切面39之间的角度，该球形表面40的曲率与起始点33的曲率一致。在一些实施例中，这种角度处于大于0°且小于30°的范围中。
在结合图2和图3的实施例描述之后(其中起始点33设置在挡边31的下部区域(与挡边棱边/凹槽棱边35邻接)中)，以下结合图4说明另一种实施例，其中起始点33不是与凹槽35邻接，而是在止挡面的内侧与滚道邻接的端部36和止挡面的外侧的、远离滚道的端部34之间。其中，止挡面32的曲率从起始点33朝向滚道的两个端部单调递减或严格单调递减，或单调减小或严格单调减小。
在图4所示的实施例中，滚子-挡边-接触几何设计这样选择，即接触点22位于起始点33的区域中。对止挡面朝向其端部的开口与图3所示的同等适用，也就是描述开口的角度α是0°0′6″≤α≤30°。
为完整起见，还结合图5示出用于制造具有用于至少一个滚子的滚道的滚子轴承的制造方法的实施例。
在准备步骤40中，提供设置在滚道的端侧的挡边，用以传递轴向力，该挡边沿基本垂直于滚道的方向从滚道上向外延伸。
在优化步骤42中，在挡边上形成朝向滚道的用于滚子的止挡面，其中止挡面从起始点至止挡面的端部的曲率是单调递减的。
概括地讲，所提供的挡边形状适用于降低滚子-挡边-接触点相对轴心差的敏感度和轴承在应用中的倾斜，但是又能在滚道上的运行过程中保证对滚子的充分的引导。按照本发明的挡边几何设计保证了在较小的赫兹压力下的良好的滚子引导，以及降低棱边重叠的危险以及由此产生的不期望的棱边应力。
换句话说，按照本发明的挡边几何设计具有以下优点：
-由于弯曲的止挡面32而在运行中保持滚子的引导，
-由于弯曲的止挡面32而具有较小的赫兹压力，
-止挡面32朝向端部减小的曲率相对纯球面形的挡边降低了接触椭圆面的大小，由此避免接触椭圆面与挡边棱边的重叠，
-由于止挡面32朝向端部减小的曲率，降低了在滚子端面21与止挡面32之间的接触点位置相对轴心差的敏感度，
-在滚子13与止挡面32之间的接触点22可以被确定。
所提供的挡边几何设计这样设计，在滚子端面和挡边之间的接触点在起始点33的附近。若接触点22由于轴心差错移至开放的挡边区域中，则敏感度能够大幅降低，这可以阻止理论上的接触点“游移”出挡边棱边，继而避免较高的棱边应力。
虽然本发明结合圆锥滚子轴承和圆锥滚子的实施形式说明，但是实施例不局限在这种结构设计中。原则上本发明也可以用于其他滚子和滚子轴承，例如圆柱形滚子轴承和桶形滚子轴承。
附图标记清单
10 滚子轴承
11 轴承内圈
12 轴承外圈
13 滚子
14 内侧滚子滚道
15 外侧滚子滚道
16 内侧直线
17 外侧直线
18 轴承旋转轴线
19 旋转点
20 滚子轴线
21 滚子端面
22 接触点
23 球面挡边
30 轴承圈的局部
31 轴承圈的挡边
32 止挡面
33 起始点
34 止挡面的外侧端部
35 凹槽
36 止挡面的内侧端部
38 相切平面
39 第二相切平面
40 准备步骤
42 优化步骤

Claims (10)

1.一种滚子轴承的轴承圈(30)，该轴承圈具有用于至少一个滚子(13)的滚道(14;15)，并具有用于传递轴向力的、设置在滚道端面上的挡边(31)，所述挡边(31)从滚道向外延伸并且具有面向滚道(14;15)的、用于滚子(13)的止挡面(32)，所述止挡面的曲率从起始点(33)至止挡面的端部(34)是单调递减的。
2.按照权利要求1所述的轴承圈(30)，其中，所述起始点(33)设置在止挡面(32)的内侧的与滚道邻接的端部(36)与止挡面(32)的外侧的远离滚道的端部(34)之间，其中止挡面(32)的曲率从起始点(33)开始向止挡面的两个端部单调递减。
3.按照权利要求1所述的轴承圈(30)，其中，所述起始点(33)设置在止挡面(32)的内侧的与滚道邻接的端部(36)上。
4.按照前述权利要求之一所述的轴承圈(30)，其中，所述曲率从起始点(33)开始至止挡面(32)的每个端部是严格单调递减的。
5.按照前述权利要求之一所述的轴承圈(30)，其中，在止挡面(32)的端部(34)处的切面(38)和从起始点(33)延长至止挡面(32)的该端部的球形面(40)处的第二切面之间的角度(α)为0°至30°，该球形面具有与起始点处一致的曲率。
6.按照前述权利要求之一所述的轴承圈(30)，其中，所述滚子轴承是使用圆锥滚子(13)的圆锥滚子轴承。
7.按照前述权利要求之一所述的轴承圈(30)，其中，所述轴承圈(30)是轴承内圈。
8.一种滚子轴承，其具有按照权利要求1至7之一所述的轴承圈(30)和至少一个圆锥滚子(13)。
9.按照权利要求8所述的滚子轴承，其中，所述至少一个圆锥滚子在其朝向止挡面(32)的表面区域中具有曲率恒定的弯曲的表面(21)。
10.一种用于制造滚子轴承的轴承圈(30)的方法，该轴承圈(30)具有用于至少一个滚子(13)的滚道(14;15)，所述方法包括：
提供设置在滚道(14;15)的端侧的挡边(31)，用以传递轴向力，该挡边从滚道(14;15)上向外延伸；和
在挡边(31)上形成朝向滚道(14;15)的用于滚子的止挡面(32)，其中，所述止挡面(32)的曲率从起始点(33)至止挡面(32)的端部(34)是单调递减的。
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