CN103906939A - 滚子轴承的滚子的几何设计 - Google Patents

Abstract

一种用于滚子轴承的滚子(13)，其具有在滚道(25)的结束处的端面(21)，其中，该端面具有用于轴承圈(11)的挡边(23)的止挡面(24)，所述止挡面的曲率从止挡面(24)上的起始点(26)至止挡面(24)的端部(28)是单调递增的。

Description

滚子轴承的滚子的几何设计

本发明涉及一种用于滚子轴承、尤其圆锥滚子轴承的滚子的几何设计。

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偏差。

为了减小在滚子轴承的挡边和滚子的端面之间的滑动摩擦，传统滚子的端面朝向挡边的部段是球形的，用于实现较小的接触面。在挡边同样是球形的情况中，挡边的曲率小于滚子的端面的曲率。

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可以在其端面21上具有由半径R确定的曲率，从而使滚子13的端面朝向挡边的部段具有球形面的形状，如图1的放大图所示，该球形面在接触点22上与例如轴承内圈11的直线形或球面挡边23相接触。

所述端侧在远离可能的接触点22的区域中也可以是平的或其他形状，而滚子13的端面朝向挡边的部段具有恒定的曲率。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，曲率从曲线点至曲线点而(逐点)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上形成压平并且进而形成接触面。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与朝向该滚子端面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能在运行中更好地被引导。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。

这种球面挡边和滚子的球面端面的主要缺点是，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。

因此本发明所要解决的技术问题在于，降低在滚子端面和挡边之间的接触点对于轴心差而产生的敏感度。

为了解决所述技术问题，在此提供一种滚子的端面的相应优化的几何设计，尤其是轴承圈的挡边的止挡面的特殊的几何设计，滚子可以利用该挡边与止挡面相接触。

上述端面尤其具有用于轴承圈的挡边的止挡面，止挡面的曲率从止挡面的起始点至止挡面的端部单调递增。

一方面，通过弯曲的表面可以保证较小的赫兹压力，而通过曲率的至止挡面的端部的增大可以同时使得滚子与挡边棱边重叠的风险最小化。也就是说，在滚子端面和挡边之间的接触点相对轴心差的敏感度更小。在这种关系中，端面的每个部分都可以理解为滚子端面上的止挡面，借助所述止挡面在给定的几何关系中滚子的端面理论上能够与轴承圈的挡边相接触。附加地，端面具有其他具有任意几何设计的端面区域、例如平的或弯曲的端面区域。

在本发明的一些实施例中，用于滚子轴承的滚子也具有关闭滚子的滚道的端面，该端面具有用于轴承圈的挡边的止挡面，所述止挡面的曲率从止挡面上的起始点至止挡面的端部是单调递增的。

在一些实施例中，起始点设置在止挡面的外侧的、与滚道邻接的端部上。这可以最大地补偿沿一个方向的倾斜。

在一些实施例中，所述起始点设置在止挡面的外侧的、与滚道邻接的端部与止挡面的内侧的、远离滚道的端部之间，其中止挡面的曲率从起始点至止挡面的两个端部是单调递增的。由此可以补偿轴承朝两个不同方向的倾斜。滚子-挡边几何设计在一些实施例中这样设计，即止挡面和挡边之间的接触点或接触区域在理想的几何设计中位于起始点上。

在一些实施例中，曲率从起始点至滚道的每个端部是严格单调递增的，这对于止挡面上的每个点都能保证优化的接触椭圆面。

在一些实施例中，单调曲率曲线是这样的，曲率在包括起始点的第一区域中是单调递增或严格单调递增的，其中，曲率在位于第一区域与止挡面的端部之间的第二区域中是恒定的或是零。由此，在第二区域中，止挡面可以例如是平的并且曲率是零。

在一些实施例中，止挡面的包括起始点的第一区域具有恒定的曲率，该曲率小于在与第一区域邻接的第二区域中止挡面的第二曲率。换句话说，曲率在第一区域中是恒定的，并且在与第一区域邻接的、并且在第一区域与止挡面的端部之间的第二区域中的曲率同样是恒定的，但是大于第一区域中的曲率。这可以在相同的优势下简化滚子的制造。在另一些实施例中，分别具有恒定曲率的多个区域明显可以相互邻接，其中，离止挡面端部更近的区域的曲率总是大于邻近起始点的区域的曲率。

在一些实施例中这样选择曲率曲线，即在止挡面的端部处的第一切面与在从起始点延长到止挡面的端部的球面处的第二切面之间的角度(α)为0°至30°，上述球面具有与起始点处一致的曲率。在传统的挡边几何设计中，曲率的增大可以充分改善相对轴心差的敏感度。

按照一些实施例，所述滚子是圆锥滚子轴承的圆锥滚子。

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示出按照本发明的一种实施例的具有端面的滚子的纵剖面示意图；

图3示出按照本发明的另一种实施例的具有端面的滚子的纵剖面示意图；

图4示出按照本发明的另一种实施例的具有端面的滚子的纵剖面局部放大示意图；

图5示出滚子的制造方法的实施例的流程示意图。

图2示出按照本发明的一种实施例的滚子的纵剖面示意图。

所示为滚子13的局部。滚子13具有滚子端面21，所述滚子端面包括弯曲的止挡面24，滚子13借助该止挡面与挡边23相接触，或原则上由于几何边缘条件可与挡边23相接触。挡边23在所示实施例中具有纯粹球面形的几何设计，也就是挡边朝向滚子的表面沿径向在整个挡边高度h上具有恒定的曲率。

如不仅在图2中而且在图3的放大视图中所示，端侧21上朝向挡边23的止挡面24的曲率从止挡面24的起始点26至止挡面24的端部28单调递增，也就是说曲率至端部是连续增大的。起始点26位于止挡面24的外侧的、与滚道25邻接的端部上，因此曲率R1小于曲率R2。

当接触点22的位置如图2所示，由止挡面24的曲率曲线得出，在接触点22附近的第一缝隙量30小于另一较远的第二缝隙量32，这使得相对轴心差的敏感度得以降低。

所示实施例的端面除止挡面24之外还具有另一端面区域34，该端面区域是平的，然而在其他实施例中可以具有任意的其他几何设计。

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的程度改变。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程度的偏离。用于弯曲面(例如止挡面24)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。单调递增的曲率曲线的含义是，若沿着表面的轨迹移动，曲率在每个无穷小的间隔中沿着所述轨迹要么更大，要么保持不变。相应地，严格单调递减的曲率曲线的含义是，曲率在每个无穷小的步骤中沿着所述轨迹更小。

在图2和3所绘的实施例中，起始点26直接位于止挡面24与滚道25邻接的端部上。因此，曲率从起始点26至止挡面24的远离滚道25的端部28是单调递增的。

图3示意示出另一实施例，其中曲率不是单调递增的而是部分递增的。也就是说在止挡面24的包括起始点26的第一区域36中具有恒定的第一曲率R1，该第一曲率小于曲面在与第一区域邻接的第二区域38中的第二曲率R2。

在结合图2和3描述实施例后（其中起始点26设置在滚子13的滚道25的边缘上），以下结合图4描述另一种实施例，其中起始点26设置在止挡面24的外侧的与滚道25邻接的端部40与止挡面24的远离滚道25的内侧的端部28之间，其中止挡面的曲率从起始点26朝止挡面的两个端部单调递增或严格单调增大。

止挡面24的曲率改变例如这样描述，如图4所示，确定了在止挡面24的端部40或28处的切面42与在从起始点26延长至止挡面24的端部的球面46处的第二切面44之间的角度α，上述球面46具有与起始点26处一致的曲率。

按照一些实施例，止挡面24的单调递增或严格单调递增的曲率使得止挡面的曲率改变为0°至30°、优选为0°0′6″≤α≤30°。

为完整起见，结合图5阐述用于制造滚子轴承的滚子的制造方法的实施例。

在准备步骤50中，提供用于滚子轴承的、具有关闭滚道的端面的滚子；和

在优化步骤52中，在所述端面上形成用于轴承圈挡边的止挡面24，该止挡面的曲率从止挡面24的起始点26至止挡面24的端部28单调递增。

概括地讲，所提供的滚子适用于降低滚子-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，按照本发明的滚子几何设计具有以下优点：

-由于弯曲的止挡面而在运行中保持滚子的引导，

-由于弯曲的止挡面而具有较小的赫兹压力，

-止挡面朝向端部增大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，

-由于止挡面朝向端部增大的曲率，降低了在挡边与滚子端面或止挡面之间的接触点位置相对轴心差的敏感度，

-在滚子与挡边之间的接触点可以被确定。

所推荐的滚子几何设计这样设计，在滚子端面与挡边之间的接触点在起始点的附近。若接触点由于轴心差朝向止挡面的端部错移，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

24  止挡面

25  滚道

26  起始点

30  第一缝隙量

32  第二缝隙量

34  其他端面区域

36  第一区域

38  第二区域

40  止挡面的内部端部

42  相切平面

44  第二相切平面

46  球形表面

50  准备步骤

52  优化步骤

Claims (10)

1.一种用于滚子轴承的滚子(13)，所述滚子具有关闭滚道(25)的端面(21)，其中，该滚子(21)具有用于轴承圈(11)的挡边(23)的止挡面(24)，所述止挡面的曲率从止挡面(24)上的起始点(26)至止挡面(24)的端部(28)是单调递增的。

2.按照权利要求1所述的滚子(13)，其中，所述起始点(26)设置在止挡面(24)的外侧的与滚道邻接的端部(40)与止挡面(24)的内侧的远离滚道的端部(28)之间，其中，止挡面(24)的曲率从起始点(26)开始向止挡面(24)的两个端部单调递增。

3.按照权利要求1所述的滚子(13)，其中，所述起始点(26)设置在止挡面(24)的外侧的与滚道(25)邻接的端部(40)上。

4.按照前述权利要求之一所述的滚子(13)，其中，止挡面(24)的包括起始点(26)的第一区域(36)具有恒定的第一曲率，该第一曲率小于止挡面(24)在与第一区域邻接的第二区域(38)中的第二曲率。

5.按照权利要求1至3之一所述的滚子(13)，其中，曲率从起始点(26)至止挡面(24)的每个端部是严格单调递增的。

6.按照前述权利要求之一所述的滚子(13)，其中，在止挡面(24)的端部处的切面(42)与在从起始点(26)延伸至止挡面(24)的该端部的球面(46)处的第二切面(44)之间的角度(α)为0°至30°，上述球面具有与起始点处一致的曲率。

7.按照前述权利要求之一所述的滚子(13)，其中，所述滚子(13)是圆锥滚子。

8.一种滚子轴承，其具有按照权利要求1至7之一所述的滚子(13)。

9.按照权利要求8所述的滚子轴承，其中，从轴承圈(11)的滚道(14)向外延伸的挡边(13)具有朝向滚子(13)的止挡面(24)的、具有曲率恒定的弯曲表面的表面区域。

10.一种用于制造滚子轴承的滚子(13)的方法，包括：

制备用于滚子轴承的、具有关闭滚道(25)的端面(21)的滚子(13)；和

在滚子(13)上形成用于轴承圈(11)的挡边(23)的止挡面(24)，该止挡面的曲率从止挡面(24)上的起始点(26)至止挡面(24)的端部(28)单调递增。

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