CN104613090A - 一种动力学实验用角接触球轴承及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力学实验用角接触球轴承及其加工方法；属于一种用于动力学特性试验用的角接触球轴承的结构及其该轴承的加工方法的技术领域。该轴承外圈的内环表面沿轴向同轴设置有结构相同的复数个凹槽；该凹槽内填充有绝缘胶；该绝缘胶上镶嵌有复数个按格雷码布置的压电传感器；该绝缘胶表面涂刷有耐磨胶；本发明的技术方案能够在不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，通过改变外部载荷以及主轴转速，直接准确测量出轴承动力学特性参数的优点。

Description

一种动力学实验用角接触球轴承及其加工方法
技术领域
本发明涉及一种动力学实验用角接触球轴承及其加工方法；属于机械产品结构及制造方法的技术领域，具体说属于一种用于动力学特性试验用的角接触球轴承的结构及其该轴承的加工方法的技术领域。
背景技术
作为高速旋转机械中最常用的支承方式，角接触球轴承被广泛应用于高速机床、航空发动机、电动机、汽车、高速离心机等领域。轴承动力学特性对它支承旋转机械的性能和可靠性具有显著的影响。由于角接触球轴承的工作转速高，且受自身结构限制，对其动力学特性参数无法准确测量，分析数据多来源于理论计算和间接测量，精度与实时性都受到很大的局限。因此，设计一种能测得动力特性参数的实验用高速角接触球轴承结构，获得有效的动力学特性试验数据，对进行角接触球轴承动力学的理论分析、结构设计、使用和维护等具有重要意义。
发明内容
本发明提供了一种动力学特性试验用角接触球轴承及其加工方法。以实现角接触球轴承动力学特性试验中,在不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，准确测量出滚动体与外圈滚道接触位置、油膜压力及其分布情况，据此获得轴承接触角、接触载荷、接触应力和接触应变、接触椭圆参数及滑滚比等动力学特性参数的目的。
为达到所述的目的本发明的技术方案是：
一种动力学实验用角接触球轴承，其中该轴承外圈的内环表面沿轴向同轴设置有相互平行且结构相同的复数个凹槽；
所述的凹槽截面为矩形；该凹槽内填充有绝缘胶；
所述的绝缘胶上镶嵌有复数个按格雷码布置的压电传感器；该绝缘胶表面涂刷有耐磨胶；
形成该轴承的轴承滚动体在离心力和陀螺力矩的作用下绕转轴滚动的同时沿外圈轴向移动，当该轴承滚动体压过凹槽时一并压过复数个压电传感器的结构。
该复数个凹槽的个数为4及4的倍数。
不同凹槽内镶嵌的该压电传感器的数量相同。
不同凹槽内镶嵌的该压电传感器的数量均为8个。
该凹槽沿轴向长度不小于轴承滚动体沿轴向移动的距离；该凹槽的深度方向为沟道法向方向，深度不超过轴承外圈最小径向壁厚的一半。
该复数个凹槽彼此之间相距的距离相等；该复数个凹槽彼此之间相距的距离为该轴承滚动体周长的二十分之一或为该轴承滚动体半径的七分之一。
该轴承外圈的内环表面沿该轴承滚动体的滚动方向依次设置有4个凹槽；分别为第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽；该第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽沿轴线分别被均分成16个能识别的位置；该16个能识别的位置分别标记为0位置，1位置，2位置，3位置，4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置；不同凹槽之间相同标记的位置对应相同；
该第一凹槽内的8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置镶嵌有该压电传感器；
该第二凹槽内的4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置和11位置镶嵌有该压电传感器；
该第三凹槽内的2位置，3位置，4位置，5位置和10位置，11位置，12位置，13位置镶嵌有该压电传感器；
该第四凹槽内的1位置，2位置和5位置，6位置和9位置，10位置和13位置，14位置镶嵌有该压电传感器。
该16个能识别的位置对应的格雷码及对应的二进制码为：
0位置对应的格雷码为0000，对应的二进制码为0000；
1位置对应的格雷码为0001，对应的二进制码为0001；
2位置对应的格雷码为0011，对应的二进制码为0010；
3位置对应的格雷码为0010，对应的二进制码为0011；
4位置对应的格雷码为0110，对应的二进制码为0100；
5位置对应的格雷码为0111，对应的二进制码为0101；
6位置对应的格雷码为0101，对应的二进制码为0110；
7位置对应的格雷码为0100，对应的二进制码为0111；
8位置对应的格雷码为1100，对应的二进制码为1000；
9位置对应的格雷码为1101，对应的二进制码为1001；
10位置对应的格雷码为1111，对应的二进制码为1010；
11位置对应的格雷码为1110，对应的二进制码为1011；
12位置对应的格雷码为1010，对应的二进制码为1100；
13位置对应的格雷码为1011，对应的二进制码为1101；
14位置对应的格雷码为1001，对应的二进制码为1110；
15位置对应的格雷码为1000，对应的二进制码为1111。
一种基于所述的动力学实验用角接触球轴承的加工方法，基于如下步骤：
(1)在轴承外圈滚道上加工矩形凹槽，凹槽位置位于轴承工作时滚动体与外圈滚道的接触范围；
(2)将凹槽内部填充绝缘胶；
(3)在绝缘胶凝固之前，将压电传感器按格雷码镶嵌于其表面，使压电传感器触点与轴承滚道位于同一组圆周上，触点指向轴心，并引出传感器信号线；
(4)待绝缘胶凝固后，将耐磨胶刷在绝缘材料表面，并进行磨削加工，使凹槽填充后的外圈滚道几何结构与加工凹槽前相同。
其步骤(3)中的压电传感器通过信号线与采集与控制系统连接；反馈的信号既可以得到滚动体与外圈的接触载荷大小，也可以根据各条凹槽中压电传感器反馈的信号判断滚动体与外圈的接触位置及滚动体的运动速度；根据测得滚动体与外圈滚道接触位置、油膜压力及滚动体运动速度，可以获得轴承接触角、接触载荷、接触应力和接触应变、接触椭圆参数及滑滚比等动力学特性参数。
本发明与现有技术相比，具有的优点和有益的效果是：能够在不破坏油膜本身流动、边界和压力分布的情况下，通过改变外部载荷以及主轴转速，直接准确测量出轴承动力学特性参数；如滚动体与外圈滚道的接触角；滚动体与外圈滚道接触面积；轴承外圈滚道压力；润滑油油膜压力等。
附图说明
图1为本发明角接触球轴承整体结构示意图；
图2为图1中轴承局部结构A放大示意图；
图3为图2中沿B向凹槽展开示意图。
图中标记名称
1-轴承外圈，2-绝缘胶，3-耐磨胶，4-压电传感器，5-轴承滚动体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案详细描述如下。
如图1，图2，图3所示。其中图3是本发明的压电传感器在外圈凹槽中的分布示意图。
一种动力学实验用角接触球轴承，其中该轴承外圈1的内环表面沿轴向同轴设置有相互平行且结构相同的复数个凹槽；
该复数个凹槽的个数为4及4的倍数；也可以说每4个凹槽组成一组；该凹槽沿轴向长度不小于轴承滚动体5沿轴向移动的距离；该凹槽的深度方向为沟道法向方向，深度不超过轴承外圈最小径向壁厚的一半。
该复数个凹槽彼此之间相距的距离相等；该复数个凹槽彼此之间相距的距离为该轴承滚动体5周长的二十分之一或为该轴承滚动体5半径的1/7。
所述的凹槽截面为矩形；该凹槽内填充有绝缘胶2；
所述的绝缘胶2上镶嵌有复数个按格雷码布置的压电传感器4；该绝缘胶2表面涂刷有耐磨胶3；不同凹槽内镶嵌的该压电传感器4的数量相同；不同凹槽内镶嵌的该压电传感器4的数量可为8个。
形成该轴承的轴承滚动体5在离心力和陀螺力矩的作用下绕转轴滚动的同时沿外圈轴向移动，当该轴承滚动体5压过凹槽时一并压过复数个压电传感器4的结构。
如图1和图2所示，为较佳实施例；该轴承外圈1的内环表面沿该轴承滚动体5的滚动方向依次设置有4个凹槽(如图3中所示的由右向左依次设置有4个凹槽)；分别为第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽；该第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽沿轴线分别被均分成16个能识别的位置；该16个能识别的位置分别标记为0位置，1位置，2位置，3位置，4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置；不同凹槽之间相同标记的位置对应相同；
该第一凹槽内的8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置镶嵌有该压电传感器4；
该第二凹槽内的4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置和11位置镶嵌有该压电传感器4；
该第三凹槽内的2位置，3位置，4位置，5位置和10位置，11位置，12位置，13位置镶嵌有该压电传感器4；
该第四凹槽内的1位置，2位置和5位置，6位置和9位置，10位置和13位置，14位置镶嵌有该压电传感器4。
该16个能识别的位置对应的格雷码及对应的二进制码为：
0位置对应的格雷码为0000，对应的二进制码为0000；
1位置对应的格雷码为0001，对应的二进制码为0001；
2位置对应的格雷码为0011，对应的二进制码为0010；
3位置对应的格雷码为0010，对应的二进制码为0011；
4位置对应的格雷码为0110，对应的二进制码为0100；
5位置对应的格雷码为0111，对应的二进制码为0101；
6位置对应的格雷码为0101，对应的二进制码为0110；
7位置对应的格雷码为0100，对应的二进制码为0111；
8位置对应的格雷码为1100，对应的二进制码为1000；
9位置对应的格雷码为1101，对应的二进制码为1001；
10位置对应的格雷码为1111，对应的二进制码为1010；
11位置对应的格雷码为1110，对应的二进制码为1011；
12位置对应的格雷码为1010，对应的二进制码为1100；
13位置对应的格雷码为1011，对应的二进制码为1101；
14位置对应的格雷码为1001，对应的二进制码为1110；
15位置对应的格雷码为1000，对应的二进制码为1111。
一种动力学实验用角接触球轴承的加工方法，基于如下步骤：
(1)在轴承外圈滚道上加工矩形凹槽，凹槽位置位于轴承工作时滚动体与外圈滚道的接触范围；
(2)将凹槽内部填充绝缘胶；
(3)在绝缘胶凝固之前，将压电传感器按格雷码镶嵌于其表面，使压电传感器触点与轴承滚道位于同一组圆周上，触点指向轴心，并引出传感器信号线；该压电传感器通过信号线与采集与控制系统连接；反馈的信号既可以得到滚动体与外圈的接触载荷大小，也可以根据各条凹槽中压电传感器反馈的信号判断滚动体与外圈的接触位置及滚动体的运动速度；根据测得滚动体与外圈滚道接触位置、油膜压力及滚动体运动速度，可以获得轴承接触角、接触载荷、接触应力和接触应变、接触椭圆参数及滑滚比等动力学特性参数。
(4)待绝缘胶凝固后，将耐磨胶刷在绝缘材料表面，并进行磨削加工，使凹槽填充后的外圈滚道几何结构与加工凹槽前相同。
综上所述，为了测得滚动体与外圈滚道接触位置、油膜压力及其的分布情况，本发明提供一种可测量动力学特性参数的试验用角接触球轴承结构及其加工方法，包括制作一种特制的滚动轴承。该特制角接触球轴承除外圈结构与现有轴承结构有所区别，其他部分结构均与现有结构相同,如图1所示。
该特制角接触球轴承外圈结构如图2所示，它的结构上主要由加工在外圈滚道上的凹槽、填充于凹槽内部的绝缘胶、镶嵌于绝缘胶上的压电传感器、涂刷于绝缘胶表面的耐磨胶组成。具体的外圈结构及加工方法为：
(1)在轴承外圈滚道上沿轴向加工矩形凹槽，凹槽位置位于轴承外圈与滚动体的接触范围内，凹槽深度方向为沟道法向方向，深度不超过轴承外圈最小径向壁厚的一半；轴向宽度不小于滚动体轴向运动距离。
(2)将凹槽内部填充绝缘胶。
(3)在绝缘胶凝固之前，将压电传感器镶嵌于其表面，使压电传感器触点与轴承滚道位于同一组圆周上，触点指向轴心，并引出传感器信号线。
(4)待绝缘胶凝固后，将耐磨胶刷在绝缘材料表面，并进行加工，使凹槽填充后的外圈滚道几何结构与加工凹槽前相同。
(5)角接触球轴承在高速转动时，受轴向力和离心力的作用，滚动体和套圈的接触点沿轴向移动，为精确测出滚动体的轴向位置，压电传感器在凹槽中按格雷码布置。以四条凹槽为例，压电传感器的布置如图3所示，凹槽沿轴线被分成16个能识别的位置，这16个位置的格雷码及对应的二进制码如图3所示。
根据以上分析，如果凹槽长10mm，四条凹槽测量精度接近0.7mm；如果有8条凹槽，测量精度小于0.04m。因此，可以根据测量的精度要求来确定凹槽条数。
本发明的工作过程如下：
将该实验轴承安装在轴承试验台上，试验台启动后轴承开始转动，滚动体沿轴承外圈滚动。随着转速的升高，在离心力和陀螺力矩的作用下滚动体绕转轴滚动的同时沿外圈轴向移动。当滚动体压过凹槽时，根据各路传感器反馈的信号既可以得到滚动体与外圈的接触载荷大小，也可以根据各条凹槽中压电传感器反馈的信号判断滚动体与外圈的接触位置，此外，可以根据压电传感器反馈信号的频率得到滚动体的运动速度。
根据测得滚动体与外圈滚道的接触位置、油膜压力及滚动体运动速度，就可以获得轴承接触角、接触载荷、接触应力和接触应变、接触椭圆参数及滑滚比等动力学特性参数。

Claims (10)

1.一种动力学实验用角接触球轴承，其特征在于该轴承外圈(1)的内环表面沿轴向同轴设置有相互平行且结构相同的复数个凹槽；
所述的凹槽截面为矩形；该凹槽内填充有绝缘胶(2)；
所述的绝缘胶(2)上镶嵌有复数个按格雷码布置的压电传感器(4)；该绝缘胶(2)表面涂刷有耐磨胶(3)；
形成该轴承的轴承滚动体(5)在离心力和陀螺力矩的作用下绕转轴滚动的同时沿外圈轴向移动，当该轴承滚动体(5)压过凹槽时一并压过复数个压电传感器(4)的结构。
2.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于该复数个凹槽的个数为4及4的倍数。
3.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于不同凹槽内镶嵌的该压电传感器(4)的数量相同。
4.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于不同凹槽内镶嵌的该压电传感器(4)的数量均为8个。
5.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于该凹槽沿轴向长度不小于轴承滚动体(5)沿轴向移动的距离；该凹槽的深度方向为沟道法向方向，深度不超过轴承外圈最小径向壁厚的一半。
6.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于该复数个凹槽彼此之间相距的距离相等；该复数个凹槽彼此之间相距的距离为该轴承滚动体(5)周长的二十分之一或为该轴承滚动体(5)半径的七分之一。
7.如权利要求1所述的角接触球轴承，其特征在于该轴承外圈(1)的内环表面沿该轴承滚动体(5)的滚动方向依次设置有4个凹槽；分别为第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽；该第一凹槽，第二凹槽，第三凹槽和第四凹槽沿轴线分别被均分成16个能识别的位置；该16个能识别的位置分别标记为0位置，1位置，2位置，3位置，4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置；不同凹槽之间相同标记的位置对应相同；
该第一凹槽内的8位置，9位置，10位置，11位置，12位置，13位置，14位置和15位置镶嵌有该压电传感器(4)；
该第二凹槽内的4位置，5位置，6位置，7位置，8位置，9位置，10位置和11位置镶嵌有该压电传感器(4)；
该第三凹槽内的2位置，3位置，4位置，5位置和10位置，11位置，12位置，13位置镶嵌有该压电传感器(4)；
该第四凹槽内的1位置，2位置和5位置，6位置和9位置，10位置和13位置，14位置镶嵌有该压电传感器(4)。
8.如权利要求7所述的角接触球轴承，其特征在于该16个能识别的位置对应的格雷码及对应的二进制码为：
0位置对应的格雷码为0000，对应的二进制码为0000；
1位置对应的格雷码为0001，对应的二进制码为0001；
2位置对应的格雷码为0011，对应的二进制码为0010；
3位置对应的格雷码为0010，对应的二进制码为0011；
4位置对应的格雷码为0110，对应的二进制码为0100；
5位置对应的格雷码为0111，对应的二进制码为0101；
6位置对应的格雷码为0101，对应的二进制码为0110；
7位置对应的格雷码为0100，对应的二进制码为0111；
8位置对应的格雷码为1100，对应的二进制码为1000；
9位置对应的格雷码为1101，对应的二进制码为1001；
10位置对应的格雷码为1111，对应的二进制码为1010；
11位置对应的格雷码为1110，对应的二进制码为1011；
12位置对应的格雷码为1010，对应的二进制码为1100；
13位置对应的格雷码为1011，对应的二进制码为1101；
14位置对应的格雷码为1001，对应的二进制码为1110；
15位置对应的格雷码为1000，对应的二进制码为1111。
9.一种基于如权利要求1所述的动力学实验用角接触球轴承的加工方法，其特征在于，基于如下步骤：
(1)在轴承外圈滚道上加工矩形凹槽，凹槽位置位于轴承工作时滚动体与外圈滚道的接触范围；
(2)将凹槽内部填充绝缘胶；
(3)在绝缘胶凝固之前，将压电传感器按格雷码镶嵌于其表面，使压电传感器触点与轴承滚道位于同一组圆周上，触点指向轴心，并引出传感器信号线；
(4)待绝缘胶凝固后，将耐磨胶刷在绝缘材料表面，并进行磨削加工，使凹槽填充后的外圈滚道几何结构与加工凹槽前相同。
10.如权利要求9所述的动力学实验用角接触球轴承的加工方法，其特征在于，其步骤(3)中的压电传感器通过信号线与采集与控制系统连接；反馈的信号既可以得到滚动体与外圈的接触载荷大小，也可以根据各条凹槽中压电传感器反馈的信号判断滚动体与外圈的接触位置及滚动体的运动速度；根据测得滚动体与外圈滚道接触位置、油膜压力及滚动体运动速度，可以获得轴承接触角、接触载荷、接触应力和接触应变、接触椭圆参数及滑滚比等动力学特性参数。
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