CN105026776A - 设置轴承预载荷的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过选择垫片在轴承装置(5)中设置所需的轴向预载荷FP的方法，在由诸如放松螺母(40)的夹紧元件所施加的预定轴向力FA时，垫片将产生所需的预载荷。该方法包括以下步骤：(a)安装具有已知厚度t的参考垫片(35)，并且通过施加预定的轴向力FA，使用垫片预加载轴承装置；(b)测量轴承装置的实际预载荷Factual；以及(c)构建分析模型，对于多个不同的垫片，分析模型限定轴承预载荷与轴承装置上施加的轴向力之间的相互关系，从而，根据垫片与轴承装置的可轴向移动的轴承圈(13)之间的初始轴向间隙δ，并且根据在间隙变为零时的一定的夹紧力，多个垫片中的每个垫片被限定。该方法还包括使用分析模型的步骤，以(d)辨别参考垫片，作为从多个垫片中辨别的垫片，其在预定轴向力FA时产生所测量的预载荷Factual，从而获得由参考垫片(35)产生的相关联的初始轴向间隙δ；并且(e)从多个垫片中辨别目标垫片，其在预定的轴向力FA时会产生所需的预载荷FP，从而获得由目标垫片所产生的初始轴向间隙δtarget。随后，所需的轴向预载荷FP通过用具有t+(δtarget-δ)厚度的垫片替代参考垫片(35)并且通过在轴承装置(5)上施加预定的轴向力FA来设置。

Description

设置轴承预载荷的方法
技术领域
本发明涉及一种通过选择适当的垫片在轴承装置中设置所需的轴向预载荷的方法。
背景技术
轴承预载荷是滚动元件和轴承圈之间作用的力，其并非由外部载荷引起。预载荷也可以被认为是负的内部间隙，并且可以被应用于增加刚度、增强运转精度、降低噪音水平、以及提高使用寿命。在被设计成用于传递轴向和径向载荷的轴承类型中，诸如，圆锥滚子轴承，轴向预载荷被施加。足够的预载荷是重要的，用于确保载荷均匀地分布在滚子之间。另一方面，过度的预载荷将导致摩擦和磨损，从而缩短轴承的寿命。
例如，在双排圆锥滚子轴承装置中设置轴向预载荷的常用方法是使用间隔元件或垫片。一个或多个特定厚度的垫片用于设置所需的预载荷，但是由于轴承、轴以及壳体的制造公差，相同厚度的垫片在相同的轴承装置中并不总是产生相同的预载荷。垫片设置特定间隙，轴承圈中的一个相对于另一个在该特定间隙上轴向移动，但该间隙的大小并不精确的知道。因此，通常在轴承装置被组装之后，测定预载荷，并且如果需要的话，使用不同厚度的垫片。
在美国专利文件US 5115558中公开了一种用于确定垫片厚度的设备，该垫片厚度用于将轴承定位在轴上，该轴位于形成于外壳的凹部。预定厚度的装置板位于两个半外壳的凸缘之间。轴向力测量单元被安装在轴承上并且两个半外壳用预定载荷夹紧在一起。操作期间，在轴上，由外壳的夹紧作用产生的轴向力被测量，并且与通过计算机的预定、所需的轴向力相关。对于单个轴，垫片的最佳厚度是从提供给计算机的数据计算出来的。
这仍有改进的余地。
发明内容
本发明涉及一种在轴承装置中设置所需的轴向预载荷FP的方法，如权利要求1所限定。明确地，本发明的方法基于选择垫片，在由诸如放松螺母的夹紧元件施加的预定轴向力时，该垫片将产生所需的预载荷。该方法包括以下步骤：
(a)安装具有已知厚度t的参考垫片，并且通过施加预定的轴向力FA，使用该垫片预加载轴承装置；
(b)测量轴承装置的实际预载荷Factual；以及
(c)构建分析模型，当轴承装置包括多个不同的垫片时，分析模型限定轴承预载荷与轴承装置上施加的轴向力之间的相互关系。根据垫片与轴承装置的可轴向移动的轴承圈之间的初始轴向间隙δ1、δ2、δ3……δi，并且根据在间隙变为零时的一定的夹紧力FC1、FC2、FC3……FCi，多个垫片中的每个垫片被限定。
从而，分析模型可以用于辨别参考垫片，作为从多个垫片中辨别的垫片，其在预定轴向力FA时产生所测量的预载荷Factual。因此，由参考垫片产生的初始轴向间隙δref是已知的。分析模型还用于从多个垫片中辨别目标垫片，其会在预定轴向力FA时产生所需的预载荷FP。从而，由目标垫片δtarget产生的初始轴向间隙也是已知的。
所需的轴向预载荷FP是通过用具有t+(δtarget-δref)厚度的垫片替代参考垫片并且通过在轴承装置上施加预定的轴向力FA来设置的。
测量轴承预载荷的任何已知方法可以用于确定Factual。在本发明的一个优选实施例中，测量预载荷的步骤包括测量表示轴承装置刚度的参数值σactual。如本领域技术人员所知，直接的关系存在于轴承预载荷与轴承刚度之间。适当地，随后，分析模型限定所测量的参数与轴承预载荷之间的相互关系，并且进一步限定所测量的参数与对多个垫片所施加的轴向力之间的相互关系。因此，分析模型用于从所测量的参数值σactual中确定实际轴承预载荷Factual，并且还用于确定对应于所需预载荷FP的所测量参数的目标值σtarget。随后，用于初始轴向间隙δtarget的目标值通过辨别目标垫片来获得，如从多个垫片中辨别的垫片，其在预定轴向力FA时产生目标参数值σtarget。
分析模型可以使用轴承装置的有限元分析来构建，其考虑轴承装置的各部件的几何构造并且优选地还考虑各部件之间的干扰。
在一示例中，轴承装置包括双排圆锥滚子轴承或双排角接触轴承，其中，第一和第二轴承内圈安装在轴上并且第一和第二轴承外圈安装在壳体中。可移动轴承圈可以是轴承装置的第一内圈或第一外圈。该装置还包括固定的支座，其包括轴向侧面，垫片被安装成压力接触该轴向侧面。
固定支座可以形成在其上安装可移动轴承圈的部分上。在一实施例中，可移动内圈是双排圆锥滚子轴承的第一内圈。固定支座可以由在轴上其上安装轴承内圈的轴向侧面来形成。可替代地，固定支座可以由第二内圈的轴向侧面来形成。
当第一外轴承圈是可移动轴承圈时，固定支座可以由第二外圈的轴向侧面来形成或由壳体上轴承外圈被安装至其上的轴向侧面来形成。
在另一实施例中，轴承装置包括双排圆锥滚子轴承，并且还包括安装在放松螺母与第一内圈之间的凸缘元件。对于多个垫片中的每个垫片，计算由每个垫片产生的初始轴向间隙以及相关联的夹紧力，在该夹紧力时，垫片与可移动内圈接触。计算适当地考虑螺母与凸缘之间的初始干扰。优选地，也考虑压配合数据。
在一示例中，轴承装置的刚度是通过在轴向方向上将推动力施加于例如轴来测量的，这使轴承装置振动。在该轴的对置端部，加速计可以被安装，其连接至分析加速度计信号并且确定轴向模态固有频率的处理单元。随后，在本示例中的分析模型配置成与测量的固有频率和轴承预载荷以及施加的轴向力相关。
其还可以测量与递送的推动力相关联的弯曲模态固有频率。
在另一示例中，实际的轴承预载荷是通过测量轴承装置的轴向表面相对于固定参考的轴向位移来测量的。
因此，本发明的方法允许采用各种测量技术，使垫片的选择简单易懂，该垫片将产生特定轴承装置中所需的预载荷。本发明的这些和其它的优点从下面的详细描述和所附附图中将变得显而易见。
附图说明
在下文中，参照所附附图来描述本发明，其中：
图1a示出通过施加轴向力和使用垫片来预加载的轴承装置的局部剖面图，垫片设置轴承装置的内圈与外圈之间的相对轴向位移的最大量；
图1b示出发生最大相对轴向位移时，同一轴承装置的局部剖面图；
图2示出轴承预载荷与对于多个不同的垫片施加的轴向力之间相互关系的曲线图；
图3示出用于测量图1a和图1b的轴承装置的实际预载荷的测试设备的一示例；
图4示出测量的固有频率、轴承预载荷与对于多个不同的垫片施加的轴向力之间的相互关系。
具体实施方式
适用于支撑卡车传动系统中的小齿轮轴的轴承装置在图1a和图1b中示出。在轴承装置的使用中，需要有一定的预载荷。轴承装置包括第一和第二圆锥滚子轴承，其分别具有安装在壳体20中的第一外圈10和第二外圈11。轴承的第一内圈13和第二内环14安装在小齿轮轴25上。该装置还包括安装在轴25上的凸缘构件30，其与第一内圈13的轴向侧面接触。凸缘30具有花键，用于能够驱动凸缘和轴的旋转。在轴上，第一内圈的对置轴向侧面面向支座27，邻接垫片35接触该支座。轴承通过防松螺母40预加载，防松螺母施加抵抗凸缘元件30和抵抗第一内圈13的轴向力，这引起第一内圈相对于第一外圈10的轴向位移。
预加载之前，初始轴向间隙δ存在于垫片35与第一内圈13之间。初始轴向间隙δ的大小限定内与外轴承圈之间的相对轴向位移的最大量，其主要负责设置轴承预载荷。
防松螺母40被拧紧到施加预定的轴向力FA。同时第一内圈13与垫片35和轴支座27接触，由放松螺母40施加的力沿力环行线而行，力环行线从第一内圈13经由第一组滚子、第一外圈10、壳体20、第二外圈11、第二组滚子以及第二内圈14流至轴25。该力环行线将被称为预载荷力环形线，并且通过图1a中的附图标记45表示的线示出。
随着由防松螺母所施加的轴向力的增加，第一内圈13朝垫片35轴向地移动直到一定的夹紧力时，轴向间隙变为零，如图1b所示。如上所述，内圈与外圈之间的该相对轴向位移主要负责设置轴承装置的预载荷。由放松螺母施加的预定轴向力FA通常比使内圈13与垫片35接触的夹紧力大得多，以便可靠地锁定轴承装置，使得其可以承受应用载荷。已经达到夹紧力之后，大部分过量的轴向力沿不同于预载荷力环行线45的力环行线而行。此时，过量的轴向力主要从第一内圈13通过垫片35流到轴27。在图1b中描绘的该力环行线50将被称为夹紧环形线。
对于所描绘的轴承装置，已经发现，过量的轴向力的大约10％流经预载荷环行线，这意味着即使垫片被使用时，预定轴向螺母力FA的大小影响轴承预载荷。为了设置所需的预载荷，有必要选择一种垫片，其在预定轴向螺母力FA时产生所需的预载荷。
基于选择适当的垫片，本发明限定一种设置所需预载荷的方法。
本发明的方法利用了分析模型，该模型与所施加的轴向螺母力相关，并且对于多个垫片产生轴承预载荷。根据夹紧力FC限定每个垫片，夹紧力FC“闭合”夹紧环行线。此外，对于每个夹紧力，计算垫片与轴承圈之间的相关联的初始轴向间隙δ。合适地，产生诸如图1中所示的数值表：
初始轴向间隙δ 螺母预紧力FC
垫片1 δ1 FC1
垫片2 δ2 FC2
垫片3 δ3 FC3
垫片4 δ4 FC4
垫片5 δ5 FC5
垫片i δi FCi
表1
在所描绘的装置中，放松螺母40与凸缘构件30之间的初始干扰是除了轴承的几何形状且优选地除了压配合数据之外，考虑计算夹紧力FC和初始轴向间隙δ的因素之一。分析模型与轴承预载荷和对于每个垫片所施加的轴向力相关，能够产生用于不同垫片的轴承预载荷曲线的库，诸如，图2的曲线图所示。
对由放松螺母40所施加的轴向力(x轴)，绘制轴承预载荷(y轴)。线性曲线200示出当没有垫片存在时，即，当所有的轴向力流经预载荷环行线45时，轴承预载荷与轴向力之间的关系。曲线201-210分别示出轴承预载荷与用于第一垫片、第二垫片、第三垫片、第四垫片、第五垫片、第六垫片、第七垫片、第八垫片、第九垫片以及第十垫片的轴向力之间的关系。只有某些曲线被编号，以便附图不模糊。
假设在所描绘的轴承装置中设置的所需预载荷是FP，并且假设放松螺母40施加预定轴向力FA。从用于第五垫片的曲线205中可以看出，该垫片在预定螺母力FA时产生所需预载荷FP。第五垫片在夹紧力FC5时夹紧。假设对应于夹紧力FC5的初始轴向间隙δ5为34微米。因此，需要选择产生34微米的初始轴向间隙的垫片，以便设置所需预负荷FP。然而，这是不可能知道真实垫片产生的初始轴向间隙的数值。
因此，本发明的方法包括安装具有厚度t的参考垫片的步骤。返回到图1a和图1b，垫片35可以被认为是参考垫片。如前所述，轴承装置通过施加预定轴向螺母力FA来预加载。然后，确定与参考垫片相关联的实际初始轴向间隙δ。该确定包括测量轴承装置的实际预载荷Factual，这将在下面更加详细地描述。返回到图2，从第三曲线203中可以看出，第三垫片在施加螺母力FA时产生所测量的预载荷Factual。第三垫片在加紧力FC3时闭合加紧环形线。假设与夹紧力FC3相关联的初始轴向间隙δ3为28微米。
因此，实际的初始轴向间隙与所需的初始轴向间隙之间的差值是28-34微米＝-6微米。因此，所需的轴承预载荷可以通过用具有t-6微米厚度的垫片替代t厚度的参考垫片35来设置。
在该方法的一个优选实施例中，测量轴承预载荷的步骤包括测量代表所述轴承装置刚度的参数。合适的测量设备的一示例在图3中示出。
图1a和图1b的轴承装置被安装在一个测试台55上。转矩被施加至放松螺母40，其又施加大于夹紧力的预定轴向力FA，夹紧力需要闭合参考垫片35与第一内圈13之间的初始轴向间隙。
接下来，使轴承装置振动的推动力I被施加。在所描绘的设备中，冲击器件60在轴向方向上将推动力I递送至轴。传感到该装置并且记录该推动力的大小。
轴承装置是包括不同刚度的本体的系统，刚度值确定作为整体的该系统的固有频率和模态形状。施加于系统的轴向力的大小主要影响轴承的刚度，预载荷力被传递通过轴承。因此，可以确定施加的轴向力、预载荷力与所测量的固有频率之间的相互关系。
在所描绘的设备中，轴向模态固有频率由安装在轴25的对置轴向端部的加速度计65来测量，从轴25的相对轴向端部处施加推动力。另外，使用安装在轴圆周上的加速度计可以测量弯曲模态固有频率。
测量设备还包括分析单元70，其接收来自加速度计65的频率信号和来自冲击器件60上传感器的脉冲信号。分析单元70分析这些信号以确定固有频率，并且用与固有频率和轴承预载荷相关的分析模型编程。分析模型还包括固有频率与对于多个不同垫片所施加的轴向力之间的相互关系。
分析模型的一示例由图4的曲线图表示，其中对沿x轴施加的轴向力，绘制沿y轴的固有频率。第一曲线400表示预载荷曲线，其直接将固有频率相关至轴承预载荷。第二402、第三403、第四404、第五405、第六406、第七407以及第八曲线408示出当不同的垫片存在并且受到增加的轴向力时，所产生的固有频率。如上所述，根据初始轴向间隙和夹紧力限定垫片，在夹紧力时，第一轴承内圈13与垫片35之间的轴向间隙变为零。
假设加速度计测量的轴向固有频率为σactualHz。实际轴承预载荷从预载荷力曲线400中获得并且对应于大小Factual。测得的固有频率对应于轴承预载荷的唯一的值，无论已使用了哪个垫片。然而，为了设置所需的预载荷，必须从垫片库中辨别实际上已使用了哪个垫片。如先前所解释的，结合实际测量的量，由放松螺母FA施加的已知轴向力用于辨别。从图4中，可以看出，在施加轴向力FA时，由第三曲线403限定的垫片将产生所测量的固有频率σactual。
因此，用于选择设置所需的预载荷FP的适当的垫片的方法与上述的方法相同。
参考垫片是在夹紧力Fc，ref时闭合夹紧环行线的垫片。假设该夹紧力与初始轴向间隙δref相关联。在所需预载荷FP时，相关联的固有频率是σtarget，其是当由第五曲线405所限定的目标垫片受到预定的轴向螺母力FA时产生的固有频率。在夹持力Fc，target时，目标垫片闭合夹紧环行线。假设该夹紧力与初始轴向间隙δtarget相关联。因此，所需的轴承预载荷可以通过用具有t+(δactual-δtarget)厚度的垫片替代参考垫片35来设置。
本发明的一些方面/实施例已进行了描述。应该理解的是，每个方面/实施例可以与任何其它方面/实施例相结合。此外，本发明并不局限于所描述的实施例，而是可以在所附专利权利要求的范围内变化。

Claims (13)

1.一种在包括内圈(13，14)和外圈(10，11)的轴承装置(5)中设置所需的轴向预载荷FP的方法，从而一个轴承圈(13)相对于另一个轴承圈(14)是轴向可移动的，该方法包括以下步骤：
(a)在所述轴向可移动轴承圈与固定支座(27)之间安装具有厚度t的参考垫片(35)，并且通过施加抵抗所述可移动轴承圈(13)的预定的轴向力FA而预加载所述载轴承装置(5)，从而
预加载之前，在所述参考垫片(35)与所述可移动轴承圈之间有初始轴向间隙δref，并且在小于所述预定的轴向力FA的参考夹紧力FC，ref时，所述可移动轴承圈与所述参考垫片(35)接触；
其特征在于，所述方法还包括以下步骤：
(b)测量所述轴承装置(5)的实际预载荷Factual；以及
(c)构建将轴承预载荷相关联至所述轴承装置(5)上的所施加的轴向力的分析模型，该模型包含多个垫片，其限定所述垫片与所述可移动轴承圈(13)之间的所述初始轴向间隙的不同值δ1、δ2、δ3……δi，以及用于所述夹紧力FC1、FC2、FC3……FCi的对应值，在所述夹紧力时，所述垫片与所述可移动轴承圈接触；
(d)使用所述分析模型以：
通过辨别所述参考垫片(35)，作为从所述多个垫片中辨别在所述预定的轴向力FA时产生所述测量的预载荷Factual的垫片，来确定所述初始轴向间隙δref和所述对应的参考夹紧力FC，ref的值；以及
通过辨别目标垫片，作为从所述多个垫片中辨别在所述预定的轴向力FA时产生所述所需的预载荷FP的垫片，来确定所述初始轴向间隙δtarget和对应的目标夹紧力FC，target的目标值；
(e)用具有t+(δref-δtarget)厚度的第二垫片来替代具有厚度t的所述参考垫片，使得所述预定的轴向载荷FA施加于所述轴承装置(5)时，实现所述所需的预载荷FP。
2.根据权利要求1所述的方法，其中：
测量实际轴承预载荷Factual的步骤(b)包括测量表示所述轴承装置(5)的刚度的参数值σactual；
步骤(c)的所述分析模型限定所述测量参数与轴承预载荷之间的相互关系，并且还限定所述测量参数与对所述多个垫片所施加的轴向力之间的相互关系；以及
在步骤(d)中，所述分析模型用于：
从所述测量的参数值σactual中确定实际轴承预载荷；
对应于所述所需的预载荷FP，确定所述测量参数的目标值σtarget；以及
通过辨别所述目标垫片，作为从所述多个垫片中辨别在所述预定的轴向力FA时产生所述目标参数值σtarget的所述垫片，来确定用于所述初始轴向间隙的目标值δtarget。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述测量步骤包括使所述轴承装置(5)振动，并且所述测量参数是共振频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测量参数是轴向模态固有频率。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述测量参数是弯曲模态固有频率。
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述轴承装置(5)包括夹紧元件，诸如，用于施加所述预定的轴向力FA的放松螺母(40)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述轴承装置还包括安装在所述夹紧元件(40)与所述可移动轴承圈(13)之间的凸缘元件(30)。
8.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述轴承装置(5)包括双排圆锥滚子轴承或者双排角接触轴承，其具有第一和第二内圈(13，14)以及第一和第二外圈(10，11)。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述固定支座(27)是其上安装所述可移动轴承圈(13)的部件(25)上的轴向侧面。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述可移动轴承圈是所述第一内圈(13)，并且所述固定支座由所述第二内圈(14)的轴向侧面形成。
11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述可移动轴承圈是所述第一外圈(10)，并且所述固定支座由所述第二外圈(14)的轴向侧面形成。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中，所述构建分析模型的步骤基于所述轴承装置(5)的有限元分析。
13.根据从属于权利要求7的权利要求12所述的方法，其中，考虑所述夹紧元件(40)与所述凸缘(30)之间的干扰，计算与所述夹紧力FC1、FC2、FC3……FCi相关联的所述初始轴向间隙δ1、δ2、δ3……δi，在所述夹紧力时，来自所述多个垫片的垫片实现与所述可移动轴承圈(13)的接触。
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