CN105587760A - 一种带叶片强化散热的滚动轴承及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带叶片强化散热的滚动轴承及其设计方法，包括选取标准轴承，得到标准轴承参数；由此确定带叶片强化散热轴承的中圈、叶片、第二内圈的几何参数：包括中圈的内径d₂、外径d₃和厚度b₂；叶片的高度h、叶片数Z和最小剖面面积Amin；第二内圈的内径d₁和厚度b₁；根据中圈、叶片、第二内圈的几何参数一体铸造并机加工，使多个叶片两端分别连接中圈和第二内圈，之后再与标准轴承的外圈、滚动体和保持架进行装配后即可得到所述带叶片强化散热的滚动轴承。本发明在不影响支撑强度的前提下，通过在轴承上设置叶片，加强空气对流，强化轴承散热。

Description

一种带叶片强化散热的滚动轴承及其设计方法

技术领域

本发明属于滚动轴承领域，尤其是涉及一种带叶片强化散热的滚动轴承及其设计方法。

背景技术

滚动轴承作用一种重要的通用机械零件，应用极其广泛。滚动轴承即使在正常工作情况下也会发热，温升过高会导致轴承过早疲劳失效、轴承烧坏等，这严重地影响了整个机械的使用寿命和可靠性。滚动轴承温升来源的主要原因是：滚子和外圈滚道面、内圈滚道面之间的滚动摩擦；滚子和内圈挡边、保持架之间的滑动摩擦；润滑剂的搅拌阻力等。

现有的轴承散热技术主要有：采用冷却油、水套等冷却传动轴，再通过传动轴降低轴承内圈温度；采用半导体制冷技术冷却静止的轴承外圈；在传动轴上安装散热叶片，对轴承风冷等。由于轴承是标准件，现有的轴承散热技术不对轴承本身进行设计和改进，但专门定制的轴承也有一定的应用范围，因此可对轴承进行设计修改，从而提升轴承自身的散热性能。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种带叶片强化散热的滚动轴承及其设计方法，在不影响支撑传动轴的前提下，通过在轴承上设计叶片，加强空气对流，强化轴承散热，提升轴承自身的散热性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，包括如下步骤：

S1：选取标准轴承，得到标准轴承如下参数：外圈厚度B₁、第一内圈内径D₁、第一内圈外径D₂、额定载荷P；

S2：根据步骤S1中各个参数确定带叶片强化散热轴承的中圈、叶片、第二内圈的几何参数：包括中圈的内径d₂、中圈的外径d₃和中圈的厚度b₂；第二内圈的内径d₁和第二内圈的厚度b₁；叶片的高度h、叶片数Z和最小剖面面积Amin；

S3：根据步骤S2中所述中圈、叶片、第二内圈的几何参数铸造并机加工，多个所述叶片两端分别连接中圈和第二内圈，之后再与步骤S1中所述标准轴承的外圈、滚动体和保持架进行装配后即可得到所述带叶片强化散热的滚动轴承。

进一步的，步骤S2中所述中圈的内径d₂与第一内圈内径D₁之比为0.8-1.2；中圈的外径d₃与第一内圈外径D₂相等；中圈的厚度b₂与外圈厚度B₁之比为0.8-1.2；第二内圈的内径d₁与传动轴直径相同；第二内圈的厚度b₁与外圈厚度B₁之比为0.8-1.2；叶片的高度h＝(d₂-d₁)/2-b₁，且叶片的高度h、中圈的内径d₂和第二内圈的内径d₁满足0.2≤h/(d₂-d₁)＜0.5；叶片数Z≥12；叶片最小剖面面积Amin满足：

其中，n-安全系数，c-经验修正系数，[σ]-材料的许用应力。

进一步的，步骤S3中所述中圈、叶片、第二内圈为一体铸造。

进一步的，步骤S3中所述叶片的剖面为矩形或圆弧板形或机翼形。

一种带叶片强化散热的滚动轴承，包括外圈、滚动体和保持架，还包括中圈、多个叶片和第二内圈，所述中圈位于外圈内侧，第二内圈位于中圈内侧，多个所述叶片两端分别固定于中圈和第二内圈上。

进一步的，多个所述叶片均匀布置于中圈和第二内圈之间。

进一步的，多个叶片与滚动轴承中心夹角为30°。

本发明的有益效果：

本发明所述的带叶片强化散热的轴承设计方法，依据标准轴承的几何参数，设计出第二内圈、中圈、叶片的几何参数，使得叶片布置于第二内圈和中圈之间，随后与标准轴承的外圈、滚动体和保持架装配后获得带叶片强化散热的滚动轴承。利用传动轴带动叶片旋转，加强空气对流，强化轴承散热。通过加装了叶片后，对叶片进行校核，防止叶轮运行所承受的应力大于屈服应力，从而保证轴承的可靠性。

附图说明

图1为标准轴承的剖视图。

图2为本发明所述带叶片强化散热轴承的剖视图。

图3为本发明所述带叶片强化散热轴承的正视图。

图4为本发明所述带叶片强化散热轴承的三维示意图。

附图标记说明如下：

1-中圈，2-叶片，3-第二内圈，4-第一内圈，5-外圈。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，包括如下步骤：

S1：选取标准轴承，如图1所示，得到标准轴承如下参数：外圈5厚度B₁、第一内圈4内径D₁、第一内圈4外径D₂、额定载荷P；

S2：根据步骤S1中各个参数确定带叶片强化散热轴承的中圈1、叶片2、第二内圈3的几何参数，如图2和图3所示，中圈1的内径d₂与第一内圈4内径D₁之比为0.8-1.2；中圈1的外径d₃与第一内圈4外径D₂相等；中圈1的厚度b₂与外圈5厚度B₁之比为0.8-1.2；第二内圈3的厚度b₁与外圈5厚度B₁之比为0.8-1.2；第二内圈3的内径d₁与传动轴直径相同；叶片2的高度h＝(d₂-d₁)/2-b₁，且叶片2的高度h与中圈1的内径d₂和第二内圈3的内径d₁差值(d₂-d₁)之比满足0.2≤h/(d₂-d₁)＜0.5；叶片数Z≥12；叶片最小剖面面积Amin满足： $n\·c\·\frac{P}{A_{min}}\≤\[\mathrm{\σ}\]$

其中，n-安全系数，c-经验修正系数，[σ]-材料的许用应力；

S3：根据步骤S2中所述中圈1、叶片2、第二内圈3的几何参数一体化铸造并机加工，使多个叶片2两端分别连接中圈1和第二内圈3，且均布在其中；如图4所示，之后再与步骤S1中所述标准轴承的外圈5、滚动体和保持架进行装配后即可得到所述带叶片强化散热的滚动轴承。

例如：一台泵的传动轴的直径70mm，选取标准轴承61944，外圈5厚度B₁为15mm、第一内圈4内径D₁为220mm、第一内圈4外径D₂为250mm、额定载荷P为P135KN，第一内圈4内径D₁大于传动轴直径，故可用来设计带叶片强化散热轴承。

S1：第二内圈3内径d₁与传动轴相等，d₁＝70mm；第二内圈3厚度b₁与所选取的标准轴承的外圈5厚度B₁之比为1，b₁＝15mm；中圈1的内径d₂与第一内圈4内径D₁之比为1，d₂＝220mm；中圈1的外径d₃与所选取的标准轴承的第一内圈4外径D₂相等，d₃＝250mm；中圈1的厚度b₂与所选取的标准轴承的外圈5厚度B₁之比为1，b₂＝15mm；

S2：叶片2联接中圈1和第二内圈3，并均布在中圈1和第二内圈3之间，叶片2高度h与中圈1内径d₂和第二内圈3内径d₁差值(d₂-d₁)/2＝75mm之比0.8，h＝60mm；叶片2剖面采用矩形截面；根据张玉成等《通风机设计与选型》，叶片2与传动轴轴向夹角为30°，叶片2厚度设计为4mm；叶片数Z＝12；叶片2最小剖面面积Amin为175mm²，满足强度要求：

$n\·c\·\frac{P}{A_{min}}=2\·1\·\frac{135000}{175\·{10}^{-4}}\÷{10}^6=15.4Mpa\≤\[\mathrm{\σ}\]=200Mpa$

n＝2，c＝1(可根据埃斯曼等所著《滚动轴承设计与应用手册》等相关设计手册查取)，P-所选取标准轴承的额定载荷，[σ]-材料的许用应力200Mpa。

S3：根据步骤S1、S2中所述的中圈1、叶片2、第二内圈3的几何参数，进行一体化铸造并机加工，并与所选标准轴承的外圈5、滚动体、保持架等进行装配，即可得到带叶片强化散热的轴承。

将所得到的带叶片强化散热的轴承在cfx中进行数值模拟，其散热量显著上升，强化散热效果明显。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：选取标准轴承，得到标准轴承如下参数：外圈(5)厚度B₁、第一内圈(4)内径D₁、第一内圈(4)外径D₂、额定载荷P；

S2：根据步骤S1中各个参数确定带叶片强化散热轴承的中圈(1)、叶片(2)、第二内圈(3)的几何参数：包括中圈(1)的内径d₂、中圈(1)的外径d₃和中圈(1)的厚度b₂；第二内圈(3)的内径d₁和第二内圈(3)的厚度b₁；叶片(2)的高度h、叶片数Z和最小剖面面积Amin；

S3：根据步骤S2中所述中圈(1)、叶片(2)、第二内圈(3)的几何参数铸造并机加工，多个所述叶片(2)两端分别连接中圈(1)和第二内圈(3)，之后再与步骤S1中所述标准轴承的外圈(5)、滚动体和保持架进行装配后即可得到所述带叶片强化散热的滚动轴承。

2.根据权利要求1所述的一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，其特征在于，步骤S2中所述中圈(1)的内径d₂与第一内圈(4)内径D₁之比为0.8-1.2；中圈(1)的外径d₃与第一内圈(4)外径D₂相等；中圈(1)的厚度b₂与外圈(5)厚度B₁之比为0.8-1.2；第二内圈(3)的内径d₁与传动轴直径相同；第二内圈(3)的厚度b₁与外圈(5)厚度B₁之比为0.8-1.2；叶片(2)的高度h＝(d₂-d₁)/2-b₁，且叶片(2)的高度h、中圈(1)的内径d₂和第二内圈(3)的内径d₁满足0.2≤h/(d₂-d₁)＜0.5；叶片数Z≥12；叶片最小剖面面积Amin满足： $n\·c\·\frac{P}{A_{min}}\≤\[\mathrm{\σ}\]$

其中，n-安全系数，c-经验修正系数，[σ]-材料的许用应力。

3.根据权利要求2所述的一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，其特征在于，步骤S3中所述中圈(1)、叶片(2)、第二内圈(3)为一体铸造。

4.根据权利要求1所述的一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，其特征在于，步骤S3中所述叶片(2)的剖面为矩形或圆弧板形或机翼形。

5.一种带叶片强化散热的滚动轴承，包括外圈(5)、滚动体和保持架，其特征在于，还包括中圈(1)、多个叶片(2)和第二内圈(3)，所述中圈(1)位于外圈(5)内侧，第二内圈(3)位于中圈(1)内侧，多个所述叶片(2)两端分别固定于中圈(1)和第二内圈(3)上。

6.根据权利要求5所述的一种带叶片强化散热的滚动轴承，其特征在于，多个所述叶片(2)均匀布置于中圈(1)和第二内圈(3)之间。

7.根据权利要求6所述的一种带叶片强化散热的滚动轴承设计方法，其特征在于，多个叶片(2)与滚动轴承中心夹角为30°。