CN105593540A - 具有冠状/弓形接触线的滚子轴承 - Google Patents

Abstract

滚子轴承包括处于滚子与外滚道和内滚道中的至少一个之间的浮凸轮廓(28、30)。所述浮凸轮廓沿其长度限定了斜率。所述浮凸轮廓的斜率限定了至少一个拐折区域。

Description

具有冠状/弓形接触线的滚子轴承

技术领域

本发明涉及滚子轴承，并且更具体而言，涉及一种具有修改的几何构型以控制接触应力，延长轴承寿命并且改进效率的滚子轴承。

背景技术

滚子轴承通常包括设置在外滚道和内滚道之间的多个滚子。滚子和滚道的仿形(profiling)通常被应用于现有技术中。当轴承在重载荷和轻载荷二者下操作时，针对具有重载荷的减小的应力的最佳廓形与针对轻载荷下的低功率损耗的最佳廓形相矛盾。本发明描述了一种最小化这些对立需求的矛盾的仿形浮凸轮廓形状。

发明内容

在一个方面，本发明提供了一种滚子轴承，其包括外滚道、内滚道和位于外滚道和内滚道之间的滚子。所述滚子轴承还包括处于所述滚子与外滚道和内滚道中的至少一个之间的浮凸轮廓(reliefcontour)。所述浮凸轮廓沿其长度限定了斜率。所述浮凸轮廓的斜率限定了至少一个拐折(inflection)区域。

在另一方面，本发明提供了一种滚子轴承，其包括外滚道、内滚道和位于外滚道和内滚道之间的滚子。所述滚子轴承还包括处于所述滚子与外滚道和内滚道中的至少一个之间的浮凸轮廓。所述浮凸轮廓沿其长度限定了斜率。所述浮凸轮廓包括第一区域，在所述第一区域中，所述斜率沿第一区域的长度在数量上增大。所述浮凸轮廓还包括与第一区域相邻的第二区域，在所述第二区域中，所述斜率沿第二区域的长度的至少一部分在数量上减小，以在第一区域和第二区域之间限定拐折区域。

通过考虑下面的详细描述和附图，本发明的其他特征和方面将变得显而易见。

附图说明

图1是常规的滚子轴承组件的一部分的剖视图。

图2是图1的滚子轴承组件的滚子的透视图。

图3是图1的滚子轴承组件的剖视图，其中，滚子轴承组件的轴处于未对准的状态。

图4图示了图1的轴承组件的浮凸轮廓。

图5是另一常规滚子轴承组件的一部分的剖视图。

图6图示了图5的轴承组件的浮凸轮廓。

图7图示了根据本发明的一个实施例的浮凸轮廓。

在详细说明本发明的任何实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用中并不限于在下面的描述中阐述的或在下面的附图中图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其他实施例，并且能够以各种方式来实施或执行。此外，应当理解的是，本文所用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应被认为是限制性的。

具体实施方式

图1图示了常规的滚子轴承组件10的一部分，所述滚子轴承组件10具有带有外滚道14的外圈12、带有内滚道18的轴16以及设置在外滚道14和内滚道18之间的滚子20。在图示的实施例中，内滚道18通过轴16的轴颈部分限定，使得滚子20直接接触轴16的外表面。在其他实施例中，内滚道18能够包括单独的轨或其他结构。

继续参考图1，每个滚子20包括第一端22、与第一端相对的第二端24以及平分滚子20的中心平面26。与滚子20的端部22、24相邻的外周缘在直径上减小，以提供滚道接触浮凸。滚子20和外滚道14之间的交界(interface)限定了外接触廓形28，滚子20与内滚道18之间的交界限定了内接触廓形30。在图示的实施例中，接触廓形28、30(其也可以称为浮凸轮廓)一般关于中心平面26对称。如图3中所示，接触廓形28、30减少了端部应力，并且适应轴16的失准(即，未对准)，其中，所述失准通过外滚道14和内滚道18之间的失准角Φ来限定。

图4图示了浮凸轮廓31，其表示当失准角Φ为零时接触廓形28、30中的一个。应当理解的是，由于轴承组件10的接触廓形28、30基本上相同，所以图4的浮凸轮廓31能够表示外接触廓形28和内接触廓形30二者。然而，在其他实施例中，外接触廓形28和内接触廓形30能够具有不同的几何构型并且限定不同的浮凸轮廓。浮凸轮廓31限定了在滚子20和相应的滚道14、18之间测得的浮凸间距(reliefdistance)D。最佳地图示在图2中，滚子20在浮凸间距D为零的外接触区域32上接触外滚道14，并且在浮凸间距D为零的内接触区域34上接触内滚道18。

参考图4，浮凸轮廓31限定了设置在中心平面26的两侧上的两个区域A和B。区域A被定位成最靠近中心平面26，并且区域B被定位成与区域A相邻。在区域A中，浮凸间距D为零，并且沿区域A的长度保持恒定。在区域B中，浮凸间距D随着距离中心平面26的横向距离x在数量上增大。

继续参考图4，浮凸轮廓31限定了从区域A变化到区域B的斜率。具体而言，沿区域A的长度，浮凸轮廓31的斜率为零并且保持恒定，而在区域B中，因为浮凸轮廓31远离x轴弯曲，所以浮凸轮廓31的斜率随着距离中心平面26的横向距离x在数量上逐渐增大。在沿x轴的特定位置处的斜率的值能够通过取浮凸轮廓31所描绘(trace)的曲线的一阶导数来计算。在沿x轴从中心平面26移开的离散间隔处的斜率的值于区域B内在数量上增大。因此，浮凸轮廓31的斜率被认为是在区域A和区域B二者中随着横向距离x在数量上单调增大。如本文所用的，用语“单调增大”意指“不减少”。例如，如果函数F(x)随着x增大而增大和/或保持恒定，则认为它单调增大。

图5图示了另一常规滚子轴承组件110的一部分，所述滚子轴承组件110共有上述滚子轴承组件10的相同的特征和属性中的许多特征和属性。因此，滚子轴承组件110的与滚子轴承组件10的特征相对应的特征被给予相同的附图标记加100，并且下文仅详细描述轴承组件10、110之间的差异。

参考图5，轴承组件110包括外滚道114、带有内滚道118的轴116以及设置在外滚道114和内滚道118之间的滚子120。滚子120中的每一个都包括第一端122、与第一端122相对的第二端124以及平分滚子120的中心平面126。滚子120具有基本上圆柱形的形状，所述基本上圆柱形的形状与外滚道114的凸的或冠状(crowned)的轮廓协作，以限定外接触廓形128。滚子120和内滚道118之间的交界限定了内接触廓形130。在图示的实施例中，接触廓形128、130关于中心平面126对称。

图6图示了表示外接触廓形128的浮凸轮廓131。浮凸轮廓131限定了设置在中心平面126的任一侧上的单一的区域A。在区域A中，浮凸间距D随着距离中心平面126的横向距离x在数量上增大。

继续参考图6，浮凸轮廓131在区域A内限定了斜率，因为浮凸轮廓131远离x轴弯曲，所以所述斜率随着距离中心平面126的横向距离x在数量上逐渐增大。在沿x轴的特定位置处的斜率的值能够通过取浮凸轮廓131所描绘的曲线的一阶导数来计算。在沿x轴从中心平面126移开的离散间隔处的斜率的值在区域A内在数量上增大。因此，浮凸轮廓131的斜率被认为是在区域A中随着距离中心平面126的横向距离x在数量上单调增大。

图7图示了用于根据本发明的一个实施例的滚子轴承组件的浮凸轮廓250。浮凸轮廓250被放大和夸张地表现(dramatize)以图示其几何构型。浮凸轮廓250能够被应用于任何类型的滚子轴承组件，例如上述的滚子轴承组件10和110、其他圆柱形的滚子轴承组件、锥形的滚子轴承组件、滚针轴承组件等。在图示的实施例中，浮凸轮廓250被示出为是与非波状轮廓(non-contoured)(即，平直)表面254接触的波状轮廓(contoured)表面252。在一些实施例中，非波状轮廓表面254能够是滚道(或轴的轴颈部分)，并且波状轮廓表面252能够是滚子的外表面。在其他实施例中，非波状轮廓表面254能够是滚子的外表面，并且波状轮廓表面252能够是滚道。可替代地，表面252、254二者能够以任何方式来成形轮廓，使得这两个表面252、254的组合产生相当于图示的浮凸轮廓250的有效的接触廓形。

在图示的实施例中，浮凸轮廓250关于中心平面256对称。浮凸轮廓250限定了在波状轮廓表面252和非波状轮廓表面254之间测量的浮凸间距D，并且浮凸轮廓250包括设置在中心平面256的两侧上的三个区域A、B和C。区域A最靠近中心平面256，区域B被定位成与区域A相邻，并且区域C被定位成与区域B相邻且离中心平面256最远。在图示的实施例中，浮凸轮廓250至少具有切线连续性(也称为G¹连续性或一阶导数连续性)，使得区域A、区域B和区域C之间的过渡是大致平滑的。

继续参考图7，在区域A、区域B和区域C中，浮凸间距D随着沿远离中心平面256的方向移动的横向距离x在数量上增大。在一些实施例中，浮凸间距D在距离x处于区域B中的情况下可以保持基本上恒定。在其他实施例中，浮凸间距D在区域B中可以随着距离x在数量上减小。

浮凸轮廓250限定了斜率，在区域A中，所述斜率随着距离中心平面256的横向距离x在数量上单调增大。沿着与区域A相邻的区域B的至少一部分，所述斜率随着距离中心平面256的横向距离x在数量上逐渐减小，而所述斜率在区域B的其余部分中保持基本上恒定。在图示的实施例中，区域B中的斜率的大小小于区域A中的斜率的大小的最大值。在区域C中，所述斜率再次随着距离中心平面256的横向距离x在数量上单调增大。在图示的实施例中，与在区域A中相比，斜率在区域C中以更大的速率随着距离中心平面256的横向距离x在数量上增大。这提供了积极的滚道接触浮凸，以减小端部应力。

在区域A、B或C中的任何区域内，在沿x轴的特定位置处的斜率的值能够通过取浮凸轮廓250所描绘的曲线的一阶导数来计算。“凹性”是浮凸轮廓250所描绘的曲线的另一特性，所述凹性能够通过取浮凸轮廓250所描绘的曲线的二阶导数来确定。如果在x的特定值处二阶导数的值为正，则浮凸轮廓250所描绘的曲线被认为是在该x值处“上凹”，而如果在x的特定值处二阶导数的值为负，则浮凸轮廓250所描绘的曲线被认为是在该x值处“下凹”。“拐折区域”可以被限定在所述曲线上凹性由上凹转变成下凹的位置，或反之。在x的特定值处二阶导数的值在拐折区域的任一侧上改变符号，并且二阶导数的值在拐折区域内为零。在一些实施例中，所述拐折区域能够是二阶导数的值为零的单点或“拐点”。在其他实施例中，所述拐折区域能够是具有许多点的线性区域或线段，其中，二阶导数的值为零。

参考图7，浮凸轮廓250所描绘的曲线的凹性在于区域A和区域B之间过渡的第一拐折区域258处改变。在图示的实施例中，第一拐折区域25S为拐点；但是，在其他实施例中，取决于浮凸轮廓250的具体几何构型，第一拐折区域258可以是线段。在区域A中与第一拐折区域258相邻处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的二阶导数为正，从而指示该位置处的曲线是上凹的。类似地，在区域B中与拐折区域258相邻处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的二阶导数为负，从而指示该位置处的曲线是下凹的。在拐折区域258处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的凹性的这种改变与从区域A到区域B浮凸轮廓250的斜率的大小的减少一致。因此，浮凸间距D在区域B内的改变小于在区域A内的改变。

在图示的实施例中，浮凸轮廓250所描绘的曲线的凹性在于区域B和区域C之间过渡的第二拐折区域260处再次改变。在图示的实施例中，拐折区域260是线段；然而，在其他实施例中，取决于浮凸轮廓250的具体几何构型，拐折区域260可以是单拐点。在区域B中与拐折区域260相邻处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的二阶导数为负，从而指示该位置处的曲线是下凹的。类似地，在区域C中与拐折区域260相邻处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的二阶导数为正，从而指示该位置处的曲线是上凹的。在拐折区域260处，浮凸轮廓250所描绘的曲线的凹性的这种改变与从区域B到区域C浮凸轮廓250的斜率的大小的增加一致。因此，浮凸间距D在区域C内的改变大于在区域B内的改变。

继续参考图7，区域A、B和C中的每一个分别具有曲率半径R1、R2和R3。在图示的实施例中，区域A具有最大的曲率半径R1，区域C具有最小的曲率半径R3，并且区域B具有介于区域A和区域C的曲率半径之间的曲率半径R2。因此，浮凸轮廓250为多半径接触廓形。

在包括图7的浮凸轮廓250的滚子轴承组件的正常操作(以相对轻的载荷)期间，滚子与内滚道和外滚道中相关联的一个之间的接触区域限于区域A内。区域A的几何构型使在横向于轴承组件的滚动方向的方向上的接触区域长度最小化，以最小化功率损耗。这在轴承组件的正常操作期间提供了很高的效率。当施加于轴承组件的动态载荷增加时，接触区域沿方向x朝向区域C扩展。因为浮凸轮廓250的斜率在区域B中减小，所以随着动态载荷增加，所述接触区域能够沿区域B更快速地扩展。这允许更大的接触区域，从而减小滚子、滚道和/或轴上的接触应力，并且由此，增加轴承组件的耐久性。如果动态载荷进一步增加，以使接触区域延伸到区域C中，则区域C中浮凸的积极增加防止了过度的边缘应力。

因此，本发明提供了一种用于滚子轴承组件的多半径接触廓形，所述多半径接触廓形在维持轴承组件的耐久性的同时减小了功率损耗。根据本发明的浮凸轮廓250的形状对于使用锥形(锥形滚子)、圆柱形滚子和球面滚子的轴承而言是有益的。

尽管已参考特定的优选实施例详细地描述了本发明，但变型和修改存在于所描述的本发明的一个或多个独立方面的范围和精神内。

本发明的各种特征在下面的权利要求中阐述。

Claims (20)

1.一种滚子轴承，包括：

外滚道；

内滚道；

位于所述外滚道和所述内滚道之间的滚子；以及

处于所述滚子与所述外滚道和所述内滚道中的至少一个之间的浮凸轮廓，所述浮凸轮廓沿其长度限定了斜率，

其中，所述浮凸轮廓的斜率限定了至少一个拐折区域。

2.如权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓包括：

第一区域，在所述第一区域中，所述斜率沿所述第一区域的长度在数量上增大，以及

与所述第一区域相邻的第二区域，在所述第二区域中，所述斜率沿所述第二区域的长度的至少一部分在数量上减小，使得所述拐折区域被限定在所述第一区域和所述第二区域之间。

3.如权利要求2所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓还包括与所述第二区域相邻的第三区域，在所述第三区域中，所述斜率沿所述第三区域的长度在数量上增大。

4.如权利要求2所述的滚子轴承，其特征在于，所述滚子限定了平分所述滚子的中心平面，并且其中，所述第一区域中的所述斜率沿远离所述中心平面的横向方向在数量上增大。

5.如权利要求4所述的滚子轴承，其特征在于，所述第二区域中的所述斜率沿从所述中心平面的所述横向方向在数量上减小。

6.如权利要求5所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓还包括与所述第二区域相邻的第三区域，在所述第三区域中，所述斜率沿从所述中心平面的所述横向方向在数量上增大。

7.如权利要求2所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓在所述第一区域中具有第一曲率半径，并且在所述第二区域中具有与所述第一曲率半径不同的第二曲率半径。

8.如权利要求7所述的滚子轴承，其特征在于，所述第二曲率半径小于所述第一曲率半径。

9.如权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述滚子能够在接触区域上与所述外滚道和所述内滚道中的至少一个接合，并且其中，所述接触区域随着施加于所述轴承的载荷增大而增大。

10.如权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓在所述拐折区域内改变凹性。

11.如权利要求1所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓至少具有切线连续性。

12.一种滚子轴承，包括：

外滚道；

内滚道；

位于所述外滚道和所述内滚道之间的滚子；以及

处于所述滚子与所述外滚道和所述内滚道中的至少一个之间的浮凸轮廓，所述浮凸轮廓沿其长度限定了斜率，所述浮凸轮廓包括：

第一区域，在所述第一区域中，所述斜率沿所述第一区域的长度在数量上增大，以及

与所述第一区域相邻的第二区域，在所述第二区域中，所述斜率沿所述第二区域的长度的至少一部分在数量上减小，以在所述第一区域和所述第二区域之间限定拐折区域。

13.如权利要求12所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓还包括与所述第二区域相邻的第三区域，在所述第三区域中，所述斜率沿所述第三区域的长度在数量上增大。

14.如权利要求12所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓在所述第一区域中具有第一曲率半径，并且在所述第二区域中具有与所述第一曲率半径不同的第二曲率半径。

15.如权利要求14所述的滚子轴承，其特征在于，所述第二曲率半径小于所述第一曲率半径。

16.如权利要求12所述的滚子轴承，其特征在于，所述滚子限定了平分所述滚子的中心平面，并且其中，所述第一区域中的所述斜率沿远离所述中心平面的横向方向在数量上增大。

17.如权利要求16所述的滚子轴承，其特征在于，所述第二区域中的所述斜率沿从所述中心平面的所述横向方向在数量上减小。

18.如权利要求17所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓还包括与所述第二区域相邻的第三区域，在所述第三区域中，所述斜率沿从所述中心平面的所述横向方向在数量上增大。

19.如权利要求12所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓在所述拐折区域内改变凹性。

20.如权利要求12所述的滚子轴承，其特征在于，所述浮凸轮廓至少具有切线连续性。