CN105605096B - 角接触自对准圆环滚动元件轴承 - Google Patents

角接触自对准圆环滚动元件轴承 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种角接触自对准圆环滚动元件轴承，包括内圈、外圈和由设置在内圈和外圈之间的中间结构处的滚子构成的一组滚动元件，其中在运行期间，每个滚子设置为相对于内外圈在加载区域其轴向方向上自定位。此外，本发明还涉及一种用于确定角接触自对准圆环滚动元件轴承的结构构件的尺寸参数的方法和一种用于制造角接触自对准圆环滚动元件轴承的方法。

Description

角接触自对准圆环滚动元件轴承
技术领域
本发明涉及一种滚动元件轴承。更具体地，本发明涉及一种角接触自对准圆环滚子轴承，包括内圈、外圈和由设置在内圈和外圈之间的中间结构处的滚子构成的一组滚动元件。本发明还涉及一种方法，用于确定角接触自对准圆环滚动元件轴承的结构构件的尺寸参数，并涉及一种制造角接触自对准圆环滚动元件轴承的方法。
背景技术
在典型的应用中，滚动轴承装置可设置为调节未对准，轴的挠曲和轴的热膨胀。为了应付未对准和轴的挠曲，设计工程师以往使用一种自对准轴承装置，包括两个自对准的球轴承或两个球面滚子轴承。然而，轴的热膨胀是一个复杂的问题，并且轴承中的一个常被设置为“定位”轴承，而另一个设置为“非定位”轴承。例如，定位轴承可固定在外壳中的轴上，而非定位轴承可设置为能够在壳体内的它的底座上轴向移动。然而，涉及非定位轴承的壳体的位置变动的运动通常产生相当大量的摩擦，然后使轴承系统振动，产生轴向力，并且升温，所有这些都可显著减少轴承的使用寿命。
对于各种应用，公知的解决方案包括利用圆环滚动元件轴承，它是一种自对准径向轴承，具有独立于外圈移动的内圈，可实现如由于温度变化造成的轴或结构的热伸长和收缩，而不产生内部轴向载荷。此外，由于环形滚子轴承的内圈和外圈可以干涉配合安装，可避免与外圈不牢固有关的问题，如摩擦腐蚀和环的变形。
然而，对于涉及推力载荷的应用，设计工程师必须限制较高的轴向负荷、未对准和轴的挠曲。已知的解决方案和设计规则使轴承装置具有较低的设计自由度，价格昂贵，而且尺寸过大。
发明内容
考虑到现有技术的上述和其它缺点，本发明的总的目的是提供一种角接触自对准圆环滚动元件轴承，一种用于确定角接触自对准圆环滚动元件轴承的结构构件的尺寸参数的改善的方法，一种用于制造角接触自对准圆环滚动元件轴承的改善的方法。
根据其第一方面，本发明涉及一种角接触自对准圆环滚动元件轴承，包括内圈、外圈和由设置在内圈和外圈之间的中间结构处的滚子构成的一组滚动元件，其中每个滚子具有弯曲的滚道接触表面，设置为与内圈的弯曲的内滚道和外圈的弯曲的外滚道承载接触，每个滚子和内滚道和/或外滚道之间的接触角相对于轴承轴线倾斜，并且其中每个滚子设置为在运行期间，相对于内外圈在加载区域其轴向方向上自定位。
本发明是基于发明人的以下认识：轴承系统在涉及高轴向载荷的应用中，未对准和轴的挠曲可通过提供一种角接触自对准圆环滚子轴承而显著改善，该轴承设计为其重点允许滚子的自定位，也被称为皂效应(soapeffect)。这允许更紧凑和高效的轴承解决方案。更详细地说，该方法允许轴承更紧凑，这反过来又允许降低轴承系统的载荷能力和尺寸造成的尺寸过大。从而，更紧凑的轴承解决方案，需要更少的材料和制造资源，例如时间、材料、运输等，可用于实现用于涉及例如高轴向载荷、未对准和轴的挠曲的特定应用的类似或更好表现的轴承。
根据一个实施例，当设计角接触自对准圆环滚子轴承时，涉及非倾斜圆环滚动元件轴承的常规设计规则可省略。换句话说，只有轴向自定位标准，也被称为皂效应标准，用于确定最佳的轴承设计。
此外，对于各种应用，根据本发明实施例的角接触自对准圆环滚子轴承，允许例如更安全、更优化的设计，延长了轴承的使用寿命，延长维护周期，降低运行温度，降低振动和噪音水平，提高机器的吞吐量，相同的吞吐量采用更轻或更简单的机器，提高了产品质量/减少废料等。
根据一个示例性实施例，角接触自对准圆环轴承为大轴承。大滚动轴承为，例如具有500mm以上的外径的轴承。
根据一个示例性实施例，每个滚子设置为基于轴承变化的运行状态，相对于内外圈在其轴向方向上自定位。例如，在涉及轴承的结构构件未对准的运行状态改变期间，载荷改变，例如进入和离开加载/卸载区，或环变形，位移或扭转等。通过滚子的轴向自定位，取得自平衡，导致对称的应力分布，并避免在典型运行条件下不利的滚边缘载荷。
根据一个示例性实施例，每个滚子的弯曲的滚道接触表面的曲率和内外滚道的曲率适于允许滚子在滚子的轴向方向上自定位。
根据各种示例性实施例，每个滚子具有滚子横向半径'rw'和滚子长度'lw'，并且每个滚子的滚子横向半径和滚子长度之间的比值，小于12，或小于10，或小于8.5，或小于6，或小于4。滚子横向半径和滚子长度之间的比率以皂效应能力为特征，即在运行状态改变期间，滚子在其轴向方向上自定位的能力。其可基于滚子-滚道摩擦确定。更详细地说，滚子横向半径'rw'与滚子长度'lw'比以滚子的滚道接触表面的倾斜角和滚道靠近滚子轴向端部的斜率为特征。斜率和基于摩擦的角之间的关系通过滚子的轴向滑动影响自定位，以避免不利的滚子边缘载荷和应力。
根据一个示例性实施例，外滚道包括横向滚道半径和圆周滚道半径。更详细地，横向滚道半径可以限定为在滚子的横向滚动方向上外滚道的半径。此外，圆周滚道半径可以限定为在滚子的滚动方向上，在滚子和外滚道之间的接触点处外滚道的半径。
此外，根据示例性的实施例，横向滚道半径为圆周滚道半径的1.65到1.0倍，或为圆周滚道半径的1.62到1.02倍。由此，得以实现比率提供设计规则允许更紧凑和有效的轴承，具有减少的总尺寸，无论就轴承的承载能力和外部尺寸来说。此外，横向和圆周滚道半径之间的这种比率状态是有利的，允许轴承的正偏移横向半径设计，其中横向滚道半径大于圆周滚道半径。换句话说，轴承滚道的曲率的圆环几何形状设置为使得外圈横向滚道半径中心点延伸超出轴承的中心轴线。
根据又一个示例性实施例，横向滚道半径小于圆周滚道半径的1.0倍，或小于圆周滚道半径的1.02倍。这种横向和圆周滚道半径之间的比率状态允许轴承的负偏移横向半径设计，其中，横向滚道半径小于圆周滚道半径。换句话说，轴承滚道的曲率的圆环几何形状设置为使得外圈横向滚道半径中心点不会到达轴承的中心轴线。根据进一步的实施例，横向滚道半径小于圆周滚道半径的1.0倍，但不小于或等于滚子长度'lw'的50％或不小于或等于滚子长度'lw'的60％。
根据一个示例性实施例，接触角是在10度到45度之间，或在15度到35度之间。接触角可以定义为产生的载荷经由滚子元件从一个滚道传输到另一个滚道所沿线的角度，典型地沿着滚子的轴向中心部分，相对于轴承中心轴线的法线方向。接触角是使轴承具有足够高的轴向承载容量的关键。
根据包括轴承的实施例的各种装置，轴承可以设置为具有正的内部工作间隙、负的内部工作间隙或者没有内部工作间隙。例如，根据应用的优选设计，滚动元件可相对于内外圈滚道无轴向游隙，或者滚动元件可相对于内外圈滚道在径向和轴向方向上设置有合适的游隙。轴承可选地设置有负的工作间隙，即预载，例如以提高轴承装置的刚度或者提高运行精度。例如，可以由弹簧或通过涉及液压装置的解决方式来提供应用预载。
根据其进一步的方面，本发明涉及一种用于确定应用的角接触自对准圆环滚动元件轴承的结构构件的尺寸参数的方法，轴承具有由设置在内圈和外圈之间的滚子构成的滚动元件。该方法包括接收代表与应用相关的所需承载特征的第一输入。此外，该方法包括基于第一输入确定：
-角接触自对准圆环滚动元件轴承的接触角，-代表滚子的横向半径'rw'的第一尺寸参数，以及-代表滚子长度'lw'的第二尺寸参数，其中第一和第二尺寸参数基于滚子横向半径和滚子长度之间的比率来确定。
确定尺寸参数的方法及其实施例有利地允许确定轴承具有如关于本发明的第一方面所述的相同的有益效果和益处。更具体地，用于涉及高轴向载荷、未对准和轴挠曲应用的改进轴承，可以通过确定角接触自对准圆环滚子轴承的结构构件的改进的尺寸参数来提供。具体地，通过将设计集中在允许滚子基于滚子横向半径和滚子长度之间的比率自定位，实现更加紧凑和有效的轴承解决方案。通过集中在滚子横向半径和滚子长度之间的比率，轴承设计可相对于滚子的轴向自定位优化，并且圆环轴承的以前的设计规则可以缓和。这允许就轴承及其结构构件的承载能力和外部尺寸来说，减少尺寸过大。该方法可以例如由设计工程师用于确定对于给定的具有预定性能，例如轴承外圈直径，或内圈内径等的应用的轴承尺寸。
根据一个示例性实施例，该方法包括确定接触角在10度到45度之间，或15度到35度之间。
根据一个示例性实施例，该方法还包括确定滚子横向半径和滚子长度，使得在运行期间，每个滚子设置为相对于内外圈在加载区域其轴向方向上自定位。根据一个示例性实施例，轴承中每个滚子的比率，小于12，或小于10，或小于8.5，或小于6，或小于4。
根据一个示例性实施例，该方法进一步包括指定外滚道的横向滚道半径和外滚道的圆周滚道半径。例如，根据一个示例性实施例，该方法包括指定横向滚道半径在圆周滚道半径的1.65到1.0倍之间，或1.62到1.02倍之间。根据可替换的示例性实施例，该方法包括指定横向滚道半径小于圆周滚道半径的1.0倍，或小于1.02倍。由此，可分别提供相应的轴承的正或负横向轴承设计。
根据示例性实施例，该方法是一种计算机实现的方法，该方法由计算设备中的一个或多个处理器执行。另外，本发明涉及包含指令的计算机可读介质，当由计算设备执行时，使得计算设备执行本文所述的任一实施例的计算机实现的方法。此外，根据示例性实施例，计算机实现的方法包括：输出代表第一和/或第二尺寸参数。其可以，例如，在显示器上输出我们的输出到轴承制造控制单元。
根据其进一步的方面，本发明涉及一种用于制造角接触自对准圆环滚动元件轴承的方法，该轴承包括内圈、外圈和由设置在内外圈之间的中间结构处的滚子构成的一组滚动元件，该方法包括使每个滚子具有弯曲的滚道接触表面，以与内圈的弯曲的内滚道和外圈的弯曲的外滚道承载接触，其中调节每个滚子的滚道接触表面的曲率和内外滚道的曲率，使得每个滚子相对于内外圈在其轴向方向上自定位。该制造轴承的方法与如关于本发明的第一和第二方面所述类似的方式是有利的。根据各种实施例，该方法可以进一步包括：制造根据相对于本发明的第一和第二方面描述的实施例中的任一实施例的轴承。
角接触圆环滚子轴承是有利的，其可以同时容纳径向载荷和轴向载荷。这是由于环结合设计和滚子数目的优化设计；例如，它可以用在面对面或背对被装置，另一轴承在其他方向吸收轴向载荷。由于其坚固的设计，环形轴承可以应付小的变形与轴承座的加工误差。环容纳这些小瑕疵，没有滚子边缘应力的危险。高承载能力以及弥补小制造或安装误差的能力使提高机器的效率和正常运行时间的机会增加。连同角接触圆环滚动元件轴承的高轴向承载容量，这意味着应用布置中相同轴承的尺寸，性能可提高和/或使用寿命延长。此外，新的机器设计可以做得更紧凑，以提供相同或甚至更好的性能。
通常，本发明的其它的目的、特征和优点将从下面的详细公开、所附从属权利要求以及从附图中出现，并同样可能在本发明的范围之内。
附图说明
现在，将通过举例的方式，参考附图，描述本发明的实施例，其中：
图1为根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承的示例性实施例的示意剖面图。
图2为根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承的示例性实施例的示意剖面图。
图3为根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承的示例性实施例的示意部分剖面图。
图4为与滚动元件轴承结合的环面形状的示意图。
图5为根据本发明的方法的实施例的示意流程图。
应该理解的是，附图并非真实的比例，正如很容易由本领域技术人员理解的，除了那些在附图示出的尺寸外同样可能在本发明的范围之内。
具体实施方式
在附图中，类似的或相同的元件用相同的附图标记表示。
在图1中，示出了根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承10的示例性实施例的示意剖面图。
在图2中，示出了根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承10的示例性实施例的示意剖面图。
在图1和图2中示出的轴承10的每一个包括内圈20、外圈21和由设置在内圈20和外圈21之间的中间结构处的对称滚子15构成的一组滚动元件。角接触自对准滚动元件轴承的每个滚子15为轴向对称的轴承滚子。如图所示，轴承10为单列滚动元件轴承。
此外，每个滚子15具有弯曲的滚道接触表面15a，设置为与内圈20的弯曲的内滚道20a和外圈21的弯曲的外滚道21a接触。如图所示，每个滚子15和内滚道20a以及外滚道21a之间的接触角相对于轴承轴线C倾斜，如图2中D所示那样。每个滚子15的弯曲的滚道接触表面15a的圆环曲率和内外滚道20a和21a的圆环曲率适于允许滚子在滚子的轴向方向22上自定位。每个滚子15的弯曲的滚道接触表面15a的圆环曲率对应于内外滚道20a和21a的圆环曲率。以圆环几何为特征的外滚道21a的横向滚道半径表示为re。如图所示，横向滚道半径re相对于轴承轴线C和外滚道21a的半径偏移，如由A和B所示。滚子轴向长度由lw表示。
图1和图2中示出的轴承10的每一个为具有相对较长，略呈冠状的滚子的单列滚子轴承10。内外滚道20a和21a相应呈凹形且对称。外滚道的几何形状基于一个环面，如图4示意性地示出的那样，因此称之为圆环滚子轴承。角接触圆环滚子轴承设计为定位轴承，其允许自对准能力，类似于球面滚子轴承的能力，和允许扭转位移的能力，如扭转环和/或壳体结构的任何一个或两者。自对准能力和允许扭转位移的能力，例如，在由于不准确的制造、安装误差或轴偏转而造成未对准的应用中特别重要。为了补偿这些条件下，轴承10可以例如设置为调节轴承环20和21之间高达0.5度的未对准，而不会对轴承或轴承使用寿命造成任何不利影响。进一步的优点是，该轴承运行温度更低，润滑油持续时间更长，维护间隔可以明显延长。
参考图1，外滚道的横向滚道半径re为外圈圆周滚道半径rec的1.62和1.0倍。这个比率允许正偏移横向半径设计圆环轴承，其中，横向滚道半径re大于外圈圆周滚道半径rec，在有限的时间间隔内。换言之，轴承滚道20a和21a以及滚子15a的曲率的圆环几何形状，设置为使得横向滚道半径re中心点超过轴承10的中心轴线C。如图所示，横向滚道半径中心点re位于超过轴承轴线C距离A。
参考图2，外滚道21a的横向滚道半径re小于外圈圆周滚道半径rec的1.0倍。这个比率允许负偏移横向半径设计圆环轴承，其中，横向滚道半径re小于外圈圆周滚道半径rec。换言之，轴承滚道20a和21a以及滚子15a的曲率的圆环几何形状，设置为使得横向滚道半径re中心点不会到达轴承10的中心轴线C。如图所示，横向滚道半径re中心点位于轴承轴线C之前距离B。
在图3中，示出了根据本发明的角接触自对准圆环滚子轴承的示例性实施例的示意部分剖面图。更具体地，示出了角接触自对准圆环滚子轴承的轴向对称滚子15，具有滚道接触表面15a、滚子端部15b、滚子轴线22、横向半径rw、滚子长度lw以及滚子端部15b处的基于摩擦的角p。
轴向自定位取决于轴承的曲率几何形状，而自锁限制，其中可以防止滚子的轴向自定位，可以基于滚子轴向端部15b处存在的摩擦特性和几何形状来确定。
下面的关系是有效的，其中，mu表示滚子15的滚道接触表面和轴承滚道之间的摩擦系数：
mu(limit)<tan(p)
其中，滚子端部处的基于摩擦的角p可以定义为：
p＝arcsine((lw/2)/rw)
例：
根据一个示例性实施例(约)：
如果mu(限制)为0.05(取决于例如材料性质，轴承运行参数等)，而滚子长度lw＝195mm，那么滚子横向半径应小于约1950mm，以确保运行期间滚子的轴向自定位。近似的横向半径极限rw<1950mm对应于滚子横向半径rw和10的滚子长度lw之间的比率。该比率是轴承独立节圆直径。较低比率，如小于8.5，或小于6，或小于4，使滚子的自定位能力增强。
在图4中，示出了与滚动元件轴承40结合的环面形状的示意图。如图所示，轴承滚道的曲率构成环面几何形状。示出的轴承40为具有零接触角的圆环轴承。
在图5中，示出了根据本发明的方法50的实施例的示意流程图。如图所示，方法50包括步骤51，包括接收代表与应用相关的所需承载特征的第一输入。此外，该方法包括步骤52、53和54，这些步骤包括基于第一输入确定轴承的不同特征。更详细地，步骤52包括确定角接触自对准圆环滚动元件轴承的接触角，步骤53包括确定代表滚子的横向半径rw的第一尺寸参数，并且步骤54包括确定代表滚子长度lw的第二尺寸参数，其中第一和第二尺寸参数基于滚子横向半径和滚子长度之间的比率来确定。
根据图5所描绘的方法的一个示例性实施例，用于特定应用的角接触自对准圆环滚动元件轴承的结构构件的尺寸参数可基于代表与特定应用相关的所需承载特征的各种输入参数来确定。例如，第一输入可包括以下输入参数的任意一个或多个：
-D，轴承的外径，或轴承壳体的直径，
-d，轴，或轴承的孔的直径，
-P，载荷。
该方法可进一步包括确定以下附加参数的任意一个或多个：
-Dw，滚子元件的高度，
-z，轴承中滚动元件的数目，
-dm轴承的节圆直径，
根据各种实施例，上述输入参数D，d和P以及所确定的参数Dw，z和dm中的任何一个或所有均可有利地用作确定代表相应的横向半径rw和滚子长度lw的第一和第二尺寸参数的基础。
应该注意的是，滚道的横向半径，如外滚道的横向滚道半径re，通常对应于基于合适的比率的滚子的横向半径rw，也被称为密切相关。滚子和滚道横向半径之间的一致性水平，即密切相关比rw/re，可为例如约0.98，或介于0.965到0.995之间。
应当指出的是，本发明已经参照几个实施例于上文大体描述。然而，如容易由本领域技术人员理解的那样，除上文公开的实施例外的其他实施例也同样可能在本发明的范围之内，由所附的专利权利要求所限定。
例如，尽管角接触自对准圆环滚动元件轴承已经对于独立结构作了大体地描述，但它可以用于广泛的应用，包括但不限于涡轮机、磨粉机和包括具有轴向和径向支撑要求的旋转轴的其他设备。
在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个装置或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项功能。起码的事实是，某些特征或方法步骤记载在相互不同的从属权利要求中并不表示这些特征或步骤的组合不能被有利地使用。

Claims (15)

1.一种角接触自对准圆环滚动元件轴承(10)，包括内圈(20)、外圈(21)和由设置在该内圈和外圈之间的中间结构中的滚子(15)构成的一组滚动元件，其中
每个滚子具有弯曲的滚道接触表面(15a)，设置为与该内圈的弯曲的内滚道(20a)和该外圈的弯曲的外滚道(21a)承载接触，
每个滚子(15)和该内滚道和/或外滚道之间的接触角相对于轴承轴线倾斜，并且
其中每个滚子设置为在运行期间相对于所述内圈和所述外圈在加载区域其轴向方向上自定位；
该外滚道(21a)的横向滚道半径(re)小于该外滚道(21a)的圆周滚道半径(rec)的1.0倍。
2.根据权利要求1所述的滚动元件轴承，其中每个滚子设置为基于该轴承(10)变化的运行状态相对于该内外圈在其轴向方向上自定位。
3.根据权利要求1-2任意之一所述的滚动元件轴承，其中，每个滚子的该弯曲的滚道接触表面的曲率和该内外滚道的曲率适于允许该滚子在该滚子的轴向方向上自定位。
4.根据权利要求1-2任意之一所述的滚动元件轴承，其中
每个滚子具有滚子横向半径(rw)和滚子长度(lw)，并且
每个滚子的该滚子横向半径和滚子长度之间的比值小于12，或小于10，或小于8.5，或小于6，或小于4。
5.根据权利要求1-2任意之一所述的滚动元件轴承，其中该外滚道(21a)包括横向滚道半径(re)和圆周滚道半径(rec)。
6.根据权利要求5所述的滚动元件轴承，其中该横向滚道半径(re)为该圆周滚道半径(rec)的1.65到1.0倍，或为该圆周滚道半径(rec)的1.62到1.02倍。
7.根据权利要求5所述的滚动元件轴承，其中该横向滚道半径(re)小于该圆周滚道半径(rec)的1.02倍。
8.根据权利要求1-2任意之一所述的滚动元件轴承，其中该接触角在10度到45度之间，或在15度到35度之间。
9.一种用于确定应用的角接触自对准圆环滚动元件轴承(10)的结构构件的尺寸参数的方法(50)，该轴承(10)具有由设置在内圈(20)和外圈(21)之间的滚子(15)构成的滚动元件，该方法包括
接收代表与该应用相关的所需承载特征的第一输入(51)，并且
基于该第一输入确定：
(52)–该角接触自对准圆环滚动元件轴承的接触角，
(53)-代表该滚子的横向半径(rw)的第一尺寸参数，以及
(54)-代表滚子长度(lw)的第二尺寸参数，
其中该第一和第二尺寸参数基于该滚子横向半径和滚子长度之间的比率来确定。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括确定该滚子横向半径和滚子长度之间的比率，使得每个滚子设置为在运行期间相对于该内圈和该外圈在加载区域其轴向方向上自定位。
11.根据权利要求10所述的方法，其中对于该轴承中的每个滚子来说，所述比率小于12，或小于10，或小于8.5，或小于6，或小于4。
12.根据权利要求9-11任意之一所述的方法，还包括
指定：
该外圈(21)的外滚道(21a)的横向滚道半径(re)，以及
该外圈(21)的外滚道(21a)的圆周滚道半径(rec)。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括指定该横向滚道半径(re)为该圆周滚道半径(rec)的1.65到1.0倍，或为1.62到1.02倍。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括指定该横向滚道半径(re)小于该圆周滚道半径(rec)的1.0倍，或小于1.02倍。
15.一种用于制造角接触自对准圆环滚动元件轴承(10)的方法(100)，该轴承(10)包括内圈(20)、外圈(21)和由设置在该内圈和外圈之间的中间结构中的滚子(15)构成的一组滚动元件，该方法包括
使每个滚子具有弯曲的滚道接触表面(15a)，以与该内圈的弯曲的内滚道(20a)承载接触，并且与该外圈的弯曲的外滚道(21a)承载接触，
其中调节每个滚子的该滚道接触表面的曲率和该内滚道和该外滚道的曲率，使得每个滚子相对于该内圈和该外圈在其轴向方向上自定位。
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