CN108361275A - 一种高速深沟球轴承 - Google Patents

Abstract

本发明属于深沟球轴承的一种高速深沟球轴承，是用于工业和交通业高速驱动电机转子支撑的深沟球轴承，本发明采取沟道圆弧的半径R/钢球的直径Dw为0.53～0.56，连接圆弧的两端分别与沟道和挡边相切，密封圈外缘凸起内侧端部的垂线穿过保持架，凸起与外圈挡边密封配合形成凹槽的技术方案，解决了现有轴承设计中内部尺寸缺乏定量研究，致使现有驱动电机高速旋转转子的旋转支撑轴承润滑失效，能耗增加，以致轴承烧毁的技术问题。

Description

一种高速深沟球轴承

技术领域

本发明属于深沟球轴承，具体的讲是一种高速深沟球轴承。

背景技术

现代的工业和交通业为了提高效率，驱动电机高转速发展的同时，增加快速响应要求，即转速随工作状况的变化而做相应变化的要求。普通电机转速一般小于3000r/min，电机转子支撑轴承的dmn值（轴承中心径dm X转速n）在300000以下，即便转数高的普通电机，其支撑轴承的dmn最高也就是600000。而目前工业高速电机的转速已经达到12000r/min，新能源汽车驱动电机的最高转速更是达到18000r/min，其转子支撑轴承，即高速轴承的dmn业已达到1000000。以往，大部分驱动电机转子使用预填充润滑脂的密封深沟球轴承作为旋转支撑，当轴承的dmn值超过600000，轴承现有的这种设计就不适应了。为了应对电机高速旋转，普遍采用配备润滑系统的润滑油对高速轴承进行润滑，而对于大多数的高速电机而言，却无法配备润滑系统。因此对高速轴承提出了新的设计要求。

高速旋转电机转子的支撑轴承面临的主要问题是摩擦力增加导致轴承温升快速上升，以致烧毁轴承。降低改进轴承内部结构，增进润滑效果，减少摩擦力是高速轴承亟待解决的技术问题。

密封深沟球轴承内部空间狭小，因此轴承内部能够填充的润滑脂数量更为有限。低速轴承润滑脂的填充量占轴承内部空间的1/2左右，中速轴承润滑脂的填充量占轴承内部空间的1/3左右，而高速轴承润滑脂的填充量仅占轴承内部空间的1/4～1/5。在高速以及快速变化状态下，各种因素，如钢球与保持架的碰撞、挤压，钢球与沟道表面的摩擦，离心力的作用等等对润滑脂的润滑形成了很大的影响。中国实用新型专利 授权公告号CN206754166 U《一种双面带密封圈新型深沟球轴承》公开了一种滚珠和第一沟道以及第二沟道均为活动连接，外圈内壁与第一沟道之间，内圈内壁与第二沟道之间设有支撑区，支撑区包括依次连接的抵触部及圆滑部，第一沟道的内壁和第二沟道与抵触部相互连接，抵触部与滚珠相抵触，抵触部和圆滑部均呈圆弧状，且抵触部的圆弧弧度大于圆滑部的圆弧弧度，抵触部圆弧开口朝向与滚珠相背的深沟球轴承。虽然该专利公开的深沟球轴承考虑到了减小因为尖角对滚珠造成损伤，而设有圆弧状的抵触部，考虑到了添加润滑油时增加导油效果，从而增加运行的稳定性而设有圆弧状的圆滑部，但是没有关于滚珠与第一沟道以及第二沟道配合尺寸的技术方案，常规设计沟道和滚珠的距离很近，吻合的程度较高，高速状态润滑脂很难充分补充到润滑部位，形成有效的润滑；没有支撑区相关尺寸的技术方案，常规设计与钢球相抵触的抵触部半径较小，其主要目的是从尖角过渡改变为圆角过渡，避免轴承装配中尖角引起沟道划伤，起不到改善润滑的作用，高速状态抵触部依然会对润滑脂流动产生阻挡，不能形成有效润滑；常规设计密封圈仅有防止润滑脂泄漏和外部污染功能，高速状态润滑脂在离心力作用下向外发散，不能集中在需润滑部位，形成局部的润滑缺失。低、中速轴承的现有设计侧重于轴承额定寿命和最大承受载荷，而高速轴承的润滑问题突出，润滑寿命直接影响轴承的能效和正常使用，在dmn达到600000以上，现有设计的低、中速轴承往往发生润滑失效，能耗增加，轴承烧毁现象，滚球与沟道配合关系、圆滑部半径以及轴承内部尺寸对于保证轴承的润滑就是至关重要的因素。

发明内容

本发明解决现有轴承设计中缺乏钢球与沟道配合关系，连接沟道、挡边的连接圆弧半径尺寸，以及轴承内部尺寸缺乏定量研究，致使现有驱动电机高速旋转转子的旋转支撑轴承润滑失效，能耗增加，乃至出现轴承烧毁的技术问题，提供一种内部尺寸适于高速旋转场合使用，满足现代电机高速、快速响应，摩擦力小以及能耗低的高速深沟球轴承。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：一种高速深沟球轴承，包括轴承内圈上的内沟道与轴承外圈上的外沟道之间的钢球，使用润滑脂进行润滑；工程塑料保持架外侧，内圈和外圈之间安装密封圈；密封圈的外径嵌在轴承外圈密封槽内，形成过盈配合，密封圈的内径与轴承内圈间隙或者过渡配合，内、外沟道圆弧的半径R/钢球的直径Dw为0.53～0.56；在过轴承轴线的切面上，外圈连接圆弧10的两端分别与外沟道6和外圈挡边8相切，内圈连接圆弧11的两端分别与内沟道7和内圈挡边9相切；过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起14内侧端部的垂线穿过保持架4，凸起14与外圈挡边8密封配合形成凹槽15。

钢球在内、外沟道上滚动，既围绕轴承中心公转，又绕自身轴线自转，钢球的滚动摩擦力比滑动摩擦力小得多。粘稠状润滑脂渗入钢球与沟道之间润滑。外圈内径和内圈外径是连接圆弧分别与沟道和挡边相切组成的复合曲线。在过轴承轴线的切面上，沟道的形状与钢球形状是相似圆弧形。钢球与沟道的吻合程度一般使用沟曲率系数f表示，沟曲率系数f是指沟道的半径R与钢球的直径Dw之比，即f=R/Dw，现在普遍接受的观点是沟曲率系数f越小，吻合程度越高，沟道与钢球之间的间隙小，轴承的承载能力大、寿命长；沟曲率系数f越大，吻合程度越低，沟道与钢球之间的间隙大，轴承的承载能力小、寿命低。低、中速轴承温升问题表现不突出，因此，为了提高轴承的额定寿命和承受载荷，现有设计尽可能的选择了较小沟曲率系数f，其沟曲率系数f为0.515～0.525。高速轴承转数高，温升成为了主要问题，沟曲率系数f对轴承润滑、温升的影响突显，如果将沟曲率系数f小于0.525的轴承用于高速，润滑脂很难补充到润滑部位，不能形成有效的润滑，轴承就会出现润滑变坏，摩擦力加大，温升过高，能耗增加，寿命反而缩短。为了应对轴承高速旋转的要求，本发明一改轴承现有设计理念，采用了加大内、外沟道与钢球之间的间隙，选用较大的沟曲率系数f。大的沟曲率系数f提高轴承高速润滑性能的同时，又会带来轴承载荷能力下降和寿命缩短，本发明选用f为0.53～0.56,使高速轴承润滑得到改善，润滑脂能够比较容易进入润滑部位，轴承摩擦力降低，温升小，又兼顾了轴承寿命和载荷能力，是合适的设计方案。密封圈外径部分紧密嵌在外圈密封槽内，使密封圈与轴承外圈紧密结合在一起不会发生转动，密封圈内径部分与轴承内圈上的密封台阶形成间隙或者过渡配合，两者之间产生相对的转动，不会产生高的摩擦热量。相对的两个密封圈外缘部位的内侧向钢球方向形成凸起，凸起越过保持架的外侧面，与外圈挡边配合形成两处凹槽，两处凹槽对称分布在钢球的两侧，容纳润滑脂，粘附在钢球上的润滑脂，通过钢球自转将润滑脂补充到内、外沟道。现在有的轴承，与轴承外圈接触的密封圈外缘内侧垂于外圈挡边以下，密封圈垂于外圈挡边以下的部分与外圈挡边也能形成类似的凹槽，从过轴承轴线的切面上看，该凹槽位于保持架的外面，属于开放式的凹槽，润滑脂很容易流失到轴承无需润滑的其它表面。为了应对轴承高速旋转的要求，本发明的凹槽位于保持架外侧之内，密封圈外缘凸起与外圈挡边形成的是一个半封闭的凹槽，高速轴承有效地抑制了润滑脂在离心力作用向外发散，避免了局部润滑缺失，使润滑脂集中于需润滑的部位。

内、外沟道圆弧的半径R/钢球的直径Dw为0.54～0.55。R/ Dw为0.54～0.55是优选的数值。

过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起的内侧端部到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离S/轴承外圈与密封圈外缘密封配合的端面到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离L为1/2～1/3。密封圈外缘凸起内侧端部到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离为S，密封圈外缘与轴承外圈接触的端面到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离为L，S/L大于1/2，润滑脂容易发散，润滑效果较差，S/L小于1/3，凹槽内润滑脂容量较少且比较集中，容易产生搅拌损失，致使轴承温升较高。

过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起的内侧端部到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离S/轴承外圈与密封圈外缘密封配合的端面到外圈连接圆弧与外圈挡边切点的距离L为2/5～3/8。S/L为2/5～3/8是优选的数值。

凹槽的深度t/钢球的直径Dw为0.05～0.12。轴承内部结构紧凑，过大的凹槽深度t，高速旋转状态产生径向跳动的保持架易与凸起接触，转速越高径向跳动越大；过小的凹槽深度t，难以容纳适量润滑脂，为了应对轴承高速旋转的要求，本发明适度的控制凹槽深度，使t/Dw为0.05～0.12。

凹槽15的深度t/钢球3的直径Dw为0.06～0.10。t/Dw为0.06～0.10是优选的数值。

外圈连接圆弧的半径Rs/外沟道的圆弧半径R为0.2～0.6，内圈连接圆弧的半径Rs/内沟道的圆弧半径R为0.2～0.6，外圈连接圆弧与外沟道的圆弧方向相反，内圈连接圆弧与内沟道的圆弧方向相反。内、外沟道与内、外圈挡边交接处会对润滑脂流动产生阻挡。现在有的轴承在该交接处采用支撑区过渡，支撑区包括依次连接的抵触部及圆滑部，在低、中速轴承中，依靠圆滑部尚能“在添加润滑油时，增加导油效果，从而增加运行的稳定性”，由于其抵触部是与钢球相抵触，所以抵触部圆弧半径较小，其主要目的是从尖角过渡改变为圆角过渡，避免轴承装配中尖角引起沟道划伤，它起不到改善润滑的作用，如果将该支撑区技术应用于高速轴承，抵触部依然会对润滑脂流动产生阻挡。为了应对轴承高速旋转的要求，本发明仅用一段连接圆弧，其两端分别与沟道和挡边相切，切点圆滑，Rs/R为0.2～0.6，大半径的连接圆弧使钢球与沟道和挡边的交接处完全脱离接触，既克服了轴承承受过大轴向载荷时应力椭圆横跨交接处产生的应力集中，又改善了润滑脂的流动，消除了高速状态下交接处对润滑脂流动产生的阻挡。Rs/R为0.2～0.6是综合兼顾了高速轴承的润滑、寿命和载荷能力的技术方案。

外圈连接圆弧的半径Rs/外沟道的圆弧半径R为0.3～0.5，内圈连接圆弧的半径Rs/内沟道的圆弧半径R为0.3～0.5，外圈连接圆弧与外沟道的圆弧方向相反，内圈连接圆弧与内沟道的圆弧方向相反。Rs/ R为0.3～0.5是优选的数值。

外沟道底部到外圈挡边的距离h和内沟道底部到内圈挡边的距离h/钢球的直径Dw为0.10～0.17。轴承承受径向载荷和轴向载荷。轴向载荷使轴承的沟道，特别是沟道与挡边交接处，产生应力集中，在高速状态应力集中表现的尤为突出。挡边与沟道底部距离h与钢球的直径有关，沟道底部到挡边的距离h/钢球直径Dw的比值称为挡边系数。挡边与沟道底部距离h大小影响轴承载荷能力，在低、中速轴承的设计中，为了提高轴承载荷能力，选用较大的h值，现有轴承设计的h/Dw在0.2左右。挡边与沟道底部距离h大小会影响润滑脂的流动，对于低、中速轴承来说其影响较为轻微，而对于高速轴承来说就变的较为严重了。为了应对轴承高速旋转的要求，本发明将h/Dw传统采用的值作了适当的减小，选择在0.10～0.17，改善了润滑脂的流动，使之高速时容易流动到需润滑部位，这是一种兼顾了润滑和轴承寿命、载荷能力的设计方案。

外沟道底部到外圈挡边的距离h和内沟道底部到内圈挡边的距离h/钢球3的直径Dw为0.13～0.15。h/Dw为0.13～0.15是优选的数值。

本发明的优点是：选用R/Dw为0.53～0.56，加大沟道与钢球之间的间隙，提高轴承高速润滑性能。凸起与外圈挡边形成的是一个半封闭的凹槽，高速轴承有效地抑制了润滑脂在离心力作用向外发散。t/Dw为0.05～0.12，适度的选择了凹槽润滑脂容纳量。仅用一段两端分别与沟道和挡边相切的连接圆弧，切点圆滑，Rs/R为0.2～0.6，使钢球与沟道和挡边的交接处完全脱离接触，既克服了交接处产生的应力集中，又消除了高速状态下交接处对润滑脂流向润滑部位产生的阻挡。h/Dw为0.10～0.17，改善了润滑脂的流动性，使之容易流动到需润滑部位。本发明是针对dmn大于600000的高速深沟球轴承的设计，通过对于深沟球轴承内部结构尺寸的优化处理，在保证轴承的寿命和承受载荷前提下，重点解决了驱动电机高速旋转转子支撑轴承的润滑问题，本发明的高速深沟球轴承适应现代电机高速、快速响应要求，轴承内部润滑均匀充分，摩擦力小，轴承能耗的低，寿命长。

附图说明

图1是本发明一个高速深沟球轴承实施例的局部结构示意图；

图2是图1轴承外圈的结构示意图；

图3是图1轴承内圈的结构示意图。

具体实施方式

图示的是新能源汽车驱动电机的高速深沟球轴承在过轴承轴线切面的结构示意图。

结合附图进行说明。图中高速深沟球轴承由轴承外圈1、轴承内圈2、钢球3、工程塑料保持架4、密封圈5，以及各位置分布的粘稠状润滑脂组成（图中没有示出润滑脂）。轴承内圈2在外径部位加工有环形内沟道7，轴承外圈1在内径部位加工有环形外沟道6。钢球3在内沟道7和外沟道6上滚动，既围绕轴承中心公转，又围绕自身轴线自转，滚动摩擦力比滑动摩擦力小很多，钢球3和内、外沟道之间有润滑脂渗入起润滑作用。沟道是与钢球3形状相似的圆弧形，沟道圆弧的半径R，钢球3的直径Dw，沟道与钢球3的吻合程度通常使用沟曲率系数f表示，f=R/Dw，本实施例的f=0.54。轴承内圈2的外径和轴承外圈1的内径采用了优化结构，在道沟与挡边相交的地方进行圆弧化处理，内圈连接圆弧11的两端分别与内道沟7和内圈挡边9相切连接，外圈连接圆弧10的两端分别与外沟道6和外圈挡边8相切连接，形成圆弧圆滑过渡，内、外圈连接圆弧半径Rs，Rs/R=0.4，内圈连接圆弧11与内沟道7方向相反，外圈连接圆弧10与外沟道6方向相反。保持架4的外侧，轴承内、外圈之间安装密封圈5，密封圈5防止润滑脂泄漏而造成轴承的润滑失效，以及防止轴承外部的污染物侵入。密封圈5的外径紧密地嵌在轴承外圈密封槽12内，形成过盈配合，使密封圈5与外圈1紧密结合在一起，不转动。密封圈5的内径与轴承内圈2间隙或者过渡配合，两者之间会产生相对的转动，但不会产生高的摩擦热量。密封圈5的外缘内侧向保持架4方向形成凸起14，凸起14内侧端部的垂线穿过保持架4，凸起14与外圈挡边8密封配合形成凹槽15，相对的两处凹槽15对称分布在钢球3的两侧。凸起14的内侧端部到外圈连接圆弧11与外圈挡边8切点的距离S，密封圈外缘13与轴承外圈1接触的端面到外圈连接圆弧11与外圈挡边8切点的距离L，S/L=5/13。凹槽15的深度t，t/Dw=0.08。外沟道6底部到外圈挡边8的距离h，内沟道7到内圈挡边9的距离h，h/Dw=0.14。本实施例设计的高速深沟球轴承，提高了轴承的极限转速，降低了能耗，兼顾了轴承的寿命和承受载荷能力。

Claims (10)

1.一种高速深沟球轴承，包括轴承内圈（2）上的内沟道（7）与轴承外圈（1）上的外沟道（6）之间的钢球（3），使用润滑脂进行润滑；工程塑料保持架（4）外侧，内圈（2）和外圈（1）之间安装密封圈（5）；密封圈（5）的外径嵌在轴承外圈密封槽（12）内，形成过盈配合，密封圈（5）的内径与轴承内圈（2）间隙或者过渡配合，其特征在于内、外沟道圆弧的半径R/钢球的直径Dw为0.53～0.56；在过轴承轴线的切面上，外圈连接圆弧（10）的两端分别与外沟道（6）和外圈挡边（8）相切，内圈连接圆弧（11）的两端分别与内沟道（7）和内圈挡边（9）相切；过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起（14）内侧端部的垂线穿过保持架（4），凸起（14）与外圈挡边（8）密封配合形成凹槽（15）。

2.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于内、外沟道圆弧的半径R/钢球优选的直径Dw为0.54～0.55。

3.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起（14）的内侧端部到外圈连接圆弧（11）与外圈挡边（8）切点的距离S/轴承外圈（1）与密封圈外缘（13）密封配合的端面到外圈连接圆弧（11）与外圈挡边（8）切点的距离L为1/2～1/3。

4.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于过轴承轴线的切面上，密封圈外缘凸起（14）的内侧端部到外圈连接圆弧（11）与外圈挡边（8）切点的距离S/轴承外圈（1）与密封圈外缘（13）密封配合的端面到外圈连接圆弧（11）与外圈挡边（8）切点的距离L为2/5～3/8。

5.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于凹槽（15）的深度t/钢球（3）的直径Dw为0.05～0.12。

6.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于凹槽（15）的深度t/钢球（3）的直径Dw为0.06～0.10。

7.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于外圈连接圆弧（10）的半径Rs/外沟道（6）的圆弧半径R为0.2～0.6，内圈连接圆弧（11）的半径Rs/内沟道（7）的圆弧半径R为0.2～0.6，外圈连接圆弧（10）与外沟道（6）的圆弧方向相反，内圈连接圆弧（11）与内沟道（7）的圆弧方向相反。

8.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于外圈连接圆弧（10）的半径Rs/外沟道（6）的圆弧半径R为0.3～0.5，内圈连接圆弧（11）的半径Rs/内沟道（7）的圆弧半径R为0.3～0.5，外圈连接圆弧（10）与外沟道（6）的圆弧方向相反，内圈连接圆弧（11）与内沟道（7）的圆弧方向相反。

9.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于外沟道（6）底部到外圈挡边（8）的距离h和内沟道（7）底部到内圈挡边（9）的距离h/钢球（3）的直径Dw为0.10～0.17。

10.根据权利要求1所述的一种高速深沟球轴承，其特征在于外沟道（6）底部到外圈挡边（8）的距离h和内沟道（7）底部到内圈挡边（9）的距离h/钢球（3）的直径Dw为0.13～0.15。