CN111914440A - 一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，通过建立轴承外圈与轴承座装配有限元模型，获得至少三组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合盈量的消失温度数据，并根据相应数据制作配合过盈量与对应的配合盈量的消失温度关系图，根据关系图采用拟合的方法获得配合过盈量与对应的配合盈量的消失温度的关系式，最后根据给定的轴承外圈与轴承座所处工作环境的最高温度作为配合过盈量的消失温度，根据配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式，获得配合过盈量即为轴承外圈与轴承座过盈量的最大值。本发明所述方法考虑到温度对轴承外圈与轴承座的形变影响，反向设计配合过盈量，保证轴承外圈与轴承座之间始终保持紧密配合。
Description
技术领域
本发明属于轴承定位安装技术领域，具体涉及一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法。
背景技术
轴承是当代机械结构中的一种重要零部件，轴承由轴承外圈、轴承内圈以及安装在轴承内圈与轴承外圈之间的滚子组成，它的主要功能是通过将内圈与轴配合安装，外圈与轴承座配合安装，使得轴在旋转过程中，轴承内圈相对于轴承外圈旋转，并通过滚子减小轴承内圈与轴承外圈之间的摩擦，进而降低轴运转过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。
轴承作为轴结构的旋转支撑体广泛应用在车辆底盘系统中。轴承一般是通过轴承外圈安装在轴承座支撑内，进而通过轴承座支撑安装在箱体或其他相对固定的结构上，故，轴承的轴承外圈与轴承座的配合精度将直接影响轴结构的旋转精度，进而影响整车的运行质量。
车辆底盘系统中，轴结构基本均需要高速运转，在轴结构高速运转的过程中会产生大量的热量，而轴承外圈的材料种类与轴承座的材料种类一般都不相同，故二者的膨胀系数也都不同，在轴结构运转而释放大量热的情况下，轴承外圈与轴承座均产生一定的变形。
在汽车变速器设计中，滚动轴承与铸铁箱体轴承座之间通常采用过渡配合，实际使用经验表明，此种配合能够满足产品设计要求。随着产品轻量化设计的需要，变速器不仅设计的越来越紧凑，而且箱体也越来越多地采用铸铝材料进行铸造。铸铝箱体材料的膨胀系数约为轴承钢材料的2倍，当变速器工作温度升高时，铸铝箱体轴承座的膨胀量将大于滚动轴承的膨胀量。此时，若轴承与轴承座采用过渡配合，则二者之间容易出现较大间隙，以致滚动轴承定位不准确，影响主轴的旋转精度和轴承的使用寿命，严重者可造成轴承外圈在轴承座内出现滑转、磨损、轴承烧蚀等问题。
为了有效避免上述问题，滚动轴承与铸铝箱体轴承座之间有必要采用过盈配合。目前的国家标准中，轴承与轴承座配合公差带代号还没有考虑温度对过盈量的影响。刘泽九等在《滚动轴承应用》一书中给出了考虑温度的过盈量理论计算公式，但该公式忽略了铸铝箱体轴承座膨胀量的影响，给出的过盈量精度偏低，不能满足铸铝箱体变速器开发需要；专利文献“一种考虑温度影响计算锁紧盘过盈量的方法”采用解析公式给出了温度影响下的锁紧盘过盈量计算方法，但该方法仅在结构简单、形状规则的配合件之间较为适用，现实结构中多为不规则结构，例如结构上有开口特征时，其未说明解析公式中的参数如何取值，从而大大影响解析公式的适用性和过盈量的计算精度，故该方法并不适用于轴承与轴承座之间的配合计算；专利文献“一种船用曲轴红套过盈量的设计方法”采用解析公式给出了曲轴过盈量最大值和最小值计算方法，并用有限元方法确定了最佳过盈量，但其未考虑温度的影响；专利文献“一种直升机桨叶根部衬套过盈量确定方法”采用解析公式给出了过盈量计算方法，其也未考虑温度影响。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，根据实际工作温度，快捷、方便、准确地确定轴承外圈与轴承座配合过盈量。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，所述方法具体如下：
S1：基于接触连接关系，建立轴承外圈与轴承座装配有限元模型，并定义所述有限元模型的初始温度；
S2：给定轴承外圈与轴承座的配合过盈量，采用有限元方法计算获得在初始温度下，轴承外圈与轴承座之间的接触压力；
S3：对轴承和轴承座同时加温，采用有限元方法计算获得一组轴承外圈与轴承座之间配合过盈量的消失温度；
S4：重复上述步骤S2至步骤S3，获得至少两组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度；
S5：根据步骤S3和步骤S4中获得的至少三组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度数据，制作配合过盈量与配合过盈量的消失温度关系图，并拟合获得配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式；
S6：给定轴承外圈与轴承座所处工作环境的最高温度作为配合过盈量的消失温度，根据配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式，获得配合过盈量即为轴承外圈与轴承座过盈量的最大值。
进一步地，所述步骤S1中，首先采用有限元前处理软件划分轴承外圈与轴承座的网格，并给定轴承外圈与轴承座的材料热膨胀系数，定义轴承外圈与轴承座之间为接触连接关系，进而建立轴承外圈与轴承座的装配有限元模型。
进一步地，所述有限元模型的初始温度为20℃。
进一步地，所述步骤S2和步骤S4中，轴承外圈与轴承座的配合过盈量不小于-0.1mm。
进一步地，所述步骤S3中，对轴承和轴承座同时加温的温度不低于120℃。
进一步地，所述步骤S5中，基于制作的配合过盈量与消失温度的线性图，通过最小二乘法拟合得到配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式。
更进一步地，所述步骤S3和步骤S4中获得的三组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度数据如下：
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.01mm，配合过盈量的消失温度为32℃；
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.04mm，配合过盈量的消失温度为68℃；
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.08mm，配合过盈量的消失温度为116℃；
所述步骤S5中，通过最小二乘法拟合得到配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式为：
T＝-1200X+19.999·········(1)
上述关系式(1)中，X为轴承外圈与轴承座的配合过盈量，T为配合过盈量的消失温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，考虑到温度对轴承外圈与轴承座的形变影响，随之反向设计轴承外圈与轴承座配合过盈量，实现对热形变的补偿，保证轴承外圈与轴承座之间始终保持紧密配合，保障旋转主体的回转精度。
2、本发明所述确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，采用有限元方法获取不同过盈量条件下轴承与轴承座之间的接触压力，以及由温升引起该接触压力消失的消失温度，使得本方法的实施不受轴承、轴承座具体结构形式的限制，所涉及的轴承可以是任意轴承类型，轴承座可以带有缺口、油孔、退刀槽和倒角等结构特征，因此本发明所述方法适应性强、适用范围广。
3、本发明所述确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，利用最小二乘法拟合得到过盈量与温度的关系式，可以快捷、方便、准确地由轴承与轴承座所处的工作温度确定出轴承与轴承座配合过盈量，进而支撑轴承、轴承座的公差设计，提高包括变速器在内的高精度部件的设计精度。
附图说明
图1为本发明所述确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法中，建立的滚动轴承外圈与铸铝箱体轴承座装配的有限元模型示意图。
图2为本发明所述确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法中，过盈量与消失温度之间的关系示意图。
图中：
1-轴承座，2-轴承外圈。
具体实施方式
为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
本发明提供了一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，在本具体实施方式中，以滚动轴承的轴承外圈和与铸铝箱体设计为一体的轴承座之间的间隙配合为例，确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法具体如下：
S1：如图1所示，采用有限元前处理软件划分轴承外圈2与轴承座1外轮廓结构的网格，并给定轴承外圈2材料热膨胀系数为1.203×10-5/℃，轴承座1材料热膨胀系数为2.36×10-5/℃，定义轴承外圈2与轴承座1之间为接触连接关系，进而建立轴承外圈2与轴承座1的装配有限元模型，并定义所述有限元模型的初始温度为20℃；
S2：给定轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量为-0.01mm，然后，采用有限元分析软件计算在20℃的初始温度下，轴承外圈2与轴承座1之间的接触压力；
在本步骤S2中，给定的轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量可以是不小于-0.1mm任意值；
S3：对轴承外圈2所在的轴承和轴承座1同时加温至120℃，并继续采用有限元方法计算获得轴承外圈2与轴承座1之间接触压力的消失温度为32℃；
所述“消失温度”是指使：轴承外圈2与轴承座1因升温产生形变而使二者之间的接触压力减小到零时所达到的温度；在本实施例中，当轴承外圈2所在的轴承和轴承座1从初始温度20℃，同时被加热达到32摄氏度时，轴承外圈2与轴承座1之间的接触压力刚好为零；所述“消失温度”亦为轴承外圈2与轴承座1之间过盈配合的过盈量消失的温度；
本步骤S3中，对轴承外圈2所在的轴承和轴承座1同时加温的温度至少应达到120℃；
S4：重复上述步骤S2至步骤S3，给定轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量为-0.04mm，对轴承外圈2所在的轴承和轴承座1同时加温至120℃，并采用有限元方法计算获得轴承外圈2与轴承座1之间接触压力的消失温度为68℃；给定轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量为-0.08mm，对轴承外圈2所在的轴承和轴承座1同时加温至120℃，并采用有限元方法计算获得轴承外圈2与轴承座1之间接触压力的消失温度为116℃；
本步骤S4中，应至少给定两组配合过盈量与消失温度，以确保与步骤S3中一组配合过盈量与消失温度，组成至少三组配合过盈量与消失温度数据，以确定配合过盈量与消失温度之间的线性关系；根据实际情况，本步骤中可以给出三组、四组或更多配合过盈量与消失温度数据，以使步骤S5中获得的关系更加精确；
S5：根据步骤S3和步骤S4中获得的三组轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量与对应的接触压力的消失温度数据，以轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量为坐标横轴，以接触压力的消失温度为坐标纵轴，制作过盈量与消失温度的关系坐标图，如图2所示，根据三组轴承外圈2与轴承座1的配合过盈量与对应的接触压力的消失温度数据确定的三个坐标点，可以看出，过盈量与消失温度呈线性关系，进而采用最小二乘法拟合得到过盈量与消失温度的关系式如下：
T＝-1200X+19.999··········(1)
上述关系式(1)中，X为轴承外圈2与轴承座1之间配合的过盈量，T为过盈量X的消失温度；
S6：若轴承外圈2与轴承座1能达到的温度为T＝100℃，那么根据上述过盈量与消失温度的关系式(1)可知，当轴承外圈2与轴承座1之间配合的过盈量为-0.067mm时，对应的过盈量消失温度为100℃，即当轴承外圈2与轴承座1的工作温度达到100℃时，轴承外圈2与轴承座1之间配合的过盈量最大值为-0.067mm；轴承外圈2与轴承座1之间配合的过盈量为最大值-0.067mm时，当轴承外圈2与轴承座1的工作温度达到100℃，轴承外圈2与轴承座1之间配合的过盈量刚好为零，即接触压力刚好消失；若想保证轴承外圈2与轴承座1可靠地紧密配合，轴承外圈2与轴承座1之间的过盈量应选取小于-0.067mm，如-0.07mm，但轴承外圈2与轴承座1之间的过盈量应保证大于-0.1mm。
至此即完成确定轴承外圈2与轴承座1配合过盈量的过程。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述方法具体如下：
S1：基于接触连接关系，建立轴承外圈与轴承座装配有限元模型，并定义所述有限元模型的初始温度；
S2：给定轴承外圈与轴承座的配合过盈量，采用有限元方法计算获得在初始温度下，轴承外圈与轴承座之间的接触压力；
S3：对轴承和轴承座同时加温，采用有限元方法计算获得一组轴承外圈与轴承座之间配合过盈量的消失温度；
S4：重复上述步骤S2至步骤S3，获得至少两组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度；
S5：根据步骤S3和步骤S4中获得的至少三组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度数据，制作配合过盈量与配合过盈量的消失温度关系图，并拟合获得配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式；
S6：给定轴承外圈与轴承座所处工作环境的最高温度作为配合过盈量的消失温度，根据配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式，获得配合过盈量即为轴承外圈与轴承座过盈量的最大值。
2.如权利要求1所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述步骤S1中，首先采用有限元前处理软件划分轴承外圈与轴承座的网格，并给定轴承外圈与轴承座的材料热膨胀系数，定义轴承外圈与轴承座之间为接触连接关系，进而建立轴承外圈与轴承座的装配有限元模型。
3.如权利要求1或2所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述有限元模型的初始温度为20℃。
4.如权利要求1所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述步骤S2和步骤S4中，轴承外圈与轴承座的配合过盈量不小于-0.1mm。
5.如权利要求1所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述步骤S3中，对轴承和轴承座同时加温的温度不低于120℃。
6.如权利要求1所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述步骤S5中，基于制作的配合过盈量与消失温度的线性图，通过最小二乘法拟合得到配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式。
7.如权利要求6所述一种确定轴承外圈与轴承座配合过盈量的方法，其特征在于：
所述步骤S3和步骤S4中获得的三组轴承外圈与轴承座的配合过盈量与对应的配合过盈量的消失温度数据如下：
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.01mm，配合过盈量的消失温度为32℃；
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.04mm，配合过盈量的消失温度为68℃；
轴承外圈与轴承座的配合过盈量为-0.08mm，配合过盈量的消失温度为116℃；
所述步骤S5中，通过最小二乘法拟合得到配合过盈量与配合过盈量的消失温度的关系式为：
T＝-1200X+19.999·········(1)
上述关系式(1)中，X为轴承外圈与轴承座的配合过盈量，T为配合过盈量的消失温度。
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