CN112567145A - 具有非对称滚子轮廓的滚动体、滚动轴承、风力设备和用于确定滚动体几何尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种滚动体(1)，其用在滚动轴承(10)中，尤其是大滚动轴承中，其中，所述滚动体(1)在未负载状态下具有对数轮廓(1’)，其中，所述轮廓(1’)满足轮廓函数，其中，D_we对应滚动体(1)的最大直径且L_we对应滚动体(1)的有效长度，其中c₁是第一对数系数，其中c₂是第二对数系数，其中x_极限是过渡常数，其特征在于，c₁和c₂具有不同的值。

Description

具有非对称滚子轮廓的滚动体、滚动轴承、风力设备和用于确 定滚动体几何尺寸的方法

技术领域

本发明涉及一种用于滚动轴承、尤其是大滚动轴承的滚动体。由现有技术已知用于滚动轴承的具有不同轮廓的滚动体。这些例如是圆柱形轮廓、球形轮廓、圆柱形-球形轮廓或对数轮廓。

背景技术

在现有技术中，上述的轮廓不仅存在于圆锥滚子上而且存在于圆柱滚子上。

圆锥滚子的构造和成型典型地根据德国DIN标准26281进行。在2010年11月的DIN标准26281中，在第5.5.3和6.5节中描述了通过轮廓函数来构造圆锥滚子轴承的圆锥滚子的滚子轮廓。

对于从现有技术中已知的轮廓来说，共同点在于，它们总是相对于滚子的中心对称。如果具有已知轮廓的滚动体在操作负荷情况下，也就是在均匀的中心负载下，还能够以可适配的方式导出作用在滚动体上的负荷，因此，在负荷不是中心地作用在滚动体上的情况下，导出作用在滚动体上的负荷是关键的。在这些情况下，出现不期望的边缘支撑，并且因此出现高的表面压力和在滚动轴承的滚动体与滚动体运行轨道之间的接触区域处的升高的磨损。

发明内容

本发明的技术目的在于提供一种滚动体，其不具有现有技术的所述缺点，而是在操作负荷情况下提供高的使用寿命并且同时即使在力不中心地作用在滚动体上的情况下也避免高的表面压力。

此目的通过一种用于滚动轴承，特别是大滚动轴承的滚动体来实现，其中，滚动体在未负载状态下具有对数轮廓，其中，该轮廓至少部分地满足轮廓函数

其中，D_we对应滚动体的最大直径且L_we对应滚动体的有效长度，其中c₁是第一对数系数，c₂是第二对数系数，其中x_极限是过渡常数，其特征在于，c₁和c₂具有不同的值。

根据本发明的滚动体通过关于过渡常数x_极限不对称地实施轮廓的轮廓函数实现了滚动体的几何形状与预期负荷的匹配。滚动体一方面在x＞x_极限时提供具有例如平的轮廓的区域用于改善在操作负荷情况下(即在均匀的中间负荷的情况下)的使用寿命，另一方面在x≤x_极限时提供具有例如陡的轮廓的区域用于避免在极端负荷情况下(也就是说在倾斜时)的边缘运行。

滚动体的轮廓在本发明的意义上意味着滚动体的周面到平行于滚动体的转动轴的投影平面上的投影，其中，仅考虑投影的处于具有截面平面的投影平面的交叉线的一侧上的部分，其中，所述截面平面平行于滚动体的转动轴线并且垂直于投影平面地布置。在本发明的意义上，x坐标平行于滚动体的旋转轴线延伸。轮廓函数以毫米为单位给出滚动体的轮廓。滚动体的有效长度、滚动体的最大直径和x坐标以毫米为单位给出。小的对数系数在此产生更平的轮廓函数，而大的对数系数产生更陡的轮廓函数。

本发明的有利的设计方案和改进方案能够从从属权利要求以及参照附图的说明中获得。

根据本发明的一个优选的实施方式设置过渡常数x_极限不等于0。这使得滚动体的轮廓不仅可以关于滚动体的中心不对称地实施，而且可以偏心地设计在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡，这实现了对预期的机械负载、特别是倾斜的出色的可匹配性。因此，相应设计的滚动体在操作负荷情况下为了高的使用寿命以有利的方式提供轮廓的大的平坦区域，同时在极端负荷的情况下提供轮廓的陡的区域用于避免高的表面压力。

在本发明的意义中，中心意味着这样的x坐标，滚动体的有效长度的两个端部分别距离该坐标L_we/2。

根据本发明的另一优选实施方式设置，第一对数系数c₁是与x相关的函数c₁＝c₁(x)。这实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡处的有利的几何形状。例如可以考虑，第一对数系数c₁满足函数

其中m是常数，且C_基础是另一个对数系数。此外，可设想的是，m＝c_基础。

根据本发明的另一优选实施方式设置，第一对数系数c₁与第二对数系数c₂相关。这实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡处的特别有利的几何形状。

根据本发明的另一优选实施方式设置，第一对数系数c₁满足函数

其中S_k、k、a和c_基础是常数。

这以有利的方式实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的柔和过渡。因此，可以避免在轮廓函数中的跳跃、弯折或不连续的部位。

S_k是一个比例因子，利用该比例因子可以更平或更陡地选择轮廓函数。k是另一常数。可以设想，S_k、k、a和c_基础具有相关性、尤其是与x、c₂、L_we和/或D_we的相关性，即它们是函数。

根据本发明的另一优选实施方式设置，c₂和c_基础不等于0.00045的参考对数系数c₀。有利地，可以通过选择各个相应的c₂和c_基础的值来考虑对于滚动体来说预期的负载情况。

根据本发明的另一个优选实施方式设置，c₂在0.00005与0.0004之间，优选0.0001与0.0003之间，并且更优选基本上为0.0002。已经表明，在上述定义范围内的对数系数尤其对于在操作负荷情况下应具有高的使用寿命的锥形或圆柱滚子轴承的滚动体是特别有利的。这通过小的对数系数和由此平的轮廓来实现。

根据本发明的另一优选的实施方式设置，c_基础在0.0005和0.0009之间、优选在0.0006和0.0008之间并且特别优选基本上为0.0007，和/或k在1.5和2.5之间、优选在1.75和1.95之间并且特别优选基本上为1.838239，和/或S_k在10和100之间、优选在30和50之间并且特别优选基本上为40，和/或a在50和200之间、优选在80和150之间并且特别优选基本上为101。

已经表明，在上述对c₂限定范围内的对数系数尤其对于应在极端负荷情况下运行并承受高负荷峰的圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承的滚动体是特别有利的。这通过大的对数系数和由此陡的轮廓来实现。

用于解决开头所提目的的本发明的另一主题是一种滚动轴承，尤其是大滚动轴承，其具有外圈和至少部分地支承在外圈内的内圈，其中，外圈和内圈以及转动轴线可相对彼此转动，其中，在外圈和内圈之间布置根据前述权利要求中任一项所述的滚动体。

用于解决开头所提目的的本发明的另一主题是一种用于为滚动轴承的滚动体、尤其大滚动轴承的滚动体确定几何尺寸的方法，其中选择对数轮廓作为在未负荷状态下的滚动体的轮廓，其中轮廓的至少一部分的轮廓函数选为

其中D_we对应滚动体的最大直径，且L_we对应滚动体的有效长度，c₁是第一对数系数，c₂是第二对数系数，其中x_极限是过渡常数，其特征在于，为c₁和c₂选择与预期负载情况相匹配的不同值。

根据本发明的方法使得如此确定滚动体的尺寸，通过滚动体的关于过渡常数x_极限不对称的尺寸，可以将预期的负荷均匀地并且以保护滚动体的方式在操作负荷情况中通过匹配平的轮廓的区域导出，并在极端负荷情况中通过匹配陡的轮廓的区域导出。

根据本发明的一个优选的实施方式设置，过渡常数x_极限选择为不等于0，并且过渡常数x_极限与预期的负荷情况相匹配。

这使得可以不仅相对于滚动体的中心非对称地确定滚动体的轮廓的尺寸，而且可以偏心地设计具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡，这可以实现与预期的负载的出色的匹配，尤其实现了具有平的轮廓的宽区域用于延长在运行负荷情况下的使用寿命以及具有陡的轮廓的区域用于避免极端负荷情况下的边缘运行。

根据本发明的另一优选实施方式设置，对于第一对数系数c₁选择取决于x的函数c₁＝c₁(x)。

这实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡处确定有利的几何尺寸。例如可以考虑，第一对数系数c₁满足函数

其中m是常数，且C_基础是另一个对数系数。此外，可设想的是，m＝c_基础。

根据本发明的另一优选实施方式设置，对于第一对数系数c₁选择取决于第二对数系数c₂的函数。这实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间的过渡处特别有利地确定滚动体的几何尺寸。

根据本发明的另一优选实施方式设置，第一对数系数c₁选择为满足函数

其中S_k、k、a和c_基础是常数。

这以有利的方式实现了在具有第一对数系数的轮廓函数的区域与具有第二对数系数的轮廓函数的区域之间确定柔和过渡的几何尺寸。因此，可以避免在轮廓函数中的跳跃、弯折或不连续的部位。

S_k是一个比例因子，利用该比例因子可以更平或更陡地选择轮廓函数。k是另一常数。

用于解决开头所提目的的本发明的另一主题是根据权利要求9所述的具有滚动轴承的风力设备。

所有前述“本发明的公开内容”的实施方式同样适用于根据本发明的滚动体、根据本发明的滚动轴承、根据本发明的用于确定滚动体的几何尺寸的方法以及根据本发明的风力设备。

附图说明

本发明的其它细节、特征和优点从附图以及从下面借助附图对优选实施方式的描述中得出。附图在此仅示出本发明的示例性的实施方式，其不限制本发明的基本构思。

图1(a)-(e)分别示意性地示出了根据现有技术以及根据本发明的示例性实施方式的滚动体的轮廓函数。

图2示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的滚动体。

图3示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的滚动轴承。

图4示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的风力设备。

附图标记列表

1 滚动体

1’ 轮廓

2 轮廓函数

2a 第一轮廓函数

2b 第二轮廓函数

2c 第三轮廓函数

2d 第四轮廓函数

2e 第五轮廓函数

2f 第六轮廓函数

2g 第七轮廓函数

10 滚动轴承

11 内圈

12 外圈

100 风力设备

具体实施方式

在不同的附图中，相同的部件始终设有相同的附图标记，并且因此通常也分别仅命名或提及一次。

在图1(a)至(e)中分别绘出了根据现有技术以及根据本发明的示例性实施方式的滚动体1(参见图2)的轮廓函数2。在各个水平轴上分别绘制x-坐标，其中x轴的零点通过滚动体1的各个有效长度的中心来限定。在各个竖直轴上分别绘制了轮廓函数2P(x)，其中，竖直轴的零点通过滚动体1的各自的最大直径来限定。具有所示的轮廓函数2的滚动体1的最大直径D_we相应地为D_we＝60nm，具有所示的轮廓函数2的滚动体1的有效长度相应地为L_we＝108.8nm。

所给出的长度分别理解为毫米。轴标记同样以毫米为单位给出。为了更好地看到轮廓函数2的所示特性，水平轴和竖直轴没有按相同比例缩放。此外，轮廓函数2没有在其整个区域上示出，而是各自被截断。

图1(a)示出第一轮廓函数2a(实线)。第一轮廓函数2a对应于现有技术并且由以下等式来描述。

第一轮廓函数2a的对数系数取值c_2a＝0.000214。图1(a)还示出了第二轮廓函数2b(虚线)，其同样对应于现有技术并且通过以下等式来描述。

第二轮廓函数2b的对数系数取值c_2b＝0.0003。可以清楚地看到，第一轮廓函数2a比第二轮廓函数2b更平。第一轮廓函数2a和第二轮廓函数2b非常适用于均匀负荷并且仅轻微倾斜的滚动体1，即仅在操作负荷情况下而不在极端负荷情况下运行。倾斜在具有第一轮廓函数2a或第二轮廓函数2b的滚动体1中导致边缘运行以及由此的高压力。

图1(b)示出第三轮廓函数2c(实线)。第三轮廓函数2c对应于现有技术并且由以下等式来描述。

第三轮廓函数2c的对数系数取值c_2c＝0.0005。图1(b)还示出了第四轮廓函数2d(虚线)，其同样对应于现有技术并且由以下等式来描述。

第四轮廓函数2d的对数系数取值c_2d＝0.0007。可以清楚地看到，第三轮廓函数2c比第四轮廓函数2d更平。第三轮廓函数2c和第四轮廓函数2d非常适合于经常在极端负荷情况下运行并且在此倾斜的滚动体1。由于第三轮廓函数2c和第四轮廓函数2d的陡的走向，在极端负荷情况下出现可承受的表面压力并且不出现边缘运行。另一方面，第三轮廓函数2c和第四轮廓函数2d在操作负荷情况下仅提供少的支承面并且因此提供与在图1(a)中讨论的滚动体1相比减小的使用寿命。

图1(c)示出第五轮廓函数2e。第五轮廓函数2e由以下等式来描述。

在此，x_极限＝0mm。

在此，第一对数系数是c₁＝0.0005并且第二对数系数是c₂＝0.0001。具有所示的轮廓函数2e的滚动体1在x＝0mm的右侧的范围中、即在正x值的区域中，设计成在均匀负载的情况下的长的使用寿命。第五轮廓函数2e在操作负荷情况下提供了滚动体1的大的运行面和相应低的表面压力。在x＝0mm的左边，即在负x值中，相应成型的滚动体1通过较高的第一对数系数c₁＝0.0005即使在极端负荷情况下的倾斜中也能通过避免边缘运行而避免强烈的表面压力。然而在操作负荷情况下，在x＝-45mm和x＝0mm之间的区域仅提供很少的运行面。

图1(d)示出第六轮廓函数2f。第六轮廓函数2f由以下等式来描述。

在此，x_极限＝-44mm，，虚线所示的第一对数系数为c₁＝0.0007，第二对数系数为c₂＝0.0002。具有所示的轮廓函数2f的滚动体1在x_极限右侧的范围中，也就是x值大于-44mm的范围中设计成在操作负荷情况下在均匀负载的情况下的长的使用寿命。第六轮廓函数2f在操作负荷情况下提供滚动体1的大的运行面和与此相应低的表面压力。在x_极限左侧，也就是在x值小于-44mm时，相应成型的滚动体1通过更高的对数系数c₁＝0.0007即使在倾斜中也能通过避免边缘运行而避免强烈的表面压力。与图1(c)中所示的第五轮廓函数2e相比，具有与第六轮廓函数2f对应的轮廓1’的滚动体1(参见图2)在操作负荷的情况下提供更多接触面积，并且因此实现了长的使用寿命。

图1(e)示出了第七轮廓函数2g。第七轮廓函数2g由以下等式来描述。

第一对数系数c₁在此满足等式

其中k＝1.838239，S_k＝40，c_基础＝0.0007且第二对数系数c₂＝0.0002。设计具有与第七轮廓函数2g相对应的轮廓1’的滚动体1不仅用于操作负荷情况下的长的使用寿命，而且在负的x值的区域中用于极端负荷情况下的负载。因此，所示的第七轮廓函数2g实现了滚动体1的高使用寿命，并且避免了边缘运行和高表面压力。特别地，第七轮廓函数2g避免了在部位x_极限处的硬过渡和弯折，这对相应成型的滚动体1的使用寿命起到积极的作用。

在图2中示意性地示出了根据本发明的示例性的实施方式的滚动体1。滚动体1具有满足图1(e)中所示的第七轮廓函数2g的轮廓1’。尽管滚动体1的特性通过第七轮廓函数2g明显改善，但是这几乎不能用肉眼识别。

图3示意性地示出了根据本发明的示例性的实施方式的滚动轴承10。滚动轴承10具有内圈11、外圈12和滚动体1。滚动体1本身具有轮廓1’，该轮廓1’满足在图1(e)中示出的第七轮廓函数2g。

图4示意性地示出了根据本发明的示例性实施方式的风力设备100。风力设备100具有滚动轴承10(参见图3)，滚动轴承10具有滚动体1(参见图2)，滚动体1又具有轮廓1’(参见图2)，其中，轮廓1’满足图1(e)中示出的第七轮廓函数2g。

Claims (15)

1.一种滚动体(1)，其用在滚动轴承(10)中，尤其是大滚动轴承中，其中，所述滚动体(1)在未负载状态下具有对数的轮廓(1’)，其中，所述轮廓(1’)至少部分地满足轮廓函数(2)

其中，D_we对应滚动体(1)的最大直径且L_we对应滚动体(1)的有效长度，其中c₁是第一对数系数，其中c₂是第二对数系数，其中x_极限是过渡常数，

其特征在于，c₁和c₂具有不同的值。

2.根据权利要求1所述的滚动体(1)，其中，过渡常数x_极限不等于0。

3.根据前述权利要求中任一项所述的滚动体(1)，其中，所述第一对数系数c₁是与x相关的函数c₁＝c₁(x)。

4.根据权利要求3所述的滚动体(1)，其中，所述第一对数系数c₁与所述第二对数系数c₂相关。

5.根据权利要求4所述的滚动体(1)，其中，所述第一对数系数c₁满足函数

其中S_k、k、a和c_基础是常数。

6.根据权利要求5所述的滚动体(1)，其中，c₂和c_基础不等于0.00045的参考对数系数c₀。

7.根据权利要求5的滚动体(1)，其中c₂在0.00005与0.0004之间，优选0.0001与0.0003之间，并且更优选基本上为0.0002。

8.根据权利要求5至6中任一项所述的滚动体(1)，其中，c_基础在0.0005和0.0009之间、优选在0.0006和0.0008之间并且特别优选基本上为0.0007，和/或k在1.6和2.1之间、优选在1.75和1.95之间并且特别优选基本上为1.838239，和/或S_k在20和80之间、优选在30和50之间并且特别优选基本上为40，和/或a在50和200之间、优选在80和150之间并且特别优选基本上为101。

9.一种滚动轴承(10)，尤其是大滚动轴承，具有外圈(12)和至少部分地支承在外圈(11)内的内圈(11)，其中，外圈(12)和内圈(11)以及转动轴线可相对彼此转动，其中，在外圈(12)和内圈(11)之间布置有根据前述权利要求中任一项所述的滚动体(1)。

10.一种用于为滚动轴承(10)的滚动体(1)、尤其大滚动轴承的滚动体(1)确定几何尺寸的方法，其中，选择对数的轮廓(1’)作为所述滚动体(1)在未负荷状态下的轮廓，其中，所述轮廓(1’)的至少一部分的轮廓函数(2)选为

其中D_we对应滚动体(1)的最大直径，且L_we对应滚动体(1)的有效长度，其中c₁是第一对数系数，其中c₂是第二对数系数，其中x_极限是过渡常数，

其特征在于，为c₁和c₂选择与预期负载情况相匹配的不同值。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，过渡常数x_极限选择为不等于0，并且其中过渡常数x_极限与预期的负荷情况相匹配。

12.根据权利要求10至11中任一项所述的方法，其中，对于第一对数系数c₁选择取决于x的函数c₁＝c₁(x)。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，对于第一对数系数c₁选择取决于第二对数系数c₂的函数。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中第一对数系数c₁选择为满足函数

其中S_k、k、a和c_基础是常数。

15.一种风力设备(100)，具有根据权利要求9所述的滚动轴承(10)。

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