CN113864327A - 用于滚子轴承的非椭圆形接触轮廓 - Google Patents

用于滚子轴承的非椭圆形接触轮廓 Download PDF

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Abstract

一种滚子轴承包括：内滚圈；外滚圈；以及滚子，其布置在内圈和外圈之间并与内圈和外圈接触。轴承在一个轴向端部处具有在内滚圈上的凸缘（31、131），并且在相对的轴向端部处具有在外滚圈上的凸缘（21、121）。这些凸缘中的一个和/或滚子的端部包括在两个附加部段（52、152；54、154）中间的至少一个主要部段（53、153）。主要部段与两个附加部段切向融合，并且主要部段具有与两个附加部段的相应弯曲部不同的第一弯曲部。能够通过在滚子端部和配合凸缘面之间的接触位置处的复合轮廓来获得非椭圆形的接触足迹。

Description

用于滚子轴承的非椭圆形接触轮廓
相关申请
本申请要求2017年4月26日提交的美国临时专利申请号62/490,392和2017年6月14日提交的美国临时专利申请号62/519,464的权益，两个申请的内容特此通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及轴承，且更具体地涉及滚子轴承。
背景技术
径向圆柱轴承主要用于支承大量的径向载荷。然而，现代应用要求此类轴承也支承一定量的轴向载荷。在这些情况下，必须适当地设计轴承圈的内凸缘和外凸缘上的滚子端部和配合面，以产生合乎需要的接触足迹（footprint）来控制接触应力和摩擦。现有技术设计（诸如，在US 6,530,693 B1和US 6,997,616 B2中公开的那些设计）提出了成型的滚子端部，所述成型的滚子端部在滚子端部和凸缘面之间导致椭圆形接触部分或足迹。接触椭圆的形状由接触的中心处的主要半径确定，并且独立于接触载荷。接触椭圆的大小随着接触载荷增加而增加。为防止接触足迹具有与由底切以及外径或内径表面几何形状产生的凸缘面的边缘的不期望的相互作用（例如，截断）（其导致严重的边缘应力），将接触椭圆设计成其半长轴位于周向方向上。然而，在轻载荷下，当接触椭圆的周边远离凸缘面的边缘时，接触足迹椭圆的形状可能对于控制接触应力并不是最期望的。
发明内容
本发明的第一方面在滚子端部和/或配合凸缘面处提供了一种轮廓，该轮廓在滚子端部和配合凸缘面之间的接触处产生非椭圆形的足迹。在另一个方面中，本发明在滚子端部面和/或凸缘面上提供了一种轮廓，该轮廓包含多个曲率半径。本发明的又一方面是产生一种轮廓，该轮廓包含在滚子端部和/或凸缘面上的多部段轮廓部分，其中每个轮廓部段与相邻的轮廓部段中的至少一个相切。本发明的另一个方面是在滚子端部面和/或凸缘面上产生一种轮廓，该轮廓在接触部分中包含对数轮廓的一部段。
更具体地，在一个实施例中，本发明提供了一种滚子轴承，其包括：内滚圈；外滚圈；以及滚子，其布置在内圈和外圈之间并与内圈和外圈接触。轴承在一个轴向端部处具有在内滚圈上的凸缘，并且在相对的轴向端部处具有在外滚圈上的凸缘。滚子具有成型的滚子端部，该成型的滚子端部包括在两个附加部段中间的至少一个主要部段。主要部段与两个附加部段切向融合（blend），并且主要部段具有与两个附加部段的相应弯曲部（curvature）不同的第一弯曲部。
在另一个实施例中，本发明提供了一种滚子轴承，其包括：内滚圈；外滚圈；以及滚子，其布置在内圈和外圈之间并与内圈和外圈接触。轴承在一个轴向端部处具有在内滚圈上的凸缘，并且在相对的轴向端部处具有在外滚圈上的凸缘。这些凸缘中的至少一个被成型为包括在两个附加部段中间的至少一个主要部段。主要部段与两个附加部段切向融合，并且主要部段具有与两个附加部段的相应弯曲部不同的第一弯曲部。
在又一实施例中，本发明提供了一种滚子轴承，其包括：内滚圈；外滚圈；以及滚子，其布置在内圈和外圈之间并与内圈和外圈接触。轴承在一个轴向端部处具有在内滚圈上的凸缘，并且在相对的轴向端部处具有在外滚圈上的凸缘。这些凸缘中的至少一个或滚子的端部具有包括主要部段的轮廓，该主要部段具有限定滚子和凸缘之间的接触位置的参考点C，该主要部段具有连续变化的曲率半径，该曲率半径随着距参考点C的距离增加而减小。在许多实施例中，参考点C可以在主要部段的中心处，但情况不必如此。
通过考虑详细描述和附图，本发明的其它方面将变得明显。
附图说明
图1是体现本发明的滚动元件轴承的局部剖切立体图。
图2是图1的滚动元件轴承的滚动元件的立体图。
图3是图2的滚动元件的示意图，其图示了弯曲的端部面轮廓的一部分。
图4示意性地图示了图3的滚动元件和滚动元件轴承的配合凸缘面之间的接触足迹。
图5示意性地描绘了本发明的替代性实施例，其中滚子端部轮廓是球形的，并且配合凸缘面具有至少三个轮廓部段。
图6示意性地描绘了本发明的另一个替代性实施例，其中滚子端部轮廓是圆锥形的，并且配合凸缘面具有至少三个轮廓部段。
图7是体现本发明的另一个滚动元件轴承的局部剖切立体图。
图8是图7的滚动元件轴承的滚动元件的立体图。
图9是图8的滚动元件的示意图，其图示了弯曲的端部面轮廓的一部分。
图10是图9的示意图的放大局部视图。
图11是图形视图，其示出了图9的弯曲的端部面轮廓的一部分的弯曲部。
图12示意性地图示了图9的滚动元件和滚动元件轴承的配合凸缘面之间的接触足迹。
图13示意性地描绘了本发明的另一个替代性实施例，其中滚子端部轮廓是圆锥形的，并且配合凸缘面具有至少三个轮廓部段，其中至少一个部段是对数曲线的一部分。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，将理解，本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式被实践或实施。
参考图1，本发明的滚子轴承或滚动元件轴承10包括：外圈20；内圈30；以及一组滚子40，其布置在外圈20和内圈30之间并与外圈20和内圈30滚动接触。尽管所图示的实施例示出了圆柱滚子轴承（具有圆柱滚子），但是本发明也能够应用于锥形滚子轴承、球形滚子轴承以及可能地滚针轴承。外圈20在被限定于外圈20上的滚道22的一个端部处包括至少一个径向向内延伸的凸缘21。在所图示的实施例中，外圈20包括两个径向向内延伸的凸缘21。每个凸缘21包括轴向向内面向滚道22的凸缘面23。
内圈30在被限定于内圈30上的滚道32的一个轴向端部处包括至少一个径向向外延伸的凸缘31。凸缘31包括轴向向内面向滚道32的凸缘面33。
每个滚子40具有两个端部面41a和41b以及外径表面46，该外径表面46在滚道22、32上接合和滚动。可以使端部面41a、41b基本上关于滚子40的中心径向平面（垂直于滚子轴线的平面）对称，然而情况不必如此。
参考图2和图3，每个端部面41a、41b包含弯曲轮廓45，该弯曲轮廓45被限定在穿过滚子40的旋转轴线47（见图3）的轴向平面中。弯曲轮廓45由多个部段51、52、53、54和55形成，如例如在图2和图3中所示。将理解，在图3中，为了简单和清楚起见，仅滚子40的右下角被图示为具有轮廓45，但是端部面41b的至少右上角将具有关于轴线47成镜像的相同的轮廓。同样地，端部面41a能够包括关于滚子40的轴向中心点成镜像的相同的轮廓45。每个轮廓部段51、52、53、54和55由在数学上限定的曲率限定。轮廓部段51是曲率半径为无穷大的直线的一部分。轮廓部段52至55分别是曲率半径为RA2、RB2、RC2和RD2的圆的部分。这些曲率中心分别在OA2、OB2、OC2和OD2处。轮廓部段51和52在切点A处融合。轮廓部段52和53在切点B处融合。轮廓部段53和54在切点C处融合。轮廓部段54和55在切点D处融合。轮廓部段55在点E处与滚子40的外径表面46融合。与其它融合点（A至D）不同，点E可以是切点或可以不是切点。轮廓部段55是可选的。在不使用轮廓部段55的情况下，轮廓部段54能够在非切点处直接与外径表面46融合。
滚子40的轮廓部段51、52、53、54和55的位置设计成使得当滚子40在处于推力载荷下的轴承10中被组装并设置成处于操作中时，滚子端部41a或41b和配合凸缘面23和/或33之间的接触在点61（见图4至图6）处开始。参考图4，随着接触载荷增加，形成了接触印迹（patch）或足迹62。当接触载荷在达到Qmin的载荷阈值之前相对低时，接触足迹62保持为椭圆形或圆形。该椭圆或圆对应于曲率半径为RB2的轮廓部段53（BC）。随着载荷继续增加，接触足迹62开始从其原始的椭圆形或圆形形状偏离。具体地，接触足迹62在上侧处被部段52（AB）截断并在下侧处被部段54（CD）截断，并且采取非椭圆或非椭圆形形状，如在65和62之间的区域中所表示地。随着载荷进一步增加，接触足迹62的纵横比（长宽比）增大，并在预定的设计载荷Qmax下达到预定或期望值以实现最佳的接触属性，诸如凸缘扭矩和/或磨损率。在载荷Qmax下，接触足迹由65表示，并且形状是非椭圆形。
为了在接触期间实现上文所提到的非椭圆形形状，轮廓部段53的曲率中心OB2可以从滚子轴线47偏移或定位成距滚子轴线47一距离，该距离在距离DS1内（小于距离DS1）（见图3）。同样地，其它轮廓部段的曲率中心可以从滚子轴线47偏移或定位成距滚子轴线47一距离，该距离在DS2之外或超出DS2（大于DS2）（见图3）。DS1 <0.5R，并且DS2 >0.5R，其中R是滚子主体的半径。
应注意，为了实现上文所提到的非椭圆形的接触足迹，与主要轮廓部段53相邻的轮廓部段52和54不必为圆的部分。它们能够是例如指数曲线和/或对数曲线的一部分。在又一些实施例中（诸如，下文关于图7至图13所讨论的），主要轮廓部段53能够是指数曲线和/或对数曲线的一部分。
滚子端部面上的上文提到的多半径轮廓或多部段轮廓也能够或者替代地在凸缘面23和/或33上制成。图5和图6图示了凸缘面33，但是也能够表示凸缘面23。
图5描绘了具有滚子40’的滚子轴承的一部分，该滚子具有球形滚子端部41’。滚子端部41’的轮廓由单一半径曲线（RB2）来描述，该单一半径曲线具有在滚子的旋转轴线47处的曲率中心。在操作期间，滚子40’与轴承的内圈30’接触。接触发生在具有至少三个轮廓部段34、35和36的配合凸缘面33’处。每个轮廓部段34、35和36可以在数学上由曲率半径来描述。第二轮廓部段35的曲率半径（RB1）能够是无穷大，也就是说，第二轮廓部段是直线。第一轮廓部段34设计成与第二轮廓部段35相切。第二轮廓部段35转而与第三轮廓部段36相切。第一轮廓部段34在非切点处融合到凸缘31’的外径37。第三轮廓部段36在另一个非切点处融合到凸缘的底切38。当滚子40’在接触点61’处与配合凸缘31’接触时，椭圆形或圆形的接触足迹最初形成。该椭圆形状的或圆形的接触足迹对应于滚子端部41’的曲率半径RB2。随着载荷增加，椭圆在上侧处被轮廓部段34”截断并在下侧处被轮廓部段36”截断。随着接触载荷增加，被截断的椭圆的纵横比增大。
图6描绘了具有滚子40”的滚子轴承，该滚子40”具有圆锥形滚子端部41”。凸缘31”的配合面33”的轮廓在数学上由多半径曲线来描述。轮廓具有至少三个部段34”、35”和36”。任何两个相邻的部段均彼此相切。当滚子40”在接触点61”处与配合凸缘31”接触时，椭圆形状的或圆形的接触足迹最初形成。该椭圆形状的或圆形的接触足迹对应于轮廓部段35”的曲率半径RB1。随着载荷增加，椭圆在上侧处被轮廓部段34”截断并在下侧处被轮廓部段36”截断。随着接触载荷增加，被截断的椭圆的纵横比增大。在用于轴承的预定的设计载荷下，接触足迹是非椭圆形的。
能够通过滚子端部和配合凸缘面之间的接触位置处的复合轮廓来获得非椭圆形的接触足迹。也就是说，多半径轮廓或多部段轮廓能够放置在滚子端部上，放置在凸缘面上，或者放置在滚子端部和凸缘面两者上。在接触足迹的中心处的一个轮廓部段（或多个轮廓部段）的曲率半径基本上大于与该中心部段相邻的部段的曲率半径。在用于轴承的预定的设计载荷下，接触足迹是非椭圆形的。
图7至图11图示了本发明的滚子或滚动元件轴承100的另一个实施例。参考图7，轴承100包括：外圈120；内圈130；以及一组滚子140，其布置在外圈120和内圈130之间并与外圈120和内圈130滚动接触。尽管所图示的实施例示出了圆柱滚子轴承（具有圆柱滚子），但是本发明也能够应用于锥形滚子轴承、球形滚子轴承以及可能地滚针轴承。外圈120在被限定于外圈120上的滚道122的一个端部处包括至少一个径向向内延伸的凸缘121。在所图示的实施例中，外圈120包括两个径向向内延伸的凸缘121。每个凸缘121包括轴向向内面向滚道122的凸缘面123。
内圈130在被限定于内圈130上的滚道132的一个轴向端部处包括至少一个径向向外延伸的凸缘131。凸缘131包括轴向向内面向滚道132的凸缘面133。
每个滚子140具有两个端部面141a和141b以及外径表面146，该外径表面146在滚道122、132上接合并滚动。可以使端部面141a、141b基本上关于滚子140的中心径向平面（垂直于滚子轴线的平面）对称，然而情况不必如此。
参考图8和图9，每个端部面141a、141b包含弯曲轮廓145，该弯曲轮廓145被限定在穿过滚子140的旋转轴线147（见图9）的轴向平面中。弯曲轮廓145由多个部段151、152、153和154形成，如例如在图8和图9中所示。将理解，在图9中，为了简单和清楚起见，仅滚子140的左下角被图示为具有轮廓145，但是端部面141a的至少左上角将具有关于轴线147成镜像的相同的轮廓145。每个轮廓部段151、152、153和154由在数学上描述或限定的曲率来限定。每个部段151、152、153和154能够是直线、圆的一部分或例如由对数或指数等式描述的复杂曲线。
轮廓部段151是曲率半径为无穷大的直线的一部分。轮廓部段152和154分别是曲率半径为RB2和RD2的圆的部分。这些曲率中心分别在OB2和OD2处。轮廓部段151和152在切点A处融合。轮廓部段152和153在切点B处融合。轮廓部段153和154在切点D处融合。轮廓部段153从点B延伸到点D，并且包括点C。这样，轮廓部段153能够分成部段部分153B和153D。轮廓部段154在点E处与滚子140的主体146或外径或者与滚子的生坯（green）角融合。与融合点（A至D）不同，点E可以是切点或可以不是切点。
轮廓部段153是在局部x-y坐标系中由以下等式描述的一个对数曲线或多个对数曲线，该局部x-y坐标系的原点在由参考点C或161指示的中心接触点处，其中x轴在接触点C处与滚子端部轮廓相切。角度b表示接触角，其也是局部x-y坐标系和全局XG-YG坐标系之间的旋转角。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
Figure DEST_PATH_IMAGE004
其中A b 和A d 是与接触表面在标称的设计载荷下沿y方向的偏转有关的常数（例如，在一些实施例中，可以从1至100微米变化，或者更优选地为从10至25微米变化）; l b 、l d 、y b 和y d 是如图10中所限定的距离。更具体地，l b 是点C和点B之间沿局部x方向的距离，l d 是点C和点D之间沿局部x方向的距离，y b 是点C和点B之间沿局部y方向的距离，并且y d 是点C和点D之间沿局部y方向的距离。
部段部分153B（CB）和153D（CD）的对数曲线分别由等式（1a）和（1b）来描述，并且具有连续可变的曲率半径。例如，在起点C处，CB和CD的曲率半径分别为，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
Figure DEST_PATH_IMAGE008
。
在对数曲线（CB和CD）的端部结束点（B或D）处，曲率半径分别为，
Figure DEST_PATH_IMAGE010
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
一般来说，以下不等式成立，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE016
。
在接触点C的中心处，对数曲线的曲率半径最大。因此，在给定点处的曲率半径随着该点沿着曲线远离接触点C的中心移动而减小。
可以期望将设计参数选择成使得以下等式成立，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
Figure DEST_PATH_IMAGE022
其中RB2和RD2分别是圆形部段AB和DE的曲率半径。
图11示出了根据本发明的多部段滚子端部轮廓的图形示例。在该示例中，包含了等式（5a）至（5c）中阐述的关系。
参考图12，滚子140的轮廓部段151、152、153和154的位置设计成使得当滚子140在处于推力载荷下的轴承100中被组装并设置成处于操作中时，滚子端部141a或141b和配合凸缘面123和/或133之间的接触在点161处开始。随着接触载荷增加，形成了足迹162。随着接触载荷增加，足迹162的大小和形状改变。在用于轴承100的预定的设计载荷下，接触足迹是非椭圆形的。
与主要轮廓部段153相邻的轮廓部段152和154不必为圆的部分。例如，它们能够是指数曲线的部分或对数曲线的部分。在又一些替代方案中，轮廓部段152、154可以是用于主要轮廓部段153的对数曲线的延伸部。在又一些实施例中，不需要附加的相邻的轮廓部段152和154。替代地，主要部段153能够是弯曲轮廓145的唯一部段。
上文所提到的多部段滚子端部轮廓也能够或者替代地在凸缘面123和/或133上制成。图13图示了凸缘面133，但是也能够表示凸缘面123。
图13描绘了具有滚子140’的滚子轴承，该滚子140’具有圆锥形滚子端部141’。凸缘131’的配合面133’的轮廓在数学上由多部段曲线来描述。该轮廓具有至少三个部段134、135和136。任何两个相邻的部段均彼此相切。当滚子140’在接触点161处与配合凸缘131’接触时，在预定的设计载荷下形成非椭圆形的接触足迹。该非椭圆形的接触足迹对应于轮廓部段135的对数曲线，该轮廓部段135能够具有与上文所描述的轮廓部段153相同的弯曲部。随着接触载荷进一步增加，接触足迹的纵横比增大。
再一次，能够通过滚子端部和配合凸缘面之间的接触位置处的复合轮廓来获得非椭圆形的接触足迹。也就是说，多部段轮廓能够放置在滚子端部上，放置在凸缘面上，或者放置在滚子端部和凸缘面两者上。接触足迹的中心处的一个轮廓部段或多个轮廓部段是具有连续变化的曲率半径的对数曲线的一部分。对数部段的曲率半径不小于与该对数部段相邻的部段的曲率半径。
在所附权利要求中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (19)

1.一种滚子轴承，包括：
内滚圈；
外滚圈；以及
滚子，所述滚子布置在内圈和外圈之间并与所述内圈和所述外圈接触；
其中，所述轴承在一个轴向端部处具有在所述内滚圈上的凸缘，并且在相对的轴向端部处具有在所述外滚圈上的凸缘；
其中，所述凸缘中的至少一个被成型为包括在两个附加部段中间的至少一个主要部段，所述主要部段与所述两个附加部段切向融合；并且
其中，所述主要部段具有与所述两个附加部段的相应弯曲部不同的第一弯曲部；
其中，所述主要部段和所述两个附加部段中的每一个的弯曲部是圆的部分，并且其中，所述第一弯曲部的曲率半径大于所述两个附加部段的相应曲率半径。
2.根据权利要求1所述的滚子轴承，其中，所述两个附加部段的所述相应曲率半径是不同的。
3.根据权利要求1所述的滚子轴承，其中，所述滚子包括接合成型的凸缘的滚子端部，所述滚子端部是球形的。
4.根据权利要求1所述的滚子轴承，其中，所述滚子包括接合成型的凸缘的滚子端部，所述滚子端部是圆锥形的。
5.根据权利要求1所述的滚子轴承，其中，当所述轴承在预定的设计载荷下操作时，在成型的凸缘和所述滚子的端部之间限定的接触足迹的形状是非椭圆形的。
6.一种滚子轴承，包括：
内滚圈；
外滚圈；以及
滚子，所述滚子布置在内圈和外圈之间并与所述内圈和所述外圈接触；
其中，所述轴承在一个轴向端部处具有在所述内滚圈上的凸缘，并且在相对的轴向端部处具有在所述外滚圈上的凸缘；
其中，所述凸缘中的至少一个或所述滚子的端部具有包括主要部段的轮廓，所述主要部段具有限定所述滚子和所述凸缘之间的接触位置的参考点C，所述主要部段在所述参考点C的两侧上具有连续变化的曲率半径，所述曲率半径随着距所述参考点C的距离增加而减小。
7.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段在两个附加部段中间，所述两个附加部段均是圆的部分。
8.根据权利要求7所述的滚子轴承，其中，所述两个附加部段的相应曲率半径是不同的。
9.根据权利要求7所述的滚子轴承，其中，还包括第四部段，所述第四部段与所述两个附加部段中的一者切向融合。
10.根据权利要求7所述的滚子轴承，其中，在所述主要部段的所述参考点C处的曲率半径大于所述两个附加部段中的每一个的曲率半径。
11.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段是一个或多个对数曲线的一部分。
12.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段由以下等式描述：
Figure 247479DEST_PATH_IMAGE001
其中，局部x-y坐标系具有在所述参考点C处的原点，其中x轴与所述参考点C相切；
其中，所述主要部段具有端点B和D；
其中，l b 是点C和点B之间沿局部x方向的距离，l d 是点C和点D之间沿局部x方向的距离，y b 是点C和点B之间沿局部y方向的距离，并且y d 是点C和点D之间沿局部y方向的距离；并且
其中，A b 和A d 是与接触表面在标称的设计载荷下的偏转有关的常数。
13.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段在两个附加部段中间，并且其中，所述主要部段和两个附加部段形成在所述滚子的所述端部上。
14.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段在两个附加部段中间，并且其中，所述主要部段和两个附加部段形成在凸缘面上。
15.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段形成在所述滚子的所述端部上。
16.根据权利要求15所述的滚子轴承，其中，所述主要部段位于所述滚子的第一轴向端部处，且其中所述滚子包括位于所述滚子的第二轴向端部处的第二主要部段。
17.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，所述主要部段形成在凸缘面上。
18.根据权利要求17所述的滚子轴承，其中，所述滚子包括接合所述主要部段的滚子端部，所述滚子端部是圆锥形的。
19.根据权利要求6所述的滚子轴承，其中，当所述轴承在预定的设计载荷下操作时，在所述凸缘和所述滚子的所述端部之间限定的接触足迹的形状是非椭圆形的。
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