CN113958619A - 组装一个或多个轴承的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组装一个或多个轴承的方法和装置，方法包括以下步骤：基于在轴承(1)上测量的几何特性、机械特性和预定载荷，计算内圈和外圈(2、3)的位移(δ)，并且基于所计算的位移(δ)配对内圈和外圈(2、3)。

Description

组装一个或多个轴承的方法和装置
技术领域
本公开涉及轴承组件并且主要涉及形成组件的部件的配对。
背景技术
轴承组件通常被用于发动机中，以促进发动机部件的旋转运动。尤其是，角接触球轴承被经常用于燃气涡轮发动机中，以支撑旋转的发动机部件。轴承包括被包含在轴承保持架内的多个滚动元件。滚动元件轴承(也称为滚动轴承)是通过将滚动元件(诸如滚珠或滚子)放置在两个称为座圈的轴承环之间来承受载荷的轴承。
已知有各种各样的轴承，诸如滚珠向心单列、滚珠向心球面双列、带短圆柱形滚子的滚子向心、滚子向心球面双列、滚针或带长圆柱形滚子、带螺旋滚子的滚子向心、滚珠向心推力单列、滚子锥形、滚珠推力、滚珠推力-向心、滚子推力或推力-向心。
轴承的所有部件都受到许多设计约束。例如，内座圈和外座圈可能具有复杂的形状，使其难以制造。滚珠和滚子虽然形状简单，但很小；由于它们在滚道上运动的地方会急剧弯曲，因此轴承很容易疲劳。轴承组件内的载荷也受运行速度的影响：滚动元件轴承的转速可能超过100,000rpm。较小的滚动元件较轻，因此动量较小，但较小的元件在接触滚道的地方也会更急剧地弯曲，导致它们因疲劳而更快地失效。
轴承被分为一定的精度等级。每个等级的公差可在JIS和ANSI/ABMA中找到。公差可以分级给出并且可以根据轴承环的直径而不同。JIS B1515-2中规定了有关验证滚珠轴承尺寸和跳动的一般规则。
公制滚动轴承具有由ISO 15定义的字母数字名称，以定义所有的物理参数。其中的第四个字符是准确度等级，其通常为(按升序排列)：0(正常)、6X、6、5、4、T和2。等级0和6是最常见的；等级5和4用于高速应用；等级2用于陀螺仪。
专利文献US 20030067487 A1公开了计算机辅助设计中的部件配合特性定义方法，涉及显示窗口，用于指定定义部件约束界面相对于其他界面的配合特性的设置。
专利文献CN 010098846公开了高承载能力轴孔连接结构设计方法，涉及建立接触优化设计模型，并且调整孔接触面曲面参数以增加孔接触面积分布应力。
专利文献CN 104632906公开了圆锥滚子轴承的分离环负间隙的匹配方法，涉及通过从获得的标准空间中减去宽度值来获得宽度。
专利文献US 20150356209 A1公开了CAD几何建模系统，其具有智能行为模块，智能行为模块可由计算设备执行并且用于根据智能规则调用智能行为以应用于配对的组件或与配对的部件相关联。
专利文献CZ 201800071公开了通过在CAD建模器中创建基本轴承模型来执行滚动轴承结构的迭代设计的方法，包括基于几何设计和物理参数将轴承的修改反馈到计算模块。
发明内容
现今，组件(诸如轴承)的精度和公差(即尺寸变化的允许极限)当然取决于所用部件的公差。然而，可能会出现某些类型的部件或部件批次的公差高于组件的公差的情况。例如，轴承的内圈和/或外圈的生产公差可能是10μm，而组件的公差可能仅为2μm。在这种情况下，需要选择(即配对的)合适的部件。
因此，本发明的目的是制造一个例如在外部物理影响(诸如预载荷)下应符合比单独部件更窄的公差要求的完整组件。也就是说，尤其是当组件中的两个或更多个单独部件满足其相应公差要求时，该组件应满足更窄的公差要求。
该目的通过以下几个方面来实现。
根据第一方面，提出了一种组装一个或多个轴承的方法。该方法包括以下步骤：基于轴承上测量的几何特性、机械特性和预定载荷，计算内圈和外圈的位移，并且基于所计算的位移来配对内圈和外圈。
根据第二方面，提出了一种装置。该装置包括可操作以执行第一方面的方法步骤的处理器和存储器。
根据第三方面，提出了一种计算机程序产品。该计算机程序产品包括程序代码，当被执行时，该程序代码执行第一方面的方法步骤中的任一个。
附图说明
图1示出滚动元件轴承的示意图。
图2示出球体与空心球体之间的接触力学，这在滚动元件轴承中是典型情况。
图3示出角接触球轴承在载荷下的位移。
图4示出轴承的接触角。
图5示出根据实施例的包括一个或多个方法步骤的示例性程序流程。
具体实施方式
在图1中示出滚动元件轴承1。轴承1包括内圈2和外圈3。轴承1可以是角接触球轴承。为了生产和组装高精度的轴承1，需要选择和组装内圈2和外圈3以及滚动元件4。为此，轴承制造商接收特定类型和/或批次的内圈和外圈2、3，例如根据特定的精度和公差制造的内圈和外圈。例如，为了获得期望精度(即低公差)的30个轴承1，轴承制造商可能需要组装60个轴承。也就是说，可以组装一定数量的部件2、3、4以产生期望精度的轴承1，但是大多数部件2、3、4需要被再加工(例如研磨)以便产生期望的公差。
对轴承1施加预载荷的目的是提高旋转轴的偏摆精度，并减少振动和噪音。针对每个应用选择合适的预载荷量和方法很重要。否则，将会降低轴承1的性能诸如寿命、噪音和振动等。也可能产生过多的热量。
例如，当滚珠轴承1用于电机时，振动水平将增加，滚珠将移动更多，并且如果存在任何径向间隙，则滚珠轴承的刚度将非常低。因此，需要通过施加轴向载荷来调整内部间隙。这种轴向施加的载荷称为“预载荷”，用于减少振动和噪音。
对于每个滚珠轴承尺寸，应分别施加适当的预载荷。如果过度施加预载荷，则轴承1的刚度将增加。然而，轴承寿命将缩短，轴承噪音也将增加。如果施加的预载荷不足，则可能由于振动和低轴承刚度而发生微动摩擦腐蚀。因此，施加正确的预载荷非常重要。
当预载荷F被施加到滚动元件轴承1时，由于滚珠4与滚道之间的接触区域的弹性变形而产生接触椭圆，如图2所示。通过用接触椭圆的表面积除以载荷F来给出表面应力，该载荷在滚珠4与滚道6之间的接触处沿垂直方向而产生。存在两种基本预载荷的方法：固体预载荷和弹簧预载荷。通过将所有圈机械锁定到位，可以获得固体预载荷。这种设计的优点是简单和高刚度。然而，由于温度变化导致的部件膨胀和收缩偶尔会导致预载荷的变化。部件也可能磨损，最终预载荷会降低。可以通过使用螺旋弹簧、弹簧波形垫圈等来施加弹簧预载荷(恒压预载荷)。弹簧预载荷的优点是尽管温度变化但预载荷稳定。
当载荷F被施加到轴承1上时，位移δ发生在滚珠与滚道之间的接触点。除了径向位移之外，还可能发生轴向位移δ。可以计算轴承1的初始接触角，该初始接触角具有通过在轴向上移动滚道圈2、3而消除的初始间隙，反之亦然。几何和材料特性之间的相互依赖是复杂的并且只能通过结合几种算法来解决。
可以根据特定公差来制造诸如轴承1的内圈2和外圈3的部件，如上所述，例如，可以根据特定公差来制造一种类型或批次的内圈2和/或外圈3。因此，一种类型或批次的部件2、3、4包括根据特定公差制造的多个部件。例如，对于一组二十个内圈和三十个外圈，原则上可能有六百对(即组合)。
单个部件2、3、4的匹配和配对可以通过以下操作来完成：在外部物理影响(例如载荷)下测量距离(部件之间的距离)来组装部件组合，根据一个或多个公差标准(在要求/期望的公差之内/之外)对部件进行分类，并且如果需要，确定对部件组合的校正的尺寸和位置，以便在公差内创建组件。
提出例如通过用户经由用户界面输入数据来收集材料特定数据、几何数据和外部影响变量。内圈2和/或外圈3的几何测量数据可以从(机器可读的)数据库中自动获得。可以使用几何测量数据，以便确定内圈2和外圈3的所有可能配对或可能配对的子集。为此，测量(所有)内圈2和/或外圈3。例如，各个部件2、3的坐标可以例如通过坐标测量机(CMM)来测量，该坐标测量机通过用探针感测物体表面上的离散点来测量物理物体的几何形状。现在，为了识别各个部件，例如内圈2和外圈3，可以标记每个部件，以便在数据库中为每个部件分配标识符。例如，部件可以配备有标签id1、id2，例如腕带，如图1所示。标签可以包括条形码或RFID芯片。
可以过滤(内圈2和外圈3的)可能的(全部)配对，以便识别几何上相同的配对，即重复配对。例如，几何上相同的配对可以是那些具有相同尺寸的配对，例如滚道半径和/或滚道与内圈和外圈的前侧或后侧之间的距离。相同可能意味着在某个阈值以上(例如1μm以上)无法分辨。
然后可以将过滤后的配对的几何数据传输到模型，该模型可以是CAD软件应用的一部分，如图5所示。该模型可以是单独部件的模型，例如内圈2、外圈3、滚动元件4和/或轴承1作为整体。该模型可以包括部件尺寸的标称值。部件的标称值可能对应于制造商的规范。
根据该模型，确定距离以及其他几何数据，这些数据用于计算由于外部影响(诸如载荷)而产生的位移δ。通过材料特定、几何和/或机械的特性，可以填充和计算描述组件在外部影响下的位移δ的公式，参见下文。计算是基于所测量的距离进行。然后，基于该计算来执行部件的配对，并且该配对优选地基于容许距离来分类。这通过基于测量的几何数据计算所有可能的配对产生的位移来实现。在所有可能的配对完成计算之后，根据各自的距离和允许的公差对配对进行排序。最后，可以生成配对部件的(数字)输出，如图5所示。
图2示出球体与空心球体之间的接触力学。下面将描述位移计算和所做假设的其它细节。在轴承的情况下，接触通常是在凸面(凸圆柱体或球体)与凹面(凹圆柱体或球体：孔或半球形杯)之间的接触。在这种情况下，球体可以对应于轴承的滚动元件4，空心(半)球体可以对应于轴承的外圈2或内圈3。
这里，理想的是在接触区域内不允许出现张力，即接触体可以在没有粘附力的情况下分离。在确定赫兹接触问题的解时做出以下假设：应变很小并在弹性极限内。表面是连续的且不一致的(意味着接触面积远小于接触体的特征尺寸)。每个物体都可以被认为是弹性半空间。表面是无摩擦的。
因此，根据赫兹，两个物体之间的位移δ可以通过以下公式获得：
Figure BDA0003170012700000071
α是接触区域的半径，r是球体(即滚动元件、特别是滚珠)的半径，在球体与空心球体之间接触的特殊情况下变成：
Figure BDA0003170012700000072
其中μ为横向收缩系数，F为载荷，E为两个球体即球体和空心球体的组合弹性模量，并且1.5为数值常数。
现在转到图3，示出角接触球轴承(包括内圈2和外圈3以及滚动元件4)在载荷F下的位移。这里，轴向位移δres根据下式计算：
Figure BDA0003170012700000073
其中r2是滚动元件即滚珠的半径，r1是滚道的半径。如已经提到的，可以测量内圈2和外圈3的半径。载荷F＝2N(每个滚动元件)的最终(轴向)位移δres为：
δres＝5.3*10-4mm
给出
Figure BDA0003170012700000074
并且r1＝3.27mm，r2＝3.175mm，并且μ＝0.3。
现在转向图4，示出由滚珠和内圈2或外圈3的两个接触点产生的接触角a。给出的值是在没有载荷F的情况下，即F＝0，纯粹是由于内圈2和外圈3的测量值给出的几何形状。在这种情况下，针对轴向位移不考虑内圈和外圈的变形。根据图4计算得到的位移δ，而不考虑轴承上的载荷，但考虑内圈2和外圈3的测量尺寸。这里，示出轴向距离b，该距离是由内圈2、外圈3和滚珠的公差的可变性、即部件的几何特性产生的。
滚动元件的尺寸可以取自制造商的规格，因为滚动元件4的公差通常小于内圈2和/或外圈3的公差。此外，滚动元件4可以具有比内圈和外圈(的材料)更高的机械刚度。
转向图5，示出示例性方法步骤。方法步骤可以由包括处理器和存储器(未示出)的装置5来执行。可以启动软件应用以从用户和/或一个或多个数据库中检索输入。检索到的数据可以包括与内部轴承和/或外部轴承和/或滚动元件的材料特性相关的数据。此外，可以检索与各个部件的测量相关的数据。另外，可以过滤掉具有相同几何形状的部件，从而将其排除在进一步处理之外，以便节省处理时间和功率。现在，对于每个可能的部件组合，可以基于CAD应用确定无载荷时的接触角和位移。示例性SIEMENS NX CAD软件如图5所示。例如，CAD应用中的标称值可以由所测量的(一个或多个)部件的几何形状的值代替。随后，可以如上面结合图2和图3所描述的那样计算位移。然后，根据需要将结果与组件的公差进行比较。如果两个或多个部件满足要求的公差，则可以将这些部件配对，并且可以以报告的形式输出结果。例如，部件可以单独编号。该报告然后可以包括要配对的部件的列表，例如25号部件(内圈)和17号部件(外圈)。具有相同几何形状的部件(即复制品)现在可以在部件的配对中使用，因为已经对那些部件进行了计算。然后，软件应用可以在存储或不存储报告和相应配对的情况下退出。
通过提出的方法和系统，由于组件的部件的测量和自动虚拟组装，可以节省成本和时间。这最大限度地减少了返工率和报废率。在单个软件应用中，自动检查所有可能的部件组合，并确定必要的修订。因此，通过本文的公开，组装过程中的人工活动显著减少。本公开包括CAD应用(Siemens NX)与软件应用的组合，该软件应用包括描述材料行为的公式，其中已经实际测量了部件的尺寸。

Claims (15)

1.一种组装一个或多个轴承(1)的方法，包括以下步骤：
基于在所述轴承(1)上测量的几何特性、机械特性和预定载荷，计算内圈和外圈(2、3)的位移(δ)，并且
基于所计算的位移(δ)配对所述内圈和外圈(2、3)。
2.根据前述权利要求所述的方法，还包括：基于所述内圈和外圈(2、3)的配对来组装所述轴承(1)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：如果所计算的位移(δ)没有超过预定阈值，则配对所述内圈和外圈(2、3)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：针对多个所述内圈和外圈(2、3)，分别测量作为一个或多个所述几何特性的滚道半径和/或在所述滚道与所述内圈和外圈(2、3)的前侧或后侧之间的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：确定作为一个或多个所述机械特性的所述内圈和外圈(2、3)的材料的机械刚度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：基于所述轴承(1)在组装后和/或使用时的预定载荷(F)，确定组装后的所述轴承(1)的接触应力。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：接收所述内圈和外圈的所述几何特性的标称值，并且用所述内圈和外圈(2、3)的所述几何特性的测量值来代替所述几何特性的所述标称值。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
确定所述轴承(1)的一个或多个滚动元件(4)的一个或多个几何特性，
确定所述轴承(1)的一个或多个滚动元件(4)的一个或多个机械特性，以及
确定由所述轴承(1)上的载荷(F)经由所述滚动元件(4)引起的所述轴承(1)的所述内圈和外圈(2、3)的位移(δ)。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括：一个或多个所述滚动元件(4)的材料具有比所述内圈和外圈(2、3)的材料更高的机械刚度。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：为所述内圈和外圈(2、3)中的每个分配标识符(id1、id2)，并且使用所分配的标识符(2、3)配对所述内圈和外圈(2、3)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：所述内圈和外圈(2、3)的制造公差大于轴承(1)组件所需的公差。
12.根据权利要求3所述的方法，还包括：其中所述预定阈值基于轴承(1)组件所需的公差。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括：
如果所计算的位移(δ)超过预定阈值，则配对所述内圈和外圈(2、3)，并且
提供用于组装特定一对内圈和外圈(2、3)的处理信息。
14.一种包括能操作以执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法的步骤的处理器和存储器的装置。
15.一种计算机程序产品，包括程序代码，当所述程序代码被执行时，所述程序代码执行根据权利要求1至13中任一项所述的方法的步骤中的任一个。
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