CN115982872A - 一种面向滚动轴承性能的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向滚动轴承性能的设计方法，通过建立轴承设计过程中轴承制备材料、轴承部件加工精度、轴承装配误差、轴承检测标准等各个轴承设计环节与轴承性能的关系，分析上述各个轴承设计环节对轴承性能影响的敏度，分析各个设计环节的可调余量及其调节难度，进而确定轴承各个设计环节的优先调节顺序，进而实现大幅度改善轴承性能。本发明通过确定轴承设计环节对轴承性能影响，在设计环节中合理地选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、轴承装配误差及轴承检测标准，进而实现轴承的定量、定式、定域的高性能制造。本发明加强了滚动轴承设计与制造环节的联系，避免出现制造技术跟不上设计标准的矛盾。

Description

一种面向滚动轴承性能的设计方法

技术领域

本发明涉及轴承设计领域，具体为一种面向滚动轴承性能的设计方法。

背景技术

滚动轴承是机械设备中一种重要的零部件，主要功能是对机械回转体结构起支撑作用，保证机械结构在旋转过程中的运动精度。现有滚动轴承设计方法通常采取优化轴承的某一部分结构或提升某个环节的加工精度等提升轴承的性能。如在设计环节采用高质量的轴承钢材或限制轴承内外圈加工误差范围等以提高轴承性能。上述方法都是从单一层次去考虑如何提升轴承的性能，这就容易造成割裂设计与制造之间联系的问题，可能会产生现存制造技术跟不上设计标准的矛盾。此外，现有的设计方法往往会忽视设计环节对各部分误差分配问题，忽视各设计部分对轴承性能敏度的影响程度，造成轴承性能难以精准提升，继而导致轴承性能提升困难等问题。现有设计方法都进行正向设计，即调节设计环节去获取性能，而不是根据轴承性能要求反求设计环节的参数，难以实现根据轴承性能要求定量定域反求设计环节。因此，需要一种面向轴承的高性能设计方法，通过分析轴承各个设计环节对轴承性能的敏度及各个设计环节的调节余量及调节难度，从而实现面向轴承性能的定量定式设计，最终实现提高轴承综合性能的目的。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明旨在设计一种能提高轴承综合性能的面向滚动轴承性能的设计方法。

为了实现上述目的，本发明通过建立轴承设计过程中轴承制备材料、轴承部件加工精度、轴承装配误差、轴承检测标准等各个轴承设计环节与轴承性能的关系，分析上述各个轴承设计环节对轴承性能影响的敏度，分析各个设计环节的可调余量及其调节难度，进而确定轴承各个设计环节的优先调节顺序，进而实现大幅度改善轴承性能。

本发明的技术方案如下：一种面向滚动轴承性能的设计方法，包括步骤如下：

步骤一：分析轴承设计环节

通过滚动轴承组成及轴承制造经验分析对轴承性能产生影响的设计环节，所述设计环节包括：选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、确定轴承装配误差和确定轴承检测标准，并将轴承制备材料标注为L、轴承部件加工精度标注为G、轴承装配误差标注为Z、轴承检测标准标注为C。

步骤二：分析轴承设计环节对轴承性能影响的敏度

建立轴承新能定量评价模型，轴承性能X的定量评价模型如下：

式中，i为变量序号，i＝1、2、3、4，C_i分别为轴承寿命X_S、调心性能X_Z、轴承力传递特性X_L和轴承运动精度X_Y的重要性系数，其数值由轴承的应用场合决定，S_i分别为轴承寿命X_S、调心性能X_Z、轴承力传递特性X_L和轴承运动精度X_Y的指标得分，得分算法如下：若参数增加有利，0分指标范围区间为额定标准参数的0％～100％，1分～5分指标范围按照额定标准参数的100％依次增加一定百分比选取区间；若参数减少有利，0分指标范围区间为额定标准参数的100％以上，1分～5分指标范围按照额定标准参数的100％依次减少一定百分比选取区间。增加/减少百分比数按照评价指标参数范围及实际工作场景需求进行选取；

在建立轴承性能定量评价模型基础上，通过实验验证轴承每个设计环节对轴承性能影响的敏度因子，所述敏度因子通过比较同一实验条件下不同设计环节对轴承性能影响得出，影响越大，敏度因子越大，反之越小。

步骤三：分析滚动轴承的四个设计环节对应制造环节的可调节余量及调节难度

所述制造环节的可调节余量及调节难度由轴承制造经验及现有加工技术水平来确定。所述轴承制备材料的调节余量由现有轴承钢制备技术决定，所使用轴承钢最高制备标准代表调节上限，最低制备标准代表调节下限；轴承部件加工精度的调节余量由机床精度和部件加工难度共同决定，高机床加工精度及低部件加工难度所达到的加工精度代表调节上限，低机床加工精度及高部件加工难度所达到的加工精度代表调节下限；轴承装配误差的调节余量由装配辅助设备的能力确定，装备辅助设备的最高装配能力代表调节上限，装备辅助设备的最低装配能力代表调节下限；轴承检测标准的调节余量由标准的严格程度及测量设备的性能决定，最严格的检测标准及最高性能的测量设备代表调节上限，最低检测标准及基本合格的测量设备代表调节下限。所述调节难度指从调节余量下限达到调节余量上限的难度。

步骤四：确定设计环节的优先调节顺序

综合敏度因子、可调余量及调节难度，确定步骤一给出的设计环节的优先调节顺序，所述调节顺序由敏度因子、可调余量及调节难度共同决定，即敏度因子越大，越优先调节；可调余量越大，越优先调节；调节难度越小，越优先调节；根据敏度因子、可调余量及调节难度的大小进而确定出轴承设计中各个设计环节的调节顺序。

步骤五：面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计

根据步骤四确定出的轴承设计中各个设计环节的调节顺序，根据建立的轴承性能与轴承各设计环节关系的数学模型，输入需要得到的轴承性能数值，根据映射关系求出轴承各设计环节的参数，进而实现面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计。

轴承性能与轴承各设计环节关系的数学模型，如下式所示：

X＝{Ψ(L), Φ(G), ζ(Z), η(C)}                   (2)

式中X为轴承性能，Ψ(L)为轴承制备材料与轴承性能的映射关系、Φ(G)为轴承部件加工精度与轴承性能的映射关系、ζ(Z)为轴承装配误差与轴承性能的映射关系，η(C)为轴承检测标准与轴承性能的映射关系。所述数学模型最终由映射图像反映，所述映射图像由实验得出。

步骤六：判断轴承性能是否达标

设计完成后根据设计图纸制备出轴承，根据公式(1)判断滚动轴承性能是否达到步骤五需要得到的轴承性能数值；若没有达标则重复上述步骤四和步骤五，直到轴承性能设计达到要求标准。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明在设计环节中合理地选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、轴承装配误差及轴承检测标准，进而实现轴承的定量、定式、定域的高性能制造。通过分析滚动轴承的四个设计环节对应制造环节的可调节余量及调节难度，确定设计环节的优先调节顺序，在不过分提升轴承制造难度的基础上，进一步提高轴承的性能，制造出性能优异的轴承，实现了轴承的高性能设计。

2、本发明通过确定轴承设计环节对轴承性能影响，在设计环节中合理地选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、轴承装配误差及轴承检测标准，进而实现轴承的定量、定式、定域的高性能制造。

3、本发明实现了以滚动轴承性能为导向的反向设计，综合多维度考虑轴承各设计环节的敏度、可调余量及可调难度等因素，可以根据性能要求科学地、定量地确定出设计环节的参数。

4、本发明加强了滚动轴承设计与制造环节的联系，避免出现制造技术跟不上设计标准的矛盾。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为轴承性能与轴承制备材料环节映射关系示意图。

图3为轴承性能与轴承部件加工精度环节映射关系示意图。

图4为轴承性能与轴承装配误差环节映射关系示意图。

图5为轴承性能与轴承检测标准环节映射关系示意图。

具体实施方式

为进一步说明面向滚动轴承性能的设计方法，下面结合实例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种面向调心滚子轴承性能的设计方法，具体实施步骤如下：

步骤一：分析轴承设计环节

通过分析确定滚动轴承设计环节包括：选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、确定轴承装配误差和确定轴承检测标准，并将轴承制备材料标注为L、轴承部件加工精度标注为G、轴承装配误差标注为Z、轴承检测标准标注为C。

步骤二：分析轴承设计环节对轴承性能影响的敏度

通过实验验证步骤一确定出的轴承每个设计环节对轴承性能影响的敏度。根据应用场合，对于调心滚子轴承，轴承寿命X_S、调心性能X_Z、轴承力传递特性X_L和轴承运动精度X_Y的重要性系数C_i分别为：0.3，0.3，0.2，0.2，调整四个设计环节上限及下限，根据得分算法，选取得分S_i上限及下限，计算性能的上限及下限，如表1所示。

表1调心滚子轴承性能上限及下限

	性能得分上限	性能得分下限	性能波动
				轴承制备材料L	2.4	0.5	1.9
轴承部件加工精度G	2.1	0.8	1.3
				轴承装配误差Z	1.9	0.8	1.1
轴承检测标准C	1.6	1.0	0.6

根据调心滚子轴承的性能波动大小，得出四个设计环节对轴承性能影响的敏度。所述敏度大小顺序为：L>G>Z>C

步骤三：分析滚动轴承的四个设计环节对应制造环节的可调节余量及调节难度

所述四个设计环节对应制造环节可调余量顺序为：L>Z>G>C

所述四个设计环节对应制造环节调节难度顺序为：L＝G>Z>C

步骤四：确定设计环节的优先调节顺序

综合敏度因子、可调余量及调节难度，确定步骤一给出的设计环节的优先调节顺序，所述四个设计环节的调节顺序为：L>G＝Z>C

步骤五：面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计

根据步骤四确定出的轴承设计中各个设计环节的调节顺序，根据建立的轴承性能与轴承各设计环节关系的数学模型，根据映射图像，输入轴承性能数值分数2，根据图2-5轴承性能与设计环节映射关系示意图对应求出L、G、Z、C的值。

步骤六：判断滚动轴承性能是否达标

设计完成后根据设计图纸制备出的轴承，根据公式(1)判断滚动轴承性能得分1.9，小于设计的输入轴承性能分数2，重新进入步骤四进行调整。

步骤七：确定设计环节的优先调节顺序

性能不满足，优先调节轴承制备材料L；

重复步骤五：面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计

根据建立的轴承性能与轴承制备材料L的数学模型，调大轴承制备材料L的值。

重复步骤六：判断滚动轴承性能是否达标

设计完成后根据设计图纸制备出的轴承，根据公式(1)判断滚动轴承性能得分2.4，大于设计的输入轴承性能分数2，结束。

以上显示描述了本发明的基本步骤、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种面向滚动轴承性能的设计方法，其特征在于：包括步骤如下：

步骤一：分析轴承设计环节

通过滚动轴承组成及轴承制造经验分析对轴承性能产生影响的设计环节，所述设计环节包括：选择轴承制备材料、确定轴承部件加工精度、确定轴承装配误差和确定轴承检测标准，并将轴承制备材料标注为L、轴承部件加工精度标注为G、轴承装配误差标注为Z、轴承检测标准标注为C；

步骤二：分析轴承设计环节对轴承性能影响的敏度

建立轴承新能定量评价模型，轴承性能X的定量评价模型如下：

式中，i为变量序号，i＝1、2、3、4，C_i分别为轴承寿命X_S、调心性能X_Z、轴承力传递特性X_L和轴承运动精度X_Y的重要性系数，其数值由轴承的应用场合决定，S_i分别为轴承寿命X_S、调心性能X_Z、轴承力传递特性X_L和轴承运动精度X_Y的指标得分，得分算法如下：若参数增加有利，0分指标范围区间为额定标准参数的0％～100％，1分～5分指标范围按照额定标准参数的100％依次增加一定百分比选取区间；若参数减少有利，0分指标范围区间为额定标准参数的100％以上，1分～5分指标范围按照额定标准参数的100％依次减少一定百分比选取区间；增加/减少百分比数按照评价指标参数范围及实际工作场景需求进行选取；

在建立轴承性能定量评价模型基础上，通过实验验证轴承每个设计环节对轴承性能影响的敏度因子，所述敏度因子通过比较同一实验条件下不同设计环节对轴承性能影响得出，影响越大，敏度因子越大，反之越小；

步骤三：分析滚动轴承的四个设计环节对应制造环节的可调节余量及调节难度

所述制造环节的可调节余量及调节难度由轴承制造经验及现有加工技术水平来确定；所述轴承制备材料的调节余量由现有轴承钢制备技术决定，所使用轴承钢最高制备标准代表调节上限，最低制备标准代表调节下限；轴承部件加工精度的调节余量由机床精度和部件加工难度共同决定，高机床加工精度及低部件加工难度所达到的加工精度代表调节上限，低机床加工精度及高部件加工难度所达到的加工精度代表调节下限；轴承装配误差的调节余量由装配辅助设备的能力确定，装备辅助设备的最高装配能力代表调节上限，装备辅助设备的最低装配能力代表调节下限；轴承检测标准的调节余量由标准的严格程度及测量设备的性能决定，最严格的检测标准及最高性能的测量设备代表调节上限，最低检测标准及基本合格的测量设备代表调节下限；所述调节难度指从调节余量下限达到调节余量上限的难度；

步骤四：确定设计环节的优先调节顺序

综合敏度因子、可调余量及调节难度，确定步骤一给出的设计环节的优先调节顺序，所述调节顺序由敏度因子、可调余量及调节难度共同决定，即敏度因子越大，越优先调节；可调余量越大，越优先调节；调节难度越小，越优先调节；根据敏度因子、可调余量及调节难度的大小进而确定出轴承设计中各个设计环节的调节顺序；

步骤五：面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计

根据步骤四确定出的轴承设计中各个设计环节的调节顺序，根据建立的轴承性能与轴承各设计环节关系的数学模型，输入需要得到的轴承性能数值，根据映射关系求出轴承各设计环节的参数，进而实现面向滚动轴承性能的定量、定域、定式设计；

轴承性能与轴承各设计环节关系的数学模型，如下式所示：

X＝{Ψ(L), Φ(G), ζ(Z), η(C)}                   (2)

式中X为轴承性能，Ψ(L)为轴承制备材料与轴承性能的映射关系、Φ(G)为轴承部件加工精度与轴承性能的映射关系、ζ(Z)为轴承装配误差与轴承性能的映射关系，η(C)为轴承检测标准与轴承性能的映射关系；所述数学模型最终由映射图像反映，所述映射图像由实验得出；

步骤六：判断轴承性能是否达标

设计完成后根据设计图纸制备出轴承，根据公式(1)判断滚动轴承性能是否达到步骤五需要得到的轴承性能数值；若没有达标则重复上述步骤四和步骤五，直到轴承性能设计达到要求标准。

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