CN1260484C - 径向滚子轴承 - Google Patents

Abstract

一种径向滚子轴承，具有：外圈；内圈；和介于外圈和内圈之间的圆柱滚子。外圈和内圈分别具有形成于其端部而与圆柱滚子的端面相对的凸缘部分。其中，圆柱滚子的端面形成一个圆环状的滚子端接触部，其曲率中心连续地位于一个圆上，该圆位于平行于圆柱滚子端面的一个平面上，并且该圆的圆心在圆柱滚子的转轴上。

Description

径向滚子轴承

技术领域

本发明涉及一种径向滚子轴承，特别是在轴承圈的端部具有一个凸缘部分与圆柱滚子的端面滑动接触的这种类型的径向滚子轴承。

背景技术

在径向滚子轴承内使用圆柱滚子作为滚动体时，在轴承圈的端部形成一个凸缘部分；也就是，圆柱滚子的端面与上述的凸缘部分滑动接触从而在当圆柱滚子将要倾斜时控制它的状态，或者引导圆柱滚子在轴承圈的圆周方向滚动，或者承受施加于圆柱滚子上的轴向负荷。

这种类型的滚子轴承，在只有径向负荷作用到圆柱滚子上并且圆柱滚子上没有出现倾斜力矩时，即便是圆柱滚子的端面是平直的形态也不会出问题。但是，当有轴向负荷作用到这种滚子轴承并且圆柱滚子上出现一个倾斜力矩或者倾斜角时，因为轴向负荷由圆柱滚子和凸缘部分之间的接触部分承受，在接触部分的端部就产生出边缘负荷。由于这种边缘负荷，在接触部分的端面上施加了很大的表面压力，结果是在接触部分的端部很容易出现咬合和磨损。基于这种考虑，在将滚子轴承用在承受一定大小的轴向负荷的工矿时，在许多情况下都选择圆锥滚子轴承。但是，圆锥滚子轴承需要调节轴圈和圆锥间的轴向间隙，而轴向间隙决定了径向间隙和轴承性能。因此，当将轴承装配到轴承座中时，需要精确定位轴圈和圆锥的轴向位置。另一方面，当使用圆柱滚子轴承时，就不必进行精确的轴向定位。因此，很容易装配轴承。用圆柱滚子轴承取代圆锥轴承的原因是，提高了装配的方便性。如果提高了圆柱滚子轴承的轴向负荷能力，那么，在一定大小的轴向负荷情况下，就可以用圆柱滚子轴承取代圆锥轴承。这样，在圆柱滚子轴承上施加有一定大小的轴向负荷的情况下，为了减小施加到圆柱滚子轴承上的边缘负荷，如图9所示，已知的一种径向滚子轴承，其圆柱滚子13与凸缘部分14接触的端面13a是一个具有给定曲率半径η的球形。

但是，在圆柱滚子的端面形成球形的径向滚子轴承中，因为所述曲率半径η的中心位于圆柱滚子13的旋转轴13b上，所以，如图10所示，所述的圆柱滚子和凸缘部分14的接触部分15几乎呈圆形。因此，在曲率半径η随着凸缘部分14的开度角(opening angle)δ的减小而增加时，接触部分15的直径也增加，于是接触部分15扩大到凸缘部分14外，于是很容易出现一个边缘负荷。

发明内容

本发明着眼于消除上述在传统径向滚子轴承中存在的缺陷。相应地，本发明的目的在于提供一种可以限制在圆柱滚子和凸缘部分之间的接触部分上的边缘负荷的出现，从而能够增强接触部分的抗咬合和抗磨损性能。

为达到以上目的，根据本发明，提供的径向滚子轴承，包括：外圈、内圈和位于内圈和外圈之间的圆柱滚子，外圈和内圈分别具有在其端部形成的与圆柱滚子的端面相对的凸缘部分，其中在圆柱滚子的端面形成一个圆环状滚子端接触部，该滚子端接触部的曲率中心连续地存在于一个位于平行于圆柱滚子端面的一个平面上的圆上，并且这个圆的圆心位于圆柱滚子的转轴上。

根据这个结构，上述的形成于圆柱滚子端面的滚子端接触部与所述的凸缘部分之间所形成的每一个接触部分都是一个椭圆形，它沿着径向窄而沿凸缘部分的圆周方向长；即，所述的椭圆形的接触部分难于从凸缘部分脱出。这能够限制圆柱滚子和凸缘部分之间的接触部分上的边缘负荷的发生，这将使加强滚子轴承的抗咬合和抗磨损性能成为可能。

现在，圆柱滚子的直径用Da表示，从滚子端接触部的曲率中心沿着圆柱滚子的径向到圆柱滚子转轴的距离表示为ξ，则在ξ＜0.1Da的情况下，产生了边缘负荷，于是施加到所述接触部分的端部的表面压力大于施加到接触部分的中心部分的压力，于是促进了咬合的出现。在ξ＞0.4Da的情况下，在所述的接触表面难于形成油膜，因此增加了圆柱滚子和凸缘部分之间金属的接触。因此，最好，从滚子端接触部的曲率中心沿圆柱滚子径向到圆柱滚子转轴的距离ξ设置成ξ＝0.1Da到0.4Da。

另外，如果滚子端接触部的曲率半径表示为η，则在η＜2.0Da的情况，滚子端接触部和凸缘部分之间的接触部分的所述的油膜厚度比率(也可以称作油膜参数)等于或者小于极限值，并且金属接触的比率增加了。油膜参数由油膜厚度和合成粗糙度构成。用EHL理论(弹性流体动力润滑理论)来计算油膜厚度。用每一个表面粗糙度来计算合成粗糙度。在η＞20.0Da的情况，滚子端接触部和凸缘部分之间的接触部分扩大到凸缘部分外，于是产生了边缘负荷。因此，最好曲率半径η设置成η＝2Da到20Da。

另外，在从滚子端接触部的曲率中心沿圆柱滚子的径向到圆柱滚子转轴的距离ξ大约是0.3Da时，当接触部分的合成粗糙度(即，该粗糙度由滚子端接触部的表面粗糙度(σ₁)和凸缘部分的表面粗糙度(σ₂)合成， $\mathrm{\σ}=\sqrt{({{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2)}$ )σ超过0.6μm时，形成油膜就非常困难。在ξ＝0.1Da上下的情况，当所述接触部分的合成粗糙度超过1μm时，所述的油膜参数等于或者小于1，也很难形成油膜。因此，最好所述接触部分的合成粗糙度设置成σ≤-10.4(ξ/Da)²+2.2(ξ/Da)+0.9。

附图说明

图1是依据本发明的径向滚子轴承的实施例的部分剖视图；

图2是图1的部分放大图；

图3是图2的接触部分的视图，其中，圆柱滚子和凸缘部分接触；

图4是接触部分的长宽比和ξ/Da之间关系的曲线图；

图5是接触部分的P_max/P_edge和ξ/Da之间的关系的曲线图；

图6是接触部分的油膜厚度比率和ξ/Da之间的关系的曲线图；

图7是接触部分的合成粗糙度和ξ/Da之间的关系的曲线图；

图8是在ξ/Da＝0.35时η/Da和接触部分鼓出的量和油膜厚度比率的关系的曲线图；

图9是传统径向滚子轴承的部分剖视图；

图10是图9的部分视图，其中圆柱滚子和凸缘部分接触。

具体实施方式

现在，参考附图描述依据本发明的径向滚子轴承的实施例。

图1是依据本发明实施例(下文中称作本实施例)的径向滚子轴承的部分剖视图，图2是图1的部分的放大图。如图1所示，依据本发明实施立的圆柱滚子轴承包括外圈11、内圈12和圆柱滚子13。

外圈11和内圈12分别做成环形，在轴承圈11、12的端部分别形成凸缘部分14，各凸缘部分14都有从0.0835°(5弧度分)到3°的开度角δ。凸缘部分14分别设置与圆柱滚子13的端面相对。在圆柱滚子13的端面上，形成圆环状的滚子端接触部(弧形部分)17(见图2和图3)，它将与凸缘部分14接触。

所述滚子端接触部17，如图2所示，具有曲率中心17a。这些曲率中心连续地形成在一个圆上，该圆位于平行于圆柱滚子13端面的一个平面上，并且该圆的圆心位于圆柱滚子13的转轴13b上。如果，圆柱滚子13的直径表示为Da，则，从滚子端接触部17的曲率中心17a到圆柱滚子13的转轴(中心轴)的距离可以设成ξ＝0.1Da到0.4Da。另外，圆柱滚子13的直径表示为Da，滚子端接触部17形成圆环状，其曲率半径η在2.0Da到20.0Da的范围内。

如此，如果形成于圆柱滚子13端面的滚子端接触部17的曲率半径η，设成η在0.2Da到20.0Da的范围内，并且从滚子端接触部17的曲率中心17a沿圆柱滚子径向到圆柱滚子13转轴的距离设成ξ＝0.1Da到0.4Da，则如图3所示，滚子端接触部17和凸缘部分14之间的接触部分(在图3中，斜线部分)在凸缘部分圆周方向上呈现出长而窄的椭圆形状。因此，与现有技术的圆形的接触部分相比，上述接触部分难于从凸缘部分14脱出。

这里，在所述的距离设置成ξ＜0.1Da时，如图4所示，即使曲率半径η增加，接触部分18的长宽比(圆周方向的接触宽度18a和径向方向的接触宽18b的比)也不会增加这么多，因此，最好所述的距离设成ξ≥0.1Da。

在所述的距离设成ξ＜0.1Da时，会经常出现边缘负荷，因此，如图5所示，施加到接触部分18端部的表面压力P_edge大于施加到接触部分18中心部分的表面压力P_max。另一方面，在所述的距离等于或者大于0.1Da时，P_max大于P_edge。在所述的距离等于或者大于0.3Da时，P_edge的值接近于0，于是由于接触部分的脱出造成的咬合几乎不出现。因此，在所述的距离设成ξ≥0.1Da的情况下，施加到接触部分18的中心部分的表面压力P_max大于施加到接触部分18的端部的表面压力P_edge，因此，就可以限制由于表面压力增加造成的咬合的出现。

顺便，众所周知，在滚子端接触部17和凸缘部分14之间的接触部分的膜厚度比率(油膜参数)降低时，金属接触的比率增加，由此增加了咬合和磨损出现的可能性。这里当接触部分的油膜厚度表示为h_min时，接触部分的最小油膜厚度H_min根据EHL理论(弹性流体动力润滑理论)可以有以下方程(1)表示：

H_min＝h_min/Rx

    ＝3.63×U^0.68×G^0.49×W^-0.079×{1-exp(-0.68k)}    (1)

其中，U＝η₀×u/(E×Rx)：速度参数，G＝α×E：材料参数，W＝w/(E×Rx²)：负荷参数，Rx：X轴(运动方向的坐标)上的一个表面上的有效半径(从轴承侧面看，凸缘部分和滚子端面的圆周方向的当地半径)，η₀：大气压力下的润滑油的粘度，E：圆柱滚子和凸缘部分的有效弹性模数，α：压力粘度系数(润滑油特性)，u：u＝(u₁+u₂)/2，u₁，u₂：表面速度，w：轴向负荷，k：接触部分的长宽比。

另外，滚子端接触部17的表面粗糙度表示为σ₁，凸缘部分的表面粗糙度表示为σ₂，滚子端接触部17和凸缘部分14的合成粗糙度表示为σ，并且滚子端接触部17和凸缘部分14之间的接触部分的油膜厚度表示为h_min，滚子端接触部17和凸缘部分14之间的接触部分的油膜厚度比率∧可以由方程(3)表示为：

$\mathrm{\σ}=\sqrt{({{\mathrm{\σ}}_1}^2+{{\mathrm{\σ}}_2}^2)}---\left(2\right)$

                ∧＝h_min/σ        --(3)

其中所述的滚子端接触部17和凸缘部分14之间的接触部分的合成粗糙度是0.1μm和0.3μm并且润滑油粘度是4.8cSt(mm²/s)，油膜厚度比率∧和ξ/Da之间的关系由计算分析，分析结果如图6所示。从图6可以看出，在ξ/Da值超过0.4时，油膜厚度比率∧降低，由此金属接触的比率降低。因此，所述的距离ξ最好设成等于或者小于0.4Da，并且更好的是，它可以设成0.1Da到0.4Da的范围内。

从图6可以看出，当ξ/Da为0.3的数量级时，在滚子端接触部17和凸缘部分14的合成粗糙度σ超过0.6μm时，很难形成油膜。当ξ/Da为0.1的数量级时，当滚子端接触部17和凸缘部分14的合成粗糙度σ超过1μm时，油膜参数等于或者小于1，造成难于形成油膜。

现在，图7表示当油膜厚度比率∧是1时，合成粗糙度σ和ξ/Da的关系的计算分析获得的结果。从图7可以看出，当ξ/Da在0.1到0.4，为了使油膜厚度比率∧等于或者小于1，最好，所述的接触部分的合成粗糙度σ设置成σ≤-10.4(ξ/Da)²+2.2(ξ/Da)+0.9。因此，当ξ/Da在0.1到0.4的范围内时，滚子端接触部17和凸缘部分14的合成粗糙度σ最好设定成σ≤ξ-10.4(ξ/Da)²+2.2(ξ/Da)+0.9

另外图8表示在η/Da、接触部分脱出的量、和油膜厚度比率，当轴向负荷施加到三种(NJ308(孔径：di＝40mm，外径：do＝90mm，宽度：w＝23mm)、NJ316(di＝80mm，do＝170mm，w＝39mm)、NJ332(di＝160mm，do＝340mm，w＝68mm))径向滚子轴承(对于每个都是ξ/Da＝0.35)情况下的计算分析结果。从图8可以看出，随着凸缘部分开度角降低曲率半径η增加的情况下，所述的接触部分18的脱出量和接触部分18的所述油膜厚度比率∧分别增加。另外，在油膜厚度比率∧的极限值设为2的情况下，最好，η/Da等于或者大于2，另外，在η/Da设置成等于或者小于20的情况下，接触部分达不到脱出的范围。因此，为了限制接触部分的咬合和磨损，最好将η/Da设置成η/Da＝2到20。

圆柱滚子13和凸缘部分14之间的接触部分的形状不同的两个径向滚子轴承曾被用作轴承的例子，进行抗咬合测试，测试工况是转动速度为5150rpm。测试结果如表1所示。

                              表1

	径向负荷N(kgf)	轴向负荷N(kgf)	转动速度mm-1(rpm)	长宽比	脱出比率(％)	测试结果
							1	15974(1630)	13328(1360)	5150	0.876081	56.77233	好
7350(750)	14700(1500)	5150	0.875776	73.755776	不好(咬合)
						7350(750)		19600(2000)	5150	0.87574	77.07107	不好(咬合)
2	15974(1630)	13328(1360)	5150	3.898305	-200								好
						7350(750)	14700(1500)	5150	3.903846	-233.654	好
	7350(750)	19600(2000)	5150	3.872727	-218.182							好

表1中的脱出比率(％)中，正值表示脱出比率。

表1中，例子1表示的轴承，其中的接触部分的长宽比k是0.8的数量级；例子2表示的轴承的接触部分的长宽比k是3.8的数量级。顺便，其中接触点的附近的曲率半径表示为Ry、Rx，则长宽比可以由以下的方程(4)获得：

          k＝1.0339×(Ry/Rx)^0.636--(4)

从表1的测验结果可以看出，在作为例子1的轴承处于径向负荷为15974N(1630kgf)和轴向负荷为13328N(1360kgf)的状况时，不能证实出现了咬合；但是当处于径向负荷为7350N(750kgf)、轴向负荷为14700N(1500kgf)和19600N(2000kgf)的状况下，能够证实出现了咬合。在另外的情况下，例子2的轴承在上述两种负荷状况都不能证实出现了咬合。

因此从表1的测验结果可以清楚看出，在形成于圆柱滚子13端面13a的圆环状部分的曲率半径η被设成η＝2.0到20.0Da，并且从滚子端接触部17的曲率中心17a沿圆柱滚子径向到圆柱滚子13的转轴13b的距离设成ξ＝0.1Da到0.4Da时，圆柱滚子13和凸缘部分14之间的接触部分就呈现出一种难于从凸缘部分14脱出的形态。这能够限制在圆柱滚子13和凸缘部分14之间的接触部分出现边缘负荷，以此就能够加强径向滚子轴承抗咬合和抗磨损的性能。

如上所述，根据本发明的径向滚子轴承，因为圆柱滚子和凸缘部分之间的接触部分呈一种难于从凸缘部分脱出的形态，所以，限制了圆柱滚子13和凸缘部分14之间的接触部分上的边缘负荷的出现，于是加强了滚子轴承的抗咬合和抗磨损的性能。

Claims (4)

1、一种径向滚子轴承，包括：

外圈；

内圈；和

介于外圈和内圈之间的圆柱滚子，

外圈和内圈分别具有形成于其端部而与圆柱滚子的端面相对的凸缘部分，

其特征在于，在圆柱滚子的端面中形成一个圆环状的滚子端接触部，该滚子端接触部的曲率中心连续地位于一个圆上，该圆位于平行于圆柱滚子端面的一个平面上，并且所述的圆的圆心在圆柱滚子的转轴上。

2、如权利要求1所述的径向滚子轴承，其中，如果从滚子端接触部的曲率中心沿圆柱滚子的径向到圆柱滚子转轴的距离，表示为ξ，圆柱滚子的直径表示为Da，则，所述的距离设成ξ＝0.1Da到0.4Da。

3、如权利要求2所述的径向滚子轴承，其中，如果从滚子端接触部的曲率中心沿圆柱滚子的径向到圆柱滚子转轴的距离，表示为ξ，圆柱滚子的直径表示为Da，滚子端接触部和凸缘部分之间的接触部分的合成粗糙度表示为σ，则，所述的合成粗糙度σ设置成σ≤-10.4(ξ/Da)²+2.2(ξ/Da)+0.9。

4、如权利要求2或3所述的径向滚子轴承，其中，如果滚子端接触部的曲率半径表示为η，圆柱滚子的直径表示为Da，则，曲率半径设置成η＝2.0Da到20.0Da。

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