CN202545581U - 一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承。包括轴承外圈、轴承内圈、保持架和圆柱滚子，圆柱滚子的两端含有相同的深穴；所述深穴的曲面是由余弦函数曲线绕圆柱滚子轴心线旋转而成的曲面。本实用新型的圆柱滚子轴承端面的余弦函数曲线深穴能降低滚子两端的接触刚度，轴承承受径向载荷时，能有效地改善滚动接触区的压力分布，完全避免滚子端部应力集中，提高轴承的使用寿命。深穴圆柱滚子轴承可以更好地适应振动冲击性载荷、改善圆柱滚子轴承承载能力，制造上又无需超精加工。

Description

一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承

技术领域

本实用新型涉及一种圆柱滚子轴承，尤其是涉及一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承。

背景技术

圆柱滚子轴承的滚子与轴承内外圈接触时，圆柱滚子在载荷作用下，接触区域两端出现严重的应力集中。由于圆柱滚子端部应力集中的影响，滚动轴承的疲劳破坏常常过早地出现在圆柱滚子端部和滚道两侧，成为引起圆柱滚子轴承疲劳破坏的重要原因。随着工业技术的不断发展，解决滚动轴承的端部应力集中问题在工程实践中日显迫切。

在《轴承》(ISSN1000-3762)2007年6期中“基于BP神经网络和有限元分析的深穴圆柱滚子的优化设计”论文中已经公开了一种含有深穴的圆柱滚子轴承，但是该深穴的形状为圆柱形，这样的圆柱滚子轴承虽然能减小圆柱滚子应力集中现象，但对轴承寿命提高效果欠佳。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承，在圆柱滚子两端含有相同的深穴，圆柱滚子轴承能改善滚动接触区的压力分布，消除圆柱滚子端部应力集中，提高圆柱滚子轴承的使用寿命。

本实用新型采用的技术方案是：

本实用新型包括轴承外圈、轴承内圈、保持架和圆柱滚子，圆柱滚子的两端含有相同的深穴；所述深穴的曲面是由余弦函数曲线绕圆柱滚子轴心线旋转而成的曲面。

所述的余弦函数是由以下的公式(1)计算得到：

$y=\frac{c_2}{1+c_3}\cos \left(\frac{1}{c_1}\arccos \left({-c}_3\right)x\right)+\frac{c_2{c}_3}{1+c_3}---\left(1\right)$

公式(1)中的x、y分别为xoy坐标系的横坐标和纵坐标，所述的xoy坐标系以圆柱滚子端面的圆心为原点，y轴在圆柱滚子轴心线上，指向圆柱滚子内部，x轴在圆柱滚子端面上，其中深穴大端半宽c₁、深穴深度c₂、系数c₃分别由以下公式(2)、(3)、(4)计算得到：

c₁＝(0.6～0.7)r                                        (2)

$c_2=(0.35~0.5)\frac{L}{2}---\left(3\right)$

c₃＝-0.8～-0.2                                         (4)

公式(2)、(3)中，r是圆柱滚子半径，L是圆柱滚子长度。

本实用新型具有的有益效果是：

1、圆柱滚子轴承端面的余弦函数曲线深穴能降低圆柱滚子两端的接触刚度，轴承承受径向载荷时，能有效地改善滚动接触区的压力分布，完全避免滚子端部应力集中，提高轴承的使用寿命。

2、深穴圆柱滚子轴承可以更好地适应振动冲击性载荷、改善圆柱滚子轴承承载能力，制造上又无需超精加工。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是圆柱滚子轴截面的结构示意图。

图3是圆柱滚子轴截面的参数设计示意图。

图4是当L/r＝2时不同参数曲线深穴的圆柱滚子接触应力沿轴向分布曲线图

图5是当L/r＝4时不同参数曲线深穴的圆柱滚子接触应力沿轴向分布曲线图

图中：1、轴承外圈，2、圆柱滚子，3、保持架，4、轴承内圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

本实用新型一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承，如图1所示。包括轴承外圈1、轴承内圈4、保持架3和圆柱滚子2，圆柱滚子2的两端含有相同的深穴，其特征在于：所述深穴的曲面是由余弦函数曲线绕圆柱滚子2轴心线旋转而成的曲面。

所述的圆柱滚子轴截面结构图如图2所示。

所述的余弦函数是由以下的公式(1)计算得到：

$y=\frac{c_2}{1+c_3}\cos \left(\frac{1}{c_1}\arccos \left({-c}_3\right)x\right)+\frac{c_2{c}_3}{1+c_3}---\left(1\right)$

公式(1)中的x、y分别为xoy坐标系的横坐标和纵坐标，所述的xoy坐标系以圆柱滚子2端面的圆心为原点，y轴在圆柱滚子2轴心线上，指向圆柱滚子2内部，x轴在圆柱滚子2端面上，其中深穴大端半宽c₁、深穴深度c₂、系数c₃分别由以下公式(2)、(3)(4)计算得到：

c₁＝(0.6～0.7)r                                            (2)

$c_2=(0.35~0.5)\frac{L}{2}---\left(3\right)$

c₃＝-0.8～-0.2                                             (4)

公式(2)、(3)中，r是圆柱滚子半径，L是圆柱滚子长度。角度单位取弧度制。公式(1)、(2)、(3)、(4)中的参数：深穴大端半宽c₁、深穴深度c₂、系数c₃、圆柱滚子半径r、圆柱滚子长度L及坐标系xoy具体如图3所示。

实施例1：

如图4所示，所述的圆柱滚子中各个参数取值依次如下：L/r＝2(即r取1个单位长度，L取2个单位长度)，深穴大端半宽c₁＝0.7r，深穴深度c₂＝0.5(L/2)，系数c₃＝-0.5。坐标系为如图3所示的xoy坐标系。

所以所述的余弦函数曲线为公式(5)：

y＝cos(1.5x)-0.5                                            (5)

在本实施例中参与比较的圆柱滚子的深穴曲线除了所述的余弦函数曲线，还有抛物线函数曲线、双曲余弦函数曲线和正态分布函数曲线(σ＝2)；结构如图3所示，参数取值为：L/r＝2，深穴大端半宽c₁＝0.7r，深穴深度c₂＝0.5(L/2)。由以上参数取值可求得各个参数曲线的函数表达式。

在本实施例中参与比较的圆柱滚子的类型还有：无深穴圆柱滚子(即一般的圆柱滚子标准件)和有圆柱形深穴的圆柱滚子。根据《轴承》(ISSN1000-3762)2007年6期中“基于BP神经网络和有限元分析的深穴圆柱滚子的优化设计”论文中的数据，得到了L/r＝2(即r取1个单位长度，L取2个单位长度)条件下，圆柱形深穴的最佳尺寸(即圆柱滚子边缘应力集中现象改善情况最佳)：深穴深度与圆柱滚子长度的一半之比等于0.25，深穴大端半宽与圆柱滚子半径之比等于0.6。

根据以上参数建立各种类型的圆柱滚子的三维实体模型，导入有限元分析软件Ansys13.0中进行有限元分析。分析得到如图4所示的不同参数曲线深穴的圆柱滚子接触应力沿轴向分布曲线图。

如图4所示，在相同工况条件下，无深穴圆柱滚子存在严重的边缘应力集中现象；其中深穴母线为余弦函数曲线，抛物线函数曲线，双曲余弦函数曲线和正态分布函数曲线(σ＝2)等四种函数曲线的圆柱滚子及深穴形状为圆柱形的圆柱滚子都能不同程度的减少或避免边缘应力集中现象；但深穴母线为余弦函数曲线的圆柱滚子其轴向接触应力分布最理想：最大接触应力相对最小，最大接触应力与最小接触应力之差最小，接触应力分布最均匀，从而完全避免了圆柱滚子边缘接触应力集中现象。

如表1所示，分析得到所述圆柱滚子接触表面层的最大Mises应力和最大Mises应力所在表面层深度。根据E.Ioannides和T.E.Harris疲劳寿命模型计算得到如表1所示的不同参数曲线深穴圆柱滚子的相对寿命比较。从表1中可以非常清晰地看出，在相同工况条件下，深穴母线为余弦函数曲线的圆柱滚子相对寿命最高。

需要特别指出的是：所述的具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子的轴向接触应力分布情况要明显优于深穴形状为圆柱形的圆柱滚子。而这正体现出了本实用新型的优越性。

表1 深穴母线为不同参数曲线的圆柱滚子相对寿命(L/r＝2)

实施例2：

如图5所示，所述的圆柱滚子中各个参数取值依次如下：L/r＝4(即r取1个单位长度，L取4个单位长度)，深穴大端半宽c₁＝0.65r，深穴深度c₂＝0.4(L/2)，系数c₃＝-0.6。坐标系为如图3所示的xoy坐标系。

所以所述余弦函数曲线为公式(6)：

y＝1.14cos(1.95x)-0.34                                    (6)

在本实施例中参与比较的圆柱滚子的深穴曲线除了所述的余弦函数曲线，还有抛物线函数曲线、双曲余弦函数曲线和正态分布函数曲线(σ＝2)；结构如图3所示，参数取值为：L/r＝4，深穴大端半宽c₁＝0.65r，深穴深度c₂＝0.4(L/2)。由以上参数取值可求得各个参数曲线的函数表达式。

在本实施例中参与比较的圆柱滚子类型还有：无深穴圆柱滚子和深穴形状为圆柱形的圆柱滚子。根据《轴承》(ISSN1000-3762)2007年6期中“基于BP神经网络和有限元分析的深穴圆柱滚子的优化设计”论文中的数据，得到了L/r＝4(即r取1个单位长度，L取4个单位长度)条件下，圆柱形深穴的最佳尺寸(即圆柱滚子边缘应力集中现象改善情况最佳)：深穴深度与圆柱滚子长度的一半的比值为0.3，深穴大端半宽与圆柱滚子半径之比为0.6。

根据以上参数建立深穴圆柱滚子的三维实体模型，导入有限元分析软件Ansys13.0中进行有限元分析。分析得到如图5所示的不同参数曲线深穴的圆柱滚子接触应力沿轴向分布曲线图。

从图5中可以非常清晰地看出，在相同工况条件下，无深穴圆柱滚子存在严重的边缘应力集中现象；其中深穴母线为余弦函数曲线，抛物线函数曲线，双曲余弦函数曲线和正态分布函数曲线(σ＝2)等四种函数曲线的圆柱滚子及深穴形状为圆柱形的圆柱滚子都能不同程度的减少或避免边缘应力集中现象；但深穴母线为余弦函数曲线的圆柱滚子其轴向接触应力分布最理想：最大接触应力相对最小，最大接触应力与最小接触应力之差最小，接触应力分布最均匀，从而完全避免了圆柱滚子边缘接触应力集中现象。

如表2所示，分析得到所述圆柱滚子接触表面层的最大Mises应力和最大Mises应力所在表面层深度。根据E.Ioannides和T.E.Harris疲劳寿命模型计算得到如表1所示的不同参数曲线深穴圆柱滚子的相对寿命比较。从表2中可以非常清晰地看出，在相同工况条件下，深穴母线为余弦函数曲线的圆柱滚子相对寿命最高。

需要特别指出的是：所述的具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子的的相对寿命要明显高于深穴形状为圆柱形的圆柱滚子。而这正体现出了本实用新型的优越性。

表2 深穴母线为不同参数曲线的圆柱滚子相对寿命(L/r＝4)

上述具体实施方式用来解释说明本实用新型，而不是对本实用新型进行限制，在本实用新型的精神和权利要求的保护范围内，对本实用新型作出的任何修改和改变，都落入本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承，包括轴承外圈、轴承内圈、保持架和圆柱滚子，圆柱滚子的两端含有相同的深穴，其特征在于：所述深穴的曲面是由余弦函数曲线绕圆柱滚子轴心线旋转而成的曲面。

2.根据权利要求1所述的一种具有余弦函数曲线深穴的圆柱滚子轴承，其特征在于：

所述余弦函数是由以下的公式(1)计算得到：

$y=\frac{c_2}{1+c_3}\cos \left(\frac{1}{c_1}\arccos \left({-c}_3\right)x\right)+\frac{c_2{c}_3}{1+c_3}---\left(1\right)$

公式(1)中的x、y分别为xoy坐标系的横坐标和纵坐标，所述的xoy坐标系以圆柱滚子端面的圆心为原点，y轴在圆柱滚子轴心线上，指向圆柱滚子内部，x轴在圆柱滚子端面上，其中深穴大端半宽c₁、深穴深度c₂、系数c₃分别由以下公式(2)、(3)、(4)计算得到：

c₁＝(0.6～0.7)r                                            (2)

$c_2=(0.35~0.5)\frac{L}{2}---\left(3\right)$

c₃＝-0.8～-0.2                                             (4)

公式(2)、(3)中，r是圆柱滚子半径，L是圆柱滚子长度。

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