[发明专利]一种可降低轴承热效应的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于轴承设计技术领域，特别涉及到一种可降低轴承热效应的设计方法。

背景技术

在高速运转条件下，为提高轴承刚度，常采用定位预紧的成对角接触球轴承，但在使用过程中会出现游隙减小致使轴承烧伤、甚至卡死的现象，究其原因主要表现如下：

1、当轴承外圈固定、内圈高速旋转工作条件下，钢球在外圈上主要是滚动，而且钢球在内圈上的运动有滚动并伴随着滑动，因而造成钢球和内圈的温升比外圈的温升大，即外圈、内圈、钢球之间存在着一个温度梯度。

2、当轴承内圈、外圈及钢球采用同种材料，即这三个零件的线膨胀系数相同时，由于存在温度梯度，内圈、钢球膨胀量之和要大于外圈膨胀量，会使轴承游隙减小；而由于此种轴承为定位预紧轴承，轴承相对于轴承座和定位用的隔圈在轴向径向的位置基本上不会发生变化，那么轴承的膨胀、游隙的减小将转化为热应力，此时轴承的受载明显增大，其性能、寿命等受到较大影响，会使轴承发生早期失效。

上述问题是轴承行业急需解决的难题之一。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出了一种可降低轴承热效应的设计方法，根据该设计方法可降低轴承材料在高速运转条件下所产生的热效应和游隙减小问题。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

所述的可降低轴承热效应的设计方法是当轴承的工作条件为外圈固定、内圈旋转时，其内圈、外圈、钢球的实际温升存在明显不同，即外圈固定温升较小，内圈高速旋转温升较大，钢球的温升一般比内圈温升略高一些；温升对轴承游隙变化量的设计关系为：

Δur＝De·ΔTe·δe-di·ΔTi·δi-2·Dw·ΔTDw·δDw

式中：Δur为轴承游隙变化量

di为内圈沟底直径

Dw—钢球直径

De—外圈沟底直径，其中De＝di+2·Dw

ΔTe为外圈工作温度与装配温度之差

ΔTi为内圈工作温度与装配温度之差

ΔTDw为钢球工作温度与装配温度之差

δe为外圈材料的线膨胀系数

δi为内圈材料的线膨胀系数

δDw为钢球材料的线膨胀系数

根据上述设计关系，虽然钢球温升比内圈温升略高，但设计时可以将两者参数考虑一致，即内圈、钢球选用膨胀系数较小的材料，有利于在温升较高时相对降低游隙减少量；结合实际工况、成本等因素，降低轴承热效应的最佳设计方法是轴承外圈和钢球依旧采用较为普遍、成本较低的GCr15材料，而内圈采用膨胀系数偏小的9Cr18材料，经计算分析和相关试验验证，其轴承游隙减少量可降至当轴承采用GCr15材料时游隙减少量的30～50％，内部热应力变化偏小。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

(1)仅在原设计方案上对轴承内圈的材料做出改变，设计较为简单。

(2)GCr15和9Cr18的加工性能较为接近，加工工艺路线不用作改变。

(3)用于高速旋转的成对预紧使用的角接触球轴承，通过本设计方法可以使轴承的热应力减小，使用性能有所改善。

具体实施方式

以7003C型号轴承为例，其定位预紧力为70N，轴承内圈旋转，外圈固定。

当轴承内圈、外圈、钢球材料均为GCr15时：

1、轴承转速较高时，外圈温升为60℃，内圈温升为75℃，钢球温升为77℃，其轴承游隙减少量为0.0059mm。

2、轴承转速偏高时，外圈温升为60℃，内圈温升为70℃，钢球温升为71℃，其游隙减少量为0.0039mm。

当按本发明的设计方法将轴承内圈材料设计为线膨胀系数偏小的9Cr18，而外圈、钢球材料仍选用GCr15时，轴承内圈、外圈、钢球通过实际测定有下列表现：

1、轴承转速较高时，外圈温升为60℃，内圈温升为75℃，钢球温升为77℃，轴承游隙减少量为0.0028mm，是轴承全部采用GCr15时轴承游隙减少量的近1/2左右。

2、轴承转速偏高时，外圈温升为60℃，内圈温升为70℃，钢球温升为71℃，轴承游隙减少量为0.0011mm，是轴承全部采用GCr15时轴承游隙减少量的近1/4左右。

综上所述，采用本发明的设计方法其轴承游隙减少量较小，内部热应力变化偏小，达到了预期效果。