一种具有高承载能力的角接触球轴承的制作方法

1.本发明属于轴承结构设计技术领域，具体涉及一种具有高承载能力的角接触球轴承。


背景技术：

2.传统汽车变速箱由于采用内燃机驱动，因此变速箱轴承的转速比较低，但传递扭矩比较大，轴承载荷比较高，因此变速箱轴承一般使用圆锥滚子轴承，承载能力高，但转速比较低，摩擦损耗高。随着现代汽车工业的发展，使用电机驱动的新能源汽车越来越普及，现代的汽车驱动电机最高转速一般是传统内燃机最高转速的3至4倍甚至更高，电子技术的发展，使设备在高速化的同时，还增加了适用化要求，即要求转速能够随着工作情况的变化随时变化，因此汽车电机不断向高速化、快速响应发展，例如典型的新能源汽车驱动电机的最高转速达到了22000r/min，同时对驱动电机以及减速箱的效率提出了更高的要求，减速箱的轴承既要满足高速性要求，同时需要承受与传统汽车变速箱轴承相类似的栽荷。
3.滚动轴承中，轴承寿命与承受的载荷有关，载荷越大，轴承寿命越低，载荷和寿命的关系可以通过相关的标准进行计算；轴承寿命也和轴承类型有关，滚子轴承中，承受载荷的滚子与滚道在理论情况下为线接触，载荷作用下受力部位变形形成长矩形接触，因此同样载荷下滚子上承受的应力比较小，在载荷作用下实际为较大范围的面接触；在球轴承中，轴承滚道为略大于钢球直径的圆弧形，因此球轴承中承受载荷的钢球与滚道理论情况下为点接触，因此同样载荷下钢球承受的应力很大，在载荷作用下实际为较小的面接触。滚道圆弧半径越接近钢球直径，载荷应力比较均匀，但钢球与滚道的间隙越小，润滑比较困难，因此目前的设计理论是滚道的圆弧半径是钢球直径的0.52倍左右，高速运转情况下滚道的圆弧半径将更大一些，例如可以达到钢球直径的0.53～0.55倍，滚道更大的圆弧半径可以有效改善润滑条件，降低球轴承能耗，但带来的后果是承载能力的下降，这是圆弧滚道的弊端，单一圆弧曲率不能适应不同的要求，没有比较好的办法克服这种弊端。在这种因此同样尺寸的球轴承承载能力比滚子轴承小得多，轴承寿命与载荷三次方相关，因此同载荷下球轴承寿命比滚子轴承寿命低很多。
4.在承受径向和轴向载荷情况下，一般使用圆锥滚子轴承，部分轴向载荷由圆锥滚子的端面与轴承内圈挡边承担，滚子端面和内圈挡边之间为滑动摩擦，而且挡边和滚子端面的加工复杂，精度和表面粗糙度较差，因此增加了摩擦损耗，减速箱轴承采用圆锥滚子轴承的能耗比较大。高转速下，需要更大减速比的变速箱，在减速箱的高速轴，转速已经超过了传统的圆锥滚子轴承的许可转速，导致圆锥滚子的能耗增加，摩擦增加，温升急剧升高，不能满足要求。采用大规格的球轴承满足载荷和转速的要求，又会造成变速箱的体积增大，不适用动力单元紧凑化的要求。
5.目前也有一些球轴承采用了复合滚道的设计方法，例如在承载区采用小曲率的滚道设计，提高钢球与滚道的吻合程度，降低载荷应力。承载区的两侧采用大曲率设计，改善润滑条件，降低摩擦功耗。这种不同圆弧复合曲率的滚道设计，虽然可以适应载荷和高速的
要求，但设计复杂，特别是两段圆弧需要平滑的过渡，否则过渡点将产生应力集中，影响轴承工作，而且加工困难。


技术实现要素：

6.针对现有技术的缺陷，该发明提出了一种具有高承载能力的角接触球轴承，能够适应高转速、高载荷的应用场合。为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案如下：
7.一种具有高承载能力的角接触球轴承，包括轴承外圈、轴承内圈、钢球和保持架，轴承外圈的内径上加工有环形的外圈滚道，轴承内圈的外径上加工有环形的内圈滚道，外圈滚道和内圈滚道在轴承的径向剖面均为抛物线形，钢球在外圈滚道和内圈滚道之间旋转和滚动；外圈滚道和内圈滚道的抛物线顶点分别与钢球相接触，接触点之间的连线经过钢球中心且与钢球中心和轴承中轴的垂直线之间具有夹角a；保持架位于轴承外圈和轴承内圈之间，钢球被保持架均匀分隔。
8.优选的，外圈滚道和内圈滚道剖面抛物线方程式为：x2＝2py，其中y坐标方向由抛物线顶点指向钢球中心，2p的取值为钢球直径的0.9～1.1倍。
9.进一步的，2p的取值为钢球直径的0.95～1.05倍。
10.优选的，夹角a的大小为25～35
°
。
11.进一步的，夹角a的大小为28～32
°
。
12.优选的，轴承外圈的内径在外圈滚道两侧的直径不同，直径较大的一侧为外圈内径，直径较小的一侧为外圈挡边，轴承内圈的外径在内圈滚道两侧的直径不同，直径较小的一侧为内圈外径，直径较大的一侧为内圈挡边；外圈挡边和内圈外径位于轴承的同一侧。
13.进一步的，内圈外径上设有卡槽，保持架内径上设有若干弹性凸起的卡扣，卡扣与卡槽相互配合。
14.优选的，设轴承的厚度为l，轴承外圈外径和轴承内圈内径之间的距离为b，取l和b之中的较小者设为h，钢球的直径设为d，d＝0.7～0.8h。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
16.1.内外圈滚道采取了抛物线型的设计，抛物线顶点与钢球相接触，钢球与滚道之间在接触点附近密合度高，受力时的变形接触更加均匀，降低了接触应力，增大了承载能力，轴承使用寿命得到有效提升；在脱离接触点一段距离后，钢球与滚道之间的距离迅速增大，能够有效改善润滑条件，使润滑剂能够快速进入接触部位进行润滑，有效降低摩擦和热量，提升轴承的高速性能。钢球与滚道之间为角接触形式，可以同时承受轴向和径向载荷，能够满足变速箱轴承的受力要求。
17.2.轴承内外圈采用单侧无挡边设计，轴承结构更加紧凑，轴承组装过程中可以方便的加入数量多、直径大的钢球，可进一步提高轴承的承载能力，保持架与轴承内圈之间设有相配合的防脱落槽扣，可有效保证轴承组装后整体不分散。
附图说明
18.图1：本发明中轴承整体的径向剖面示意图。
19.图2：本发明中a处局部的径向剖面示意图。
20.图3：钢球与圆弧滚道和抛物线滚道间隙对比图。
21.图4：本发明中钢球装配数量调节方式示意图。
22.各图中：1.轴承外圈；11.外圈滚道；12.外圈内径；13.外圈挡边；2.轴承内圈；21.内圈滚道；22.内圈外径；23.内圈挡边；24.卡槽；3.钢球；4.保持架；41.卡扣。
具体实施方式
23.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明提供了一种具有高承载能力的角接触球轴承，参照图1和图2所示，包括轴承外圈1、轴承内圈2、钢球3和保持架4，轴承外圈1在内径部位加工出精密的环形外圈滚道11，轴承内圈2在外径部位加工出精密的环形内圈滚道21，钢球3在外圈滚道11和内圈滚道21之间旋转和滚动，钢球3围绕轴承中轴线公转，同时围绕自身轴线自转。外圈滚道11和内圈滚道21在轴承的径向剖面上均为抛物线形，外圈滚道11和内圈滚道21的抛物线顶点分别与钢球3相接触，对于同一个钢球3，接触点之间的连线经过钢球3中心点o,且与o点和轴承中轴的垂直线之间具有夹角a；保持架4位于轴承外圈1和轴承内圈2之间，钢球3被保持架4均匀分隔。
25.球轴承中，钢球3为标准化产品，无法进行修型，因此修型目标集中在滚道的线型上。外圈滚道11和内圈滚道21剖面抛物线的方程式为：x2＝2py，参照图2所示，y坐标方向由抛物线顶点指向钢球3中心，抛物线以y轴为对称轴线，向两边展开。2p的取值为钢球3直径d的0.9～1.1倍，优选钢球3直径d的0.95～1.05倍。通过仿真试验对圆弧滚道和抛物线滚道与钢球3接触特性进行比对，钢球3直径d＝15.081mm，半径为0.52d的圆弧滚道，以及2p分别1d、0.97d、1.03d的抛物线滚道，与钢球3在接触点附近的坐标参数如下表：
26.27.从表中可以看出，在x坐标零点，即钢球3和滚道的接触点附近，抛物线与钢球3之间的y坐标差值明显小于圆弧滚道，说明在接触点附近，抛物线滚道与钢球的距离更小，密合度更高，密合度越高意味着未来的变形接触越均匀，接触应力越小，具有更强的承载能力。当离开接触点一段距离后，抛物线滚道与钢球3的距离迅速增大，图3所示为直径为d的钢球3，分别与r＝0.52d、r＝0.54d的圆弧和2p＝d的抛物线内切时的间隙对比图，其中线条1为r＝0.52d的圆弧、线条2为r＝0.54d的圆弧，线条3为2p＝d的抛物线，当离开接触点一段距离后，抛物线滚道与钢球3之间会产生更大的距离，便于润滑剂的流动，使轴承具有更好的高速性能。
28.钢球3与外圈滚道11和内圈滚道21之间采用角接触形式，可以同时承受轴向和径向载荷。与深沟球轴承不同，钢球3不与外圈滚道11和内圈滚道12在底部接触，而是在与钢球3中心到轴承中轴的垂直线呈25～35
°
夹角的部位与内圈滚道21和外圈滚道11接触形成接触角，夹角a为接触角，优选a＝28～32
°
夹角的部位接触，在此接触角a范围，轴承轴向和径向承载能力比较均匀，两者之间的比例不会产生过大或者过小的问题，轴承寿命较长，能够满足变速箱轴承的受力要求。
29.在一种优选实施例中，参照图2所示，轴承外圈1的内径在外圈滚道11两侧的直径不同，直径较大的一侧为外圈内径12，直径较小的一侧为外圈挡边13，轴承内圈2的外径在内圈滚道21两侧的直径不同，直径较小的一侧为内圈外径22，直径较大的一侧为内圈挡边23；外圈挡边13和内圈外径22位于轴承的同一侧。外圈滚道11的抛物线与外圈内径12和外圈挡边13相交，内圈滚道21的抛物线与内圈外径22和内圈挡边23相交。提高轴承承载能力的另外一个途径是增大钢球3直径，增加钢球3数量。在本实施例中，轴承内圈2一侧采用无挡边设计，因此轴承组装过程中可以方便的加入数量多、直径大的钢球3。轴承内圈2上的内圈外径22的直径小于内圈滚道21的直径，钢球3可以无阻碍的放置在外圈滚道11和内圈滚道21之间，但在轴承组装后，也造成轴承内圈2容易与轴承外圈1和钢球3以及保持架4的组合体脱离分开，在轴承安装使用前的储存、运输过程中产生分散情况，因此为了保证轴承组装后形成整体不分散，在内圈外径22的合适位置上加工了环形的卡槽24，卡槽24的直径小于内圈外径22的直径1～1.5mm。在保持架4内径上设有若干弹性凸起的卡扣41，卡扣41与卡槽24相互配合。卡扣41为防脱落设计，参照图2所示，卡扣41朝向安装方向具有一定的倾斜角度，顺向安装时卡扣41能够滑入卡槽24中，逆向拆解卡扣41除非采用破坏手段，否则不能使轴承内圈2与保持架4脱离分开，卡扣41与卡槽24之间具有一定间隙并充分润滑，卡扣41数量大于3个，小于钢球3的数量。
30.钢球3直径d是影响轴承载荷能力的主要因素，因此在轴承结构满足使用条件的情况下，钢球3直径d越大，轴承承载能力越高，同等载荷情况下轴承寿命越高。钢球3直径d主要受轴承的厚度和内外圈之间的距离限制，参照图2所示，设轴承的厚度为l，轴承外圈1外径和轴承内圈2内径之间的距离为b，变速箱轴承中，l和b的尺寸接近但并不相同，某些情况下l》b，某些情况下b》l，但相差不大，为了充分提高轴承的承载能力，取宽度b和长度l两者较小的值设为h，使钢球3的直径d＝(0.7～0.8)h。
31.钢球3数量也是影响轴承承载能力的因素之一，因此在轴承结构满足使用条件的情况下，钢球3数量越多，轴承承载能力越高，同等载荷情况下轴承寿命越高。钢球3数量主要受轴承外圈滚道11和轴承内圈滚道21直径的限制，减速箱轴承中，钢球3之间由保持架4
进行分隔，保持架4采用工程塑料注塑而成。保持架4为一体化结构，保持架4上分布了与钢球3数量相同的兜孔，将钢球3容纳在兜孔中，防止轴承旋转中钢球3互相碰撞摩擦产生能耗和热量。兜孔之间依靠过梁连接，钢球3数量多，则过梁厚度低，保持架4强度低，高速旋转中容易产生断裂；钢球3数量少，过梁厚度增大，但轴承载荷能力下降。钢球3填充在外圈滚道11和内圈滚道21之间，钢球3互相紧密贴合在一起，参照图4所示，末端两钢球3与轴承中心之间的夹角β为40～60
°
，优选的角度β＝45～55
°
，在此角度内钢球3数量和保持架4过梁厚度都能够保持在适宜的水平。
32.综上所述，该发明所提供的一种具有高承载能力的角接触球轴承，有效解决了现有以圆弧沟道为主的球轴承难以同时满足大载荷和高速状态下使用要求的问题，具有很高的利用价值和使用意义，可大量推广应用。
33.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。