深沟球轴承优化设计

主讲:李尚勇洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计2内容简介•一、概述•二、优化设计基础（优化设计计算方法）•三、深沟球轴承优化设计及主要参数•四、结构及结构参数设计•五、密封轴承设计•六、轴承设计举例•七、深沟球轴承发展方向洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计3一、概述•深沟球轴承的特点：量大面广，其基型及其变形结构产品占轴承总产量的70%以上•优化设计水平与国外公司比较：CrSKFCr优化设计规格型号数量111136038占总规格比例100%11.7%54.1%34.2%1.0220.90～0.980.99～1.011.02～1.17水平比较高于SKF低于SKF与SKF相当高于SKF洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计4一、概述深沟球轴承的结构及特点深沟球轴承的主要结构形式有基本型、带防尘盖和带密封圈深沟球轴承。带防尘盖的深沟球轴承防尘盖与内圈之间有径向间隙，极限转速与基本型深沟球轴承相同，轴承装配时填入了适量润滑剂，在使用过程中不用填加润滑剂。带密封圈的深沟球轴承一般采用钢骨架式丁腈橡胶密封圈，有接触式和非接触式之分。接触式密封密封效果较好，但摩擦力矩较大，极限转速较低；非接触式密封，其极限转速与基本型深沟球轴承相同。轴承装配时填入了适量润滑剂，在使用过程中不用填加润滑剂。洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计5二、优化设计方法•机械优化设计包括建立优化设计问题的数学模型和选择恰当的优化方法与程序两方面的内容列出每个主题要花费的时间•网格法、牛顿法、共轭梯度法、坐标轮换法、鲍为尔法、随机方向法、惩罚函数法、线形逼近法、广义简约梯度法等等洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计6深沟球轴承优化设计的特点：就深沟球轴承优化设计而言，它属于一种离散变量优化设计问题，其具体表现在：1深沟球轴承的滚动体数量有限、为离散的自然数；2深沟球轴承的滚动体已经标准化，其直径为有限个离散值；3深沟球轴承外型尺寸为一系列离散的标准值。洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计7网格法简介：网格法是解非线形规划的最简单的方法，事实上它是一种穷举法。设问题为：极小化f(x),x∈En满足约束gi(x)≥0,j=1,…,m.变量的取值范围为ai≤xi≤bi,I=1,…,n洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计8网格法简介(2)：洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计9三、深沟球轴承优化设计25.4mmDDZfbCw1.8w2/3cmr深沟球轴承的承载能力是以其额定动载荷Cr来衡量。优化设计的目标函数洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计10主要参数约束条件主参数:Z，Dw，Dwp约束条件有三个:d)(DKDd)(DKWmaxWiWminmaxjmaxWPWi1)1Z)(DD(Sin21800.5(D+d)≤DWP≤0.515(D+d)洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计11形成网格点洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计12判断点是否符合条件判断点是否符合条件洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计13求最大值及对应点洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计14四、结构及结构参数设计右图为深沟球轴承简图其中:eiwpdd21DwierD2dDG1、滚动轴承几何学洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计152、深沟球轴承填球角研究容许填球角有由几何条件确定的容许填球角ψg和由许用应力确定的容许最大填球角ψs之分。右图为几何填球角计算模型洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计162、深沟球轴承填球角研究由几何条件确定的容许填球角ψg为：当径向游隙Gr=0时，上式可简化为：22)5.0(5.014)5.0(12)1(45.0)2180(GrDGrDKGrDGrDKGrDCoswpwdwwdwpgwpgDDw)Kd1()2180(Cos洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计172、深沟球轴承填球角研究由许用应力确定的容许最大填球角ψs可近似地表示为：式中：K--系数，K=0.2324度/[N/mm2]1/2[δ]--许用应力，N/mm2R--截面形心与外圈中心之距离，mmY--截面形心距挡边距离，mmwpsDYPK180洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计182、深沟球轴承填球角研究一般情况下，设计填球角ψ应满足：个别情况下，当ψg〈ψs时，允许ψ大于ψg但不超过ψs，此时，在外圈未变形之前将有一个钢球不能进入滚道，只有在压缩外圈的同时，最后一个钢球才能进入滚道而完成装配自动装配时，深沟球轴承填球角理想值为181°～186°，小于181°，容易散球，大于186°，自动装配较为困难，这次优化设计规定填球角上限为：100系列195°；200系列194°，300系列°，400系列192°。据此设计的所有规格，都满足ψ〈ψs的条件，就是说，不会出现装配分球时外圈产生残余变形的情况minsg洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计192、深沟球轴承填球角研究另外，在设计填球角下，装球分球所需压力和压缩量是装配中需要的两个重要参数，它们可分别表示为（假定μ=0）：式中：Pmin—最小装配压力E—弹性模量J—外圈横截面的惯性矩R—截面形心与外圈中心距离δ0—最小压缩量ψ—设计填球角)]1Sin(4CosSin[R2)Cos1(EDP23wpminwp220D)1Sin(4CosSin)Cos1)(18(180)902(洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计203、外圈带游隙设计本次优化设计采用外圈带游隙设计。即：Grmin、Grmax分别代表游隙下限和上限值。2GrGr2DdDmaxminwie洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计214、内外沟道不等曲率设计沟曲率半径一般可表示为：weewiiDfRDfRmm8Dw0.530-0.525fe0.520-0.515fimm8Dw0.530-0.523fe0.520-0.512fi设计中取：洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计225、挡边高度设计以6204为例50年代挡边高系数为0.29560年代挡边高系数为0.257缺点：在有较大径向游隙，同时承受一定量的轴向负荷时很容易造成接触椭圆截断现象，从而使轴承过早失效wi2diD/)dd(Kw2edeD/)dD(K洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计235、挡边高度设计国际上各大轴承公司深沟球轴承挡边高系数不尽相同一般取值范围是：6000系列0.3～0.46200、6300、6400系列0.4左右日本KOYO司Kdi=0.34～0.37Kde=0.30～0.35原因：外圈滚道接触椭圆长短轴之比a/b比内圈小，KdeKdi时不会出现外圈接触椭圆被截断，同时减小外圈挡边高，增大了允许填球角，减小了装球变形力洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计246、保持架设计保持架是决定轴承性能的关键因素深沟球轴承的保持架结构形式车制实体保持架塑料保持架冲压浪型保持架洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计256、保持架设计冲压浪型保持架1.保持架的兜窝深度K取保持架球窝半径的最大值，板宽系数取0.45，考虑到生产保持架连续套材和系列生产因素，允许取为0.42～0.452.为了降低轴承的振动与噪声，国际先进轴承公司为减小保持架窜动，采用锥度过盈铆钉，减少两片半保持架间的错位3.本优化设计选用了铆钉与铆钉孔间的配合为过渡配合，铆钉头带锥度，便于装配。有条件的公司可以采用过盈铆钉装配洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计266、保持架设计车制黄铜保持架的一种新结构洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计276、保持架设计旧结构新结构设计要求兜孔的表面粗糙度及等分精度有要求，但要求不高，两半保持架不同，不可互换兜孔的形状、表面粗糙度及等分精度要求较高，对设备和操作工要求高，两半保持架完全相同，可互换性能比较润滑性能不好，摩擦和温升高，振动噪声小润滑性能好，摩擦和温升低，振动噪声小，使用寿命长，可靠性高加工制造采用径向钻削的方法，成本低廉专用的球型铣刀，从端面切入铣削而成，成本较高车制黄铜保持架两种结构对比洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计28五、密封轴承设计密封对轴承寿命的影响：普通密封型深沟球轴承的寿命是对应开放型深沟球轴承在相同条件下寿命的三倍以上所以密封型深沟球轴承应用相当广泛密封系统两个基本作用：一是保持润滑剂二是防止杂质进入轴承内部和润滑剂内密封作用必须在相对运动表面（通常是轴或轴承内圈与轴承座）之间实现。密封不仅要适应旋转运动，而且要考虑由跳动、游隙、偏斜、变形引起的偏心。密封件的结构选择取决于润滑剂的类型，另外还要考虑必须加以排除的夹杂物的数量和性质，其最终选择取决于转速、摩擦、磨损、工作条件、便于更换、经济性等因素。洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计29密封轴承设计的原则是：保证在基础轴承上，安装上密封圈或防尘盖后，其密封空间为最大这受很多因素制约，主要有三个：1.外圈密封槽止口最小厚度，一般取0.5mm2.外圈密封槽底处套圈最小壁厚，不小于[0.09（D-d）-1]3.保持架与密封圈内径唇部最小距离不小于0.3mm1、密封轴承设计的原则洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计302、外圈密封槽与密封圈外径唇部设计(1)密封轴承外圈唇部结构洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计312、外圈密封槽与密封圈外径唇部设计(2)a为日本NTN、NSK公司和美国G·B·C公司等广泛采用。国内很多厂家也曾采用此结构，其基本特点:是密封圈采用轴向定位，侧向压缩的定位配合方法，具有在密封槽尺寸精度较高的前提下，装配容易。缺点:是密封槽尺寸精度较低时密封圈装不上或配合过松，容易造成密封圈在槽中打滑甚至出现外圈漏脂的情况。本次优化设计采用的结构b特点：密封圈采用径向定位，轴向引导，径向和侧向联合压缩定位的配合方法，具有对密封槽精度要求低，定位配合可靠的优点。洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计322、外圈密封槽与密封圈外径唇部设计(3)本次优化设计采用的是第二种结构其基本特点是：密封圈采用径向定位，轴向引导，径向和侧向联合压缩定位的配合方法，具有对密封槽精度要求低，定位配合可靠的优点。缺点是装配压力较大。为了克服这个缺点，在密封圈外径唇部开一个减压槽，其半径为R，这样装配压力与国际典型结构相当。外圈压缩量由压缩量参数确定，一般为径向过盈0.08～0.16mm，在此压缩量下，即保证外圈不漏脂，又能保证较小的装配压力。外圈压坡角θ为45º，若θ过大，为保证最小止口宽度b则会造成密封槽向滚道侧移动，减小了密封空间，装防尘盖时，有可能造成径向分力过大，使外圈外涨；若θ过小，在装防尘盖时有可能引起轴向分力过大，使密封槽崩口。洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计333、内圈挡边与密封圈内径唇部设计(1)非接触式密封轴承内径唇部的典型结构洛阳轴研科技股份有限公司2020/2/6优化设计343、内圈挡边与密封圈内径唇部设计(2)a结构为日本NTN、NSK等公司所采用。这种密封采用动压密封原理，轴承运转时具有良好的防外界杂质进入、防润滑脂泄漏效果，轴承停止运转时，则形成静压曲路密封，密封效果良好。但，对密封槽要求高，对密封槽轴向公差，轴承轴向游隙较敏感b为国内部分厂家曾普遍采用的结构，它也形成动压密封，但动压效果会使外界杂质进入轴承，密封间隙短，效果差c是优化设计采用的结构，其优点是：避开