专利名称：改善滚动轴承运转性能的方法
技术领域：
本发明涉及一种降低振动和噪声的方法，具体涉及一种降低滚动轴承振动和噪 声的方法。
背景技术：
早在1950年，我国就开始建设轴承工业，经过半个世纪的发展，已经形成了比 较系统的生产与技术体系，成为排名于日本、美国和德国之后的世界轴承生产大国。
但是，与工业发达国家相比，我国的轴承工业仍然存在很大差距。早在1953 年，欧洲就已经开始研究滚动轴承的振动与噪声问题(杨晓蔚，国外低噪声轴承技术发 展，轴承，2002(4) 31-34)。日本已研发了静音及超静音轴承，而我国的轴承振动水平 通常要比日本产品高IOdB以上。而且，国外早已开始研究和应用“不可重复跳动”这 种精细的旋转精度指标，而我国在该方面的研究还是空白。
在各种衡量轴承质量的指标中，振动噪声是一项关键技术指标。例如在计算 机硬盘驱动系统中，由滚动轴承产生的非重复性振动是限制其性能提升的主要障碍之 一。众所周知，轴承制造过程形成的表面特征是引起振动噪声的主要因素之一，相应 地，轴承的波纹度和滚动体个数就成为决定振动噪声特性的两个重要基本参数。前人 研究了源于波纹度的振动力和振动频率问题。文献(Yhland，E.M.，1967，Waviness Measurement-An Instrument for QualityControl in Rolling Bearing Industry, Proe.IMechE, 182，Part 3K, pp.438_445)报道了波纹数的变化所产生的轴向和径向振动频率。文献 (Takayuki Miyagawa, Fujisawa-shi, etc.Rolling bearing, US Patent, 2003/0198415A1)给 出了波纹数与振动频率之间的关系，如表1所述。
表1波纹数与振动频率关系(Hz)
波纹部位波纹数振动频率径向轴向径向轴向内圈nz±lnznzfr^f.nzfr外圈nz±lnznzfenzfe滚动体2k2kInzf^feInzf0
表中η-正整数；ζ-滚动体个数；^-内圈转动频率；fe-保持架转动频率； fb_滚动体自转频率；& =
文献(Wardle，F.P.,and Poon, S.Y., 1983，Rolling Bearing Noise, Cause and Cure, Chart.Mech Engineering, July/Aug, pp.36-40)研究了滚动体个数与波纹数的关 系，认为当滚动体个数与波纹数相匹配时将产生严重的振动。文献(Wardle，F.P.， 1988, Vibration Forces Producedby Waviness of the Rolling Srufaces of Thrust Loaded Ball Bearing, Partl Theory, Proe.IMechE, 202，No.C5, pp.305-312)禾口(Wardle，F.P.,1988, Vibration Forces Produced by Waviness of theRolling Srufaces of Thrust Loaded Ball Bearing, Part2 Experimental Validation, Proe.IMechE, 202，No.C5, pp.313—319)还研 究了波纹数与激振力的关系。应当指出的是，尽管文献(Yhland，E.M.，1967，Waviness Measurement-An Instrument for Quality Control in Rolling BearingIndustry, Proe.IMechE, 182, Part 3K, pp.438—445)禾口(Takayuki Miyagawa，Fujisawa-shi, etc.Rolling bearing, US Patent, 2003/0198415A1)研究了波纹数与振动频率之间的关系，但没有给出波纹数 和滚动体个数等参数与振动形式及噪声特性之间的关系。文献(Wardle，F.P., andPoon, S.Y., 1983, Rolling Bearing Noise, Cause and Cure, Chart.Mech Engineering, July/ Aug, pp.36-40, Wardle, F.P., 1988, Vibration Forces Produced by Waviness of the Rolling Srufaces ofThrust Loaded Ball Bearing, Partl Theory, Proe.IMechE, 202, No.C5, pp.305-312, Wardle, F.P., 1988, Vibration Forces Produced by Waviness of the Rolling Srufaces of Thrust Loaded BallBearing, Part2 Experimental Validation, Proe.IMechE, 202，No.C5, pp.313-319)研究了滚动体个数、波纹数与激振力之间的关系，但还不能很 好地解释滚动轴承的振动特性。此外，文献(G.H.Jang，S.W.Jeong, NonlinearExcitation Model of Ball Bearing Waviness in a Rigid RotorSupported by Two or More Ball Bearings Considering Five Degrees of Freedom, Transactions ofthe ASME, 2002，124(1) 82-90)还 提出了一个非线性五自由度模型，并采用数值方法研究了轴承系统的振动问题，尤其是 由非线性因素引起的边频现象。文献(Shoji Noguchi，KyosukeOno, Reduction of NRRO in Ball Bearings for HDD Spindle Motors, Precision Engineering, 2004，28: 409-418)研究 了内外滚道、滚动体误差以及滚动体个数对非重复性跳动的影响，得到了许多有益的结 论，还分析了滚动体径向对称分布对轴承性能的影响。
综上所述，由于滚动轴承并非一般意义上的简单机械部件，它是一种包含了丰 富技术内涵的机械产品。在如何合理、简便地匹配波纹数与滚动体数目方面，仍然存在 以下技术难题
(1)现有文献仅给出了轴承波纹数或滚动体数与振动频率之间的关系，没有给出 上述参数与轴承的受力及振动噪声特性之间的关系，因而，还不能应用现有理论指导低 振动低噪声轴承设计；( 由于滚动轴承的应用领域不同，因此，不易给出具有一般性 指导意义的波纹数和滚动体数的选取原则，因此，现有技术仍然根据经验对两参数的匹 配进行辅助判断。发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可实现减振降噪且有助于提 高运转精度的改善滚动轴承运转性能的方法。
本发明的一种改善滚动轴承运转性能的方法，它包括以下步骤
(1)初选滚动轴承的基本参数包括确定滚动体个数和滚道波纹数，所述滚动 体个数不小于7，所述滚道波纹数不小于2，所述滚动体数与所述波纹数可以任意组合；
(2)根据下述步骤分析滚动轴承的整体受力及其整体振动效果，然后根据应用场 合的具体要求选取轴承定义相位调谐因子k。= mod(l。Nw/N》，式中k。为相位调谐因 子，1。为激励频率的谐波阶数，风为滚动体个数，NwS滚道波纹数，当滚道波纹数是滚动体个数的任意正整数倍时，若所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动；当滚道 波纹数与滚动体个数互质时，若所述相位调谐因子ko = 1或风-1，将激起平移振动，若 所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动，若所述相位调谐因子k。= 2，3，4，…， N-2,则系统处于受力平衡状态；当滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子为2，3， 4，…，N厂2时，若所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动，若k。= Q，Q+L··· N-Q,系统将处于受力平衡状态，式中Q为滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子。
采用本发明方法的有益效果是可实现在设计阶段预估滚动轴承的振动及噪声 特性，或者据此来指导轴承的动态特性优化设计。此外，轴承中心构件的不同振动模式 必将影响其噪声和运转精度，因此，可采用本方法实现轴承基本参数的合理匹配，进而 实现减振降噪并提高运转精度。
附图为滚动轴承的结构及受力示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例并参照附图，对本发明做进一步的说明
本发明的一种改善滚动轴承运转性能的方法，它包括以下步骤(1)初选滚动 轴承的基本参数包括确定滚动体个数和滚道波纹数，所述滚动体个数不小于7，所述 滚道波纹数不小于2，所述滚动体数与所述波纹数可以任意组合；( 根据下述步骤分析 滚动轴承的整体受力及其整体振动效果，然后根据应用场合的具体要求选取轴承定义 相位调谐因子k = m0d(l。Nw/N》，式中k。为相位调谐因子，1。为激励频率的谐波阶数， 风为滚动体个数，NwS滚道波纹数，当滚道波纹数是滚动体个数的任意正整数倍时，若 所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动；当滚道波纹数与滚动体个数互质时，若所 述相位调谐因子k。= 1或风-1，将激起平移振动，若所述相位调谐因子k。= 0，将激起 扭转振动，若所述相位调谐因子k。= 2，3，4，…，N-2,则系统处于受力平衡状态； 当滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子为2，3，4，…，风-2时，若所述相位调谐因 子k。= 0，将激起扭转振动，若k。= Q，Q+1…风_Q，系统将处于受力平衡状态，式中 Q为滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子。
优选的所述滚动体个数选自7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18， 19或20中的一个，所述滚道波纹数选自2，3，4，5，6，7，8，9，10，11或12中的一 个，并且所述滚动体个数与所述滚道波纹数互质。
下面结合附图以滚动轴承为例，揭示波纹数及滚动体数与轴承的动力学特性之 间的关系。附图中的巧丨和FJr分别为第i个滚动体与外圈接触力的切向及径向分力，！!^为 第i个滚动体与χ轴正向的机械位置角。
假定Nw为波纹数，Otl为保持架转速，则机械接触力的激励频率
COt = NwQ0(1)
假定第一滚动体位于χ轴正向，其机械位置角为零，若滚动体个数为Nr,则第 Ki =1，2，…，Nr)个滚动体与X轴正向的夹角
ψ0Ι = 2 π (i-l)/Nr (2)
当保持架旋转一周时，将完成一个激励周期，因此滚动体之间的相位差为
α r = 2 π Nw/Nr (3)
假定位于χ轴正向的第一滚动体的初相位为零，则由式⑵和式⑶可得第i个 滚动体的相位为
φ。1 = NwVoi (4)
则外圈沿χ方向的合力为
权利要求
1.一种改善滚动轴承运转性能的方法，其特征在于它包括以下步骤(1)初选滚动轴承的基本参数包括确定滚动体个数和滚道波纹数，所述滚动体个 数不小于7，所述滚道波纹数不小于2，所述滚动体数与所述波纹数可以任意组合；(2)根据下述步骤分析滚动轴承的整体受力及其整体振动效果，然后根据应用场合的 具体要求选取轴承定义相位调谐因子k。= mod(l。Nw/N》，式中k。为相位调谐因子，1。 为激励频率的谐波阶数，风为滚动体个数，NwS滚道波纹数，当滚道波纹数是滚动体个 数的任意正整数倍时，若所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动；当滚道波纹数与 滚动体个数互质时，若所述相位调谐因子ko = 1或风-1，将激起平移振动，若所述相位 调谐因子ko = 0，将激起扭转振动，若所述相位调谐因子k。= 2，3，4，…，N-2,则 系统处于受力平衡状态；当滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子为2，3，4，…，N-2 时，若所述相位调谐因子k。= 0，将激起扭转振动，若k。= Q，Q+1…风_Q，系统将处 于受力平衡状态，式中Q为滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子。
2.根据权利要求1所述的用于降低滚动轴承振动噪声及提高运转精度的方法，其特征 在于所述滚动体个数选自 7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19 或 20 中的一个，所述滚道波纹数选自2，3，4，5，6，7，8，9，10，11或12中的一个，并且 所述滚动体个数与所述滚道波纹数互质。
全文摘要
本发明公开了一种改善滚动轴承运转性能的方法，它包括以下步骤(1)初选滚动轴承的基本参数包括确定滚动体个数和滚道波纹数；(2)分析滚动轴承的整体受力及其整体振动效果，然后根据应用场合的具体要求选取轴承定义相位调谐因子ko＝mod(loNw/Nr)，式中ko为相位调谐因子，lo为激励频率的谐波阶数，Nr为滚动体个数，Nw为滚道波纹数，当滚道波纹数与滚动体个数互质时，若相位调谐因子ko＝2，3，4，…，Nr-2，则系统处于受力平衡状态；当滚道波纹数与滚动体个数的最大公因子为2，3，4，…，Nr-2时，若ko＝Q，Q+1…Nr-Q，系统将处于受力平衡状态。采用本方法可实现轴承基本参数的合理匹配，进而实现减振降噪并提高运转精度。
文档编号F16C33/58GK102022426SQ20101056286
公开日2011年4月20日 申请日期2010年11月26日 优先权日2010年11月26日
发明者刘建平, 王世宇, 王建, 陈东亮, 霍咪娜 申请人:天津大学