一种解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法及结构与流程

本发明属于机械设计领域，尤其涉及一种能够解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法。

背景技术：

在各类型航空发动机和燃气轮机应用中，齿轮传动系统是最主要的动力传输设备。齿轮传动系统内轴承作为旋转机械中的关键零件,影响着齿轮传动系统的动态性能、传动精度和使用寿命，关系到整个齿轮传动系统的性能发挥。

通常，齿轮传动系统中轴承外环4’与壳体2’(或轴承座)紧配合的形式固定，为齿轮轴1’等旋转部件提供支撑；通过轴承内环3’与齿轮轴1’紧配合的形式，实现齿轮轴1’的平稳传动，如图1所示。

由于轴承、齿轮轴1’和壳体2’(或轴承座)的材料、环境温度、转速和承受载荷的不同，尤其在高速(转速超过8000转/分)重载和温度范围宽(温差超度20℃)的工作状态下，轴承与齿轮轴1’、壳体2’(或轴承座)的配合关系由紧配合变为间隙配合，或由小间隙配合变为大间隙配合，如图2中所示的间隙5’。这种配合的变化将引起轴承的不定心现象，从而造成齿轮轴1’之间的相对位置改变，降低齿轮的啮合精度，造成齿轮、轴承的受力异常和齿轮系统的振动异常，使得轴承与齿轮、壳体2’之间配合面发生微动磨损。

因此，我们需要一种可以解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法，能够在高速重载和温度范围宽的工作状态下，轴承的装配位置依然保持稳定，保证齿轮的啮合精度，避免轴承与齿轮、壳体之间配合面发生微动磨损。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法及结构，用于解决轴承由于温差或高速产生的轴承不定心问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法，包括：

S1：计算轴承在使用工况条件下产生的热态工作间隙值；

S2：根据所述热态工作间隙值及使用工况限制选择紧固措施，所述紧固措施包括

1)在齿轮轴与轴承内环之间和/或在壳体与轴承外环之间在原始配合量的基础上增加热态工作间隙值，用于提高配合紧度；

2)在轴承内环与齿轮轴之间和/或在轴承外环与壳体之间安装固定结构；

2.1)若为上述步骤中的第2种紧固措施，则计算固定结构产生的摩擦力矩；

2.2)若所述摩擦力矩小于轴承所承受的径向载荷，则调整固定结构的相关参数，确保所述摩擦力矩大于或等于所述径向载荷。

进一步地，所述热态工作间隙值计算方法为

$I_i=I_{i0}+{\mathrm{\Δ}}_{CF}+{\mathrm{\Δ}}_T^S$

$I_o=I_{o0}+{\mathrm{\Δ}}_T^h$

式中：I_i——工作状态的齿轮轴与轴承内圈配合量；

I_i0——齿轮轴与轴承内圈的初始配合量；

I_o——工作状态的轴承外圈与轴承座配合量；

I_o0——轴承外圈与轴承座的初始配合量；

Δ_CF——齿轮轴与轴承内圈的配合变化量；

——温升效应引起的齿轮轴与轴承内圈的配合变化量；

——温升引起的轴承外圈配合变化量。

本发明还提供了一种解决因热态工作间隙产生轴承不定心的结构，包括内环固定结构和外环固定结构；

所述内环固定结构包括垫片和压紧螺母，所述垫片为型结构，垫片的一端置于轴承内环与齿轮轴之间，垫片的另一端置于压紧螺母的外侧，压紧螺母与齿轮轴端部的螺纹配合将所述垫片与轴承内环固定；

所述外环固定结构包括固定垫圈和固定螺栓，所述固定垫圈与轴承外圈呈一定角度固定，固定螺栓穿过所述固定垫圈与壳体固定。

进一步地，在所述垫片表面设有滚花，用于增大摩擦力。

进一步地，所述一定角度为90度。

进一步地，所述固定垫圈与轴承外圈为一体式结构。

本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法及结构可有效解决因热态工作间隙产生轴承不定心的问题，保证齿轮的啮合精度，避免轴承与齿轮、壳体之间配合面发生微动磨损现象，提高轴承的使用性能，延长轴承的使用寿命，降低维护成本。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术的齿轮传动系统的轴承安装形式示意图。

图2为现有技术的轴承与壳体、齿轮轴之间产生热态工作间隙的示意图。

图3为本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的结构形式示意图。

其中,1’-齿轮轴，2’-壳体，3’-轴承内环，4’-轴承外环，5’-间隙，31-垫片，32-压紧螺母，41-固定垫圈，42-固定螺栓。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法，包括：

S1：计算轴承在使用工况条件下产生的热态工作间隙值；

S2：根据热态工作间隙值及使用工况限制选择紧固措施，紧固措施包括

1)在齿轮轴与轴承内圈之间以及在轴承外圈与壳体之间在原始配合量的基础上增加热态工作间隙值，用于提高配合紧度，原始配合量是从手册上查询的公差值范围；

2)在轴承内环与齿轮轴之间以及在轴承外环与壳体之间安装固定结构；

使用工况限制指的是在有些空间不足的情况下，无法进行附加结构的设置，所以只能采用第1)种措施，即将热态工作间隙值增加到原始配合量中，对于空间较充裕而又要求径向载荷较大的情况下，则优先选用安装固定结构的方法；

2.1)若为第2)种紧固措施，则计算固定结构产生的摩擦力矩；

2.2)若摩擦力矩小于轴承所承受的径向载荷，则调整固定结构的相关参数，确保摩擦力矩大于或等于径向载荷。

为解决因热态工作间隙产生轴承不定心问题，首先需计算轴承在工况条件下产生的热态工作间隙值。因轴承一般使用时是轴承内圈3’随齿轮轴1’转动、轴承外圈4’固定在壳体2’，下面便以上述轴承为例进行阐述。

轴承内圈3’与齿轮轴1’工作状态配合的计算考虑了轴承温升、轴承转速对初始配合的影响，轴承外圈4’与壳体2’(或轴承座)工作状态配合的计算考虑了轴承温升对初始配合的影响，那么在工况条件下轴承产生的热态工作间隙值计算如下：

$I_i=I_{i0}+{\mathrm{\Δ}}_{CF}+{\mathrm{\Δ}}_T^S$

$I_o=I_{o0}+{\mathrm{\Δ}}_T^h$

式中：Ii——工作状态的齿轮轴与轴承内圈配合量；

I_i0——齿轮轴与轴承内圈的初始配合量；

I_o——工作状态的轴承外圈与轴承座配合量；

I_o0——轴承外圈与轴承座的初始配合量。

Δ_CF——齿轮轴与轴承内圈的配合变化量。

——温升效应引起的齿轮轴与轴承内圈的配合变化量；

——温升引起的轴承外圈配合变化量。

经过上述轴承产生的热态工作间隙值计算，轴承内、外环与齿轮轴1’、壳体2’之间配合为间隙时，则可以通过以下两种措施构解决热态工作间隙带来的轴承不定心影响：

(1)对轴承初始配合量的重新选择，增加齿轮轴1’与轴承内环3’的配合紧度，增加轴承外环4’与壳体2’(或轴承座)的配合紧度，例如，未考虑热态工作间隙值时选择的初始配合过盈量为0.1mm，当考虑轴承与齿轮轴1’之间因高速或高温工作时产生的热态工作间隙值0.01mm时，在首次安装时便选择过盈量为0.11mm的配合紧度对轴承与齿轮轴1’或轴承与壳体2’配合；

(2)对轴承的外环结构形式采用带安装边的形式，利用固定螺栓42、固定垫圈41(或使用的是螺柱加螺母代替固定螺栓42)加强轴承的固定，对固定螺栓42施加拧紧力矩，拧紧力矩的作用是产生摩擦阻力用于抵消轴承所承受的径向载荷，避免在径向载荷和间隙的作用下发生微动磨损故障；对轴承的内环则可采用压紧螺母32、垫片31的结构形式，利用对压紧螺母32的拧紧力矩产生的摩擦阻力保持轴承内环3’位置不发生微小变动。解决因热态工作间隙产生轴承不定心的结构形式见图3。

如图3所示，本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的结构，具体的包括内环固定结构和外环固定结构；内环固定结构包括垫片31和压紧螺母32，垫片31为型结构，垫片31的一端置于轴承内环3’与齿轮轴1’之间，垫片31的另一端置于压紧螺母32的外侧，压紧螺母32与齿轮轴1’端部的螺纹配合将垫片31与轴承内环3’固定；外环固定结构包括固定垫圈41和固定螺栓42，固定垫圈41与轴承外圈42呈一定角度固定，优选地，一定角度为90度，即两者相互垂直，固定螺栓42穿过固定垫圈41与壳体2’固定，优选地，固定垫圈41与轴承外圈4’为一体式结构，有助于结构更加稳固。

需要说明的是，在垫片31的表面设有滚花，可用于增大摩擦力。

依照上述解决措施第2种(即本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的结构)，还需计算该结构产生的摩擦阻力是否可以抵消轴承所承受的径向载荷，验证措施的有效性，并防止解决方法的过度应用造成的经济浪费，解决方法有效性的计算如下：

F₁＝μ₂·F

F₁≥F_i

式中：F——螺母拧紧力矩引起的预紧力；

μ₂——螺母与垫圈或锁片端面间的摩擦系数；

F₁——螺母与垫圈或锁片端面间的摩擦阻力；

F_i——轴承所承受的径向载荷。

若计算的摩擦力矩小于轴承所承受的径向载荷，则调整固定结构的相关参数，确保所述摩擦力矩大于或等于径向载荷。具体的，对于轴承内环3’与齿轮轴1’之间的内环固定结构可调节压紧螺母32的螺距、压紧螺母32与齿轮轴1’配合的齿形以及更换压紧螺母32的材料等措施来提高压紧螺母32的拧紧力矩；对于轴承外环4’与壳体2’之间的外环固定结构，同样可以调节固定螺栓42的螺距、齿形和材料等因素，除此之外，还可以在固定垫圈41与壳体2’相接触的表面上同样设置滚花来增大摩擦力。

本发明的解决因热态工作间隙产生轴承不定心的方法及结构可有效解决因热态工作间隙产生轴承不定心的问题，保证齿轮的啮合精度，避免轴承与齿轮、壳体之间配合面发生微动磨损现象，提高轴承的使用性能，延长轴承的使用寿命，降低维护成本。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。