深沟球轴承及其应用的制作方法

1.本发明涉及一种深沟球轴承，尤其是在电机中使用的深沟球轴承。


背景技术：

2.深沟球轴承在设计上一般采用尽可能大的滚动体(俗称“钢球”)，这是因为材料的疲劳寿命与其承受的负荷应力呈现负相关的关系。在相同负载的条件下，滚动体的直径越大，滚动体与滚道之间的接触面积就越大，两者之间的接触应力(压强)就越小，材料的疲劳寿命就越长。以疲劳寿命为标准是本领域的传统设计理念。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供一种深沟球轴承，包含内圈、外圈和设置在内、外圈之间的多个滚动体。所述滚动体的直径dw≤0.5h1，直至0.35h1以下。其中，h1为轴承在厚度意义上的径向尺寸，在数值上等于轴承外径与内径之间差值的一半。
4.尽管传统涉及理念以疲劳寿命为标准，然而，轴承的实际寿命往往还取决于更多方面的其他因素。以高速电机应用为例，深沟球轴承主要处于中、轻载荷和中、高转速的运转常态，承受的负荷应力远未达到材料的强度极限。在这种情况下，以应力最小化为前提的设计理念会造成轴承的承载能力冗余度过大，但在诸如刚性、稳定性、转速、发热、振动噪音等其他方面的性能则往往无法满足需要。实际上，这些其他方面的因素在更多的情况下是造成系统故障或者轴承失效的主要原因。
5.以刚性为例，一方面，滚动体尺寸的最大化压缩了轴承内、外圈的径向厚度，导致单薄的壁厚刚性不足；另一方面，受轴承几何尺寸的限制，在装配工艺中能够装入轴承中的尺寸较大的滚动体的数量要少于尺寸较小的滚动体的数量，导致滚动体之间的圆周间距增大，难以实现对轴承圈的密集支撑。上述两方面的因素均可能导致轴承的刚性(尤其是轴向刚度)不足，进而造成以下典型问题。
6.刚性不足会加剧滚动体与轴承滾道的接触负荷所引起的轴承圈的动态变形，以致增加内圈与转轴之间以及外圈与轴承座之间发生蠕变的风险，进而引起配合表面(轴承内圈内径面和转轴的外径面以及轴承外圈外径面和轴承座内孔面)之间的磨损增加。一方面，磨损碎屑会对轴承的密封和润滑构成严重的威胁，是造成轴承提前失效的重要原因；另一方面，蠕变易造成部件之间的配合松弛和应力失调，导致外圈和轴承座之间产生相对滑动，容易引发系统性故障。
7.通过采用数量充足但尺寸较小的滚动体，深沟球轴承能够获得加强的轴向和径向刚性，不仅有利于减少轴承配合面的蠕变和磨损，避免轴承的早期失效，而且提升设备的旋转精度，避免由于轴承刚性不足所引发的振动、噪音等问题，充分满足旋转设备对轴承性能的全面需求。
8.在上述结构的基础上，所述轴承外圈在对应外圈滾道最深位置处的径向厚度(即外圈的最小厚度)h2≥0.25h1，直至0.28h1以上。其中，h1为轴承在厚度意义上的径向尺寸，
在数值上等于轴承外径与内径之间差值的一半。
9.由于转轴与轴承内圈之间一般处于紧配合，故能够在足够程度上“补偿”轴承内圈的刚性不足。因此，增大外圈的径向厚度能够在更显著意义上增强轴承的刚性，减少滚动体与外圈滚道之间接触负荷所引起的轴承外圈和轴承座的动态变形，进一步减少配合面发生蠕变和磨损的风险。
10.以下结合附图详细描述本发明的各种具体实施方式和有益技术效果。
附图说明
11.图1为本发明所述深沟球轴承的截面示意图。
具体实施方式
12.在以下描述中，表示方向的用语，例如“轴向”、“径向”以及“圆周方向”，除非另有说明或限定，均指轴承或其保持架的轴向、径向和圆周方向。
13.图1为本发明所述深沟球轴承的截面示意图。在图示的实施方式中，轴承10包含内圈1、外圈2、设置在内、外圈之间的多个滚动体3、以及约束滚动体3保持规定圆周间隔的保持架4。其中，滚动体3可以由金属材料(例如，轴承钢)或者陶瓷材料(例如，氮化硅)制成。陶瓷材料由于具有耐热性、耐腐蚀性、电绝缘性、非磁性等诸多方面的优点，在制成滚动体以后能够防止轴承在电机磁场内发生磁化和电蚀现象，因此在电机应用中具有独特的优势。
14.如图1所示，轴承10具有在厚度意义的径向尺寸h1，在数值上等于轴承外径d与内径d之间差值的一半，即h1＝(d-d)/2。为提高轴承的刚性，本发明设计采用尺寸较小的滚动体，使滚动体的直径dw不超过h1的50％，即dw≤0.5h1。在进一步的优选实施方式下，滚动体的直径可视需要被设定为dw≤0.45h1，dw≤0.4h1，直至dw≤0.35h1。更小尺寸的滚动体允许滚道之间滚动体的分布密度进一步提高，从而在增强轴承刚性支撑的同时，也为提升轴承圈的结构强度预留了空间，如后详细描述。
15.有必要指出，小尺寸滚动体还有利于提高轴承的转速。一方面，由于有游隙的存在，深沟球轴承在工作状态下实际形成角接触球轴承。在轴承的旋转过程中，离心力会促使滚动体与内、外圈滚道之间的接触角不一致，由此产生的陀螺扭矩会引起滚动体围绕其与滾道接触面的法线发生自旋转运动，这种自旋转运动是导致摩擦发热的重要原因。滚动体的自旋转角速度与滚动角速度的比值被称为“旋滚比”。旋滚比越大，滑动摩擦越剧烈，摩擦生热就越多。小尺寸滚动体受离心力的作用较小，导致其自旋转效应较弱，旋滚比也较低，由此引发的摩擦生热效应也比大尺寸滚动体要轻，因此特别有利于轴承的高速运行。另一方面，小尺寸滚动体还为人们采用加强结构的保持架让渡出了内部空间。众所周知，保持架的结构强度会限制轴承转速的提升。轴承内部空间的增大有利于人们采用设计合理和结构坚实的保持架，从而能够提升保持架适应轴承速度的上限。
16.在小尺寸滚动体的基础上，本发明在设计上还可以采用大尺寸壁厚的轴承外圈。鉴于外圈的刚性主要取决于其最单薄位置处的壁厚，本发明以外圈2在外圈滾道5最深处的径向厚度h2作为描述外圈厚度的尺寸基准(以下简称“外圈的最小厚度”)。在本发明中，外圈的最小厚度h2≥0.25h1；在进一步的优选实施方式下，外圈的最小厚度h2≥0.27h1；在更进一步的优选实施方式下，外圈的最小厚度h2≥0.28h1。
17.由于转轴与轴承内圈一般处于紧配合，在装配以后会对内圈的刚性具有“补偿”作用，因此外圈厚度在提高轴承刚性方面所起的作用比内圈更为显著，能够显著降低滚动体与外圈滚道之间接触负荷所引起的轴承座的动态变形。
18.众所周知，受几何尺寸的限制，轴承的节圆直径和滚动体的大小决定了能够填入轴承内、外圈滾道之间的滚动体的数量上限。因此，在相同节圆直径的条件下，滚动体的尺寸越小，能够填入轴承中的滚动体的数量就越多，轴承的刚性就越大。与此同时，更多的滚动体数量能够在相当程度上缓解滚动体因尺寸下降而与滚道之间的接触应力(压强)的增加，从而确保材料的疲劳寿命不会成为限制轴承寿命的瓶颈。
19.为确保轴承的寿命和刚性，本发明所述的深沟球轴承在设计上采用数量充足的小尺寸滚动体。以电动车中电机轴承的经典应用为例，轴承寿命被要求至少应在25-30万公里车程以上，而且轴承还被要求具有更高的刚性。根据分析和试验，在滚动体直径dw＝0.35h1的情况下，当滚动体的数量满足以下经验关系式(1)时，不仅轴承寿命能够满足上述里程要求，而且轴向刚度还相对于常规滚动体的直径和数量情况下提升约15％：
[0020][0021]
其中，z为滚动体的数量，dw为滚动体的直径，de为外圈滾道的直径。
[0022]
作为进一步的优选实施方式，在滚动体直径dw＝0.35h1的情况下，当滚动体数量满足以下经验关系式(2)时，不仅轴承寿命能够满足上述里程要求，而且轴向刚度还相对于常规滚动体的直径和数量情况下提升约40％：
[0023][0024]
在承载负荷不变的情况下，滚动体数量的增加会减小单个滚动体与轴承滾道之间的接触负荷，进而减小该接触负荷所引起的轴承圈的动态变形，从而大大降低轴承外圈和轴承座内孔之间发生蠕变和磨损的风险。
[0025]
本发明从深沟球轴承的电机应用出发，一反以疲劳寿命为标准的传统设计理念，代之以是以均衡全面的性能追求，通过采用相对较小尺寸的滚动体、更多数量的滚动体和相对较厚的外圈结构，构造出一种能够满足绝大多数电机应用领域需求的轴承方案。在大幅度提升轴承刚性(包含轴向刚度和径向刚度)的基础上，小尺寸滚动体还降低了自旋转效应以及由此引发的热效应，而且为采用更强结构的保持架从而提升轴承转速上限预留了空间。
[0026]
本发明充分满足了电机应用对深沟球轴承的全面需要，纠正了业内片面追求疲劳寿命并据此设计轴承结构的技术偏见，为电机应用重新构建出全面均衡的轴承指标，广泛适用于包括电动车在内的各种电机的转子支撑和扭矩输出，充分满足电机领域绝大多数应用场合的性能需求。
[0027]
本领域的技术人员应当理解，以上描述的深沟球轴承及其应用不受具体实施方式的限制，更具一般性的技术方案将以随附权利要求书的限定为准。针对本发明的任何变更
和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。