[发明专利]一种滚动球轴承的结构设计方法

说明书

本发明提出一种滚动球轴承的结构设计方法，确定滚动轴承设计目标函数，将轴承的额定动载荷作为目标函数，确定最优轴承结构下获得最大的额定动载荷，根据轴承结构尺寸边界条件，轴承制造与装配结构尺寸边界条件，轴承套圈接触载荷边界条件，最后基于遗传算法的轴承结构优化设计，获得基于轴承结构、装配和服役载荷综合设计的几何结构数据。本发明耗时短，可与试验方法相结合，可以指导试验，节约试验成本，基于数值分析方法，具有效率高、成本低、实用性强等优点。

技术领域

本发明属于机械设计制造的技术领域，尤其涉及一种滚动球轴承的结构设计方法。

背景技术

滚动球轴承寿命通常采用考虑使用荷载、信息条件、材料等因素的寿命评估方程来预测。通常，滚动球轴承根据设计工况载荷计算轴承结构，根据该结构校核轴承承载能力和寿命，以期满足轴承的预期承载能力和寿命。这种设计思路忽视了轴承装配和服役载荷对轴承结构的约束作用，很难获得最优的轴承结构。通常轴承公司进行反复装配加载实验来优化轴承结构，这种方法周期长、耗时耗力，经济性差。为此，将轴承的结构、装配和服役载荷结合考虑，提出了一种滚动球轴承结构-装配-服役一体设计方法是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚动球轴承的结构设计方法，基于数值分析方法，具有效率高、成本低、实用性强等优点，同时该方法耗时短，可与试验方法相结合，可以指导试验，节约试验成本。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种滚动球轴承的结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)确定滚动球轴承设计目标函数：

对于给定服役寿命的滚动球轴承，其寿命L计算方程如下：

式中，C表示额定动载荷，F表示服役载荷，对于球轴承a＝3，对于滚子轴承a＝10/3，

将轴承的额定动载荷作为目标函数，确定最优轴承结构下获得最大的额定动载荷，滚动球轴承最大额定动载荷计算方程如下：

式中，f_c是与轴承零件几何形状、制造精度及材料有关的系数，Z是轴承滚动体个数，f_o是外滚道沟曲率半径系数，r_o是外滚道曲率半径，D_b是轴承滚动体直径，D_m是轴承节圆直径，α是接触角；f_i是内滚道沟曲率半径系数，r_i是内滚道曲率半径；

S2)轴承结构尺寸边界条件：

滚动体直径受到轴承内外滚道和轴承壁厚的约束，其方程表达式如下：

式中，和分别是用以确定轴承滚动体最大直径和最小直径的未知常数，根据轴承设计手册获得取值范围，D是轴承外径，d是轴承内径，

为了保证轴承运动灵敏性，轴承的节圆直径D_m与平均直径的差应满足设计要求许可，其表达式如下：

g₄(x)＝＝D_m-(0.5-e)(D+d)≥0

g₅(x)＝(0.5+e)(D+d)-D_m≥0，式中，e是轴承运动灵敏系数，D_m是轴承节圆直径，

轴承内圈常比外圈承受较大的载荷，所以内圈壁厚应大于外圈壁厚，其表达式如下：

式中，d_i表示内滚道直径，do表示外滚道直径，