深沟球轴承优化讲义设计3
低噪声深沟球轴承的优化设计
作 者简 介 ： 素 然 ， ， 阳轴研 科技 股 份有 限公 司产 品 蔡 女 洛
开发 部工程师 。
（ —ｄ）≤ Ｄ
≤ 一 （ —ｄ Ｄ ）
式 中 Ｄ —— 轴 承外 径
钢 球 接 触 点
．
因星形 套 与 驱 动 轴 是 花键 联 接 ， 花 键 轴 ｄ 设 ， 为 ２ ｌ， 有 ２ ６ ｎ只 ｍ ｈ＞ｄ ， 能保 证 星 形套 的强 度 。 才
而 且 ， 小 外 圈 挡 边 高 ， 加 了允 许 填 球 角 ， 小 减 增 减 了装球 变形 力 ， 利 于轴 承 的装 配 。 有
，， Ｊｍｍ ｌ ８
～
尺 寸 系 列 ｌ ９ （） １０ （ ） ０２
３ 浪 型 保 持 架 的设 计
保持 架 的结 构 、 工 精 度 及 表 面 质 量 对 轴 承 加 的振 动 、 声及 异 常 声 的 产 生 有 着 不 可 忽 视 的 影 噪
有 关 问 题进 行 论 述 。
收 稿 日期 ：０ １ １．ｒ ２ ０ ． １Ｏ ７
性 ， 大 多数 型 号 的 中、 型轴 承 的 主参 数 保持 不 绝 小 变 。少数 型号 的轴 承 由 于 考 虑 到 密 封 结 构 、 封 密 静 空 间等 因 素 ， 其 主参 数 进 行 了调 整 。 对 特 殊 对 要 求 的轴 承 ， 主参 数 还 可 以另行 设 计 。 １２ 微 型轴 承 ． 微 型 轴承 主参 数 约 束条 件 为 ： （ ） 球直 径 １钢
图 ５
维普资讯
蔡 索 然 ： 噪 声 深 沟 球 轴 承 的优 化 设 计 低
—
—
钢 球 直 径 约 束 条 件 系 数 ， 值 范 围 取
深沟球轴承优化设计-曲老师
深沟球轴承优化设计一、定义：深沟球轴承优化设计，是指在给定的轴承外形尺寸的条件下，寻求合理的轴承内部结构尺寸，使轴承的承载能力、性能都达到最佳。
（这是理想目标）承载能力以其额定动负荷C r 最大来衡量。
此时接触疲劳寿命最大。
不尽合理，轴承的工况不同，对性能要求也不一样，不一定非要接触疲劳寿命最长。
例：家用电器用轴承，载荷小→疲劳寿命很长一般以噪声寿命，又如：卡车轮毂轴承。
以抗断裂为主要指标……主参数：Z ，D w ，D wp 决定了C r 的大小，称它们为主参数2/3 1.8m o w w r 2/3 1.4m o w w b f Z D D 25.4mm C 3.647b f Z D D >25.4mm⎧≤⎪=⎨⎪⎩ 式中 b m 为材料系数f o 载荷系数，它与D w /D wp 值有关 此两值有标准可查。
为了使C r 最大，就是要选择一组合适的主参数，在满足一定外形尺寸的条件下，实现C r 最大。
这使是一个有约束的优化问题。
洛阳轴研所1989年完成“深沟球轴承优化统一图册”包含111种型号深沟轴承主参数值。
二 我国轴承套圈结构及结构参数设计改进 1． 外圈带游隙设计 原来零游隙设计：D e =d i +2D w选取合套率低的后果。
由于外内沟直径及钢球直径都有公差，加之轴承游隙为正值几微米～几十微米，很少能达到此值，合套后50%以上游隙不合格。
就是说，套圈内、外沟严格按设计图尺寸加工，却生产不出合格游隙的产品。
困扰轴承行业30多年。
优化设计采用外圈带游隙设计min maxe i w D d 2D 2μμ+=++（游隙平均值，min 、max 为上下限）合套率达95%以上。
2． 内外沟道不等曲率设计（而是等 设计） a 沟曲率半径:⎭⎬⎫•=•=w e e w i i D f R D f R等曲率:即f i =f e =0.515缺点：内圈接触点压力大（内圈接触区小，压力大）内圈易先损坏，轴承寿命低。
深沟球轴承优化设计-精选文档88页
6、保持架设计
车制黄铜保持架的一种新结构
6、保持架设计
车制黄铜保持架两种结构对比
设计要求
旧结构
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
新结构
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
2、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）：
2 ( 1)1(Cos) 0 Si n8Cos(Si2n1)Dwp
4
Pmin 2R3[ S iE n C w D (p 1 o C s o (S )si2 n1)] 4
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。
1、密封轴承设计的原则
日本KOYO司 Kdi=0.34～0.37 Kde=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，Kde<Kdi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
6、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
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
深沟球轴承设计范文
深沟球轴承设计范文深沟球轴承是一种常见的滚动轴承，主要用于支撑轴与轴承座之间的相对运动。
它由内外圈、滚动体、保持架和密封圈等组成。
深沟球轴承具有负荷能力大、转速高和使用寿命长等特点，广泛应用于机械设备、汽车和电气工程等领域。
以下将对深沟球轴承的设计进行详细介绍。
首先是载荷能力。
深沟球轴承的最重要任务是承受来自各个方向的载荷。
因此，在设计时需要评估承受的径向和轴向载荷，并确定合理的内外圈直径和滚动体数量，以满足预期的载荷要求。
其次是转速限制。
深沟球轴承的转速限制是指轴承在高速旋转时可能出现的问题，如润滑不足、温度升高等。
设计师需要考虑使用适当的润滑方式、合理的轴承材料和结构，以确保轴承在规定的转速下运行平稳。
摩擦和热量产生是深沟球轴承设计的另一个重要方面。
摩擦会导致能量损失和热量产生，因此需要在设计中减小摩擦阻力。
一种常见的方式是使用优质的滚动体和异常高硬度的滚道表面。
尺寸的设计需要考虑到安装和使用的便捷性。
轴承的尺寸应与设备的设计相匹配，确保其可靠性和使用寿命。
此外，还需要考虑安装和拆卸轴承时的便捷性，以减少维护和维修的时间和成本。
材料的选择对于轴承的使用寿命和性能有着重要的影响。
常用的轴承材料包括钢、陶瓷和塑料等。
设计师需要根据预期的工作条件和要求来选择合适的材料。
例如，在高温环境下，可以选择适用于高温的材料，以确保轴承的正常工作。
在深沟球轴承的设计过程中，还需要考虑到其他一些因素，例如密封和润滑等。
密封可以防止油脂泄漏和灰尘进入轴承，并提供额外的保护。
润滑可以减小摩擦，并在运行过程中保持轴承的稳定性和寿命。
总之，深沟球轴承的设计是一个复杂而重要的过程。
设计师需要考虑各种因素，如载荷能力、转速限制、摩擦和热量产生、尺寸和材料等，以确保轴承的性能和寿命。
在设计中，合理选择材料、确定适当的尺寸和结构，以及实施适当的润滑和密封措施都是十分关键的。
只有在综合考虑了所有这些因素之后，才能设计出满足要求的深沟球轴承。
深沟球轴承优化设计
10
形成网格点
*
优化设计
11
判断点是否符合条件 判断点是否符合条件
*
优化设计
12
求最大值及对应点
*
优化设计
13
四、结构及结构参数设计
1、滚动轴承几何学
右图为深沟球轴承简图 其中:
*
优化设计
14
2、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。
很容易造成接触椭圆截断现象，从而使轴承过早失效
*
优化设计
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5、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0.3～0.4 6200、6300、6400系列0.4左右
日本KOYO司
Kdi=0.34～0.37 Kde=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，Kde<Kdi时
*
优化设计
4
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
*
优化设计
5
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：
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。
深沟球轴承设计手册
深沟球轴承设计手册
1. 深沟球轴承的结构和工作原理，介绍深沟球轴承的结构组成、工作原理和适用范围，帮助用户了解轴承的基本原理。
2. 轴承选型，根据使用条件和要求，提供轴承的选型指南，包
括尺寸、承载能力、转速等参数的计算方法和选择原则。
3. 设计和安装，包括轴承座的设计原则、安装方法、轴承预紧
和润滑等内容，确保轴承在安装过程中能够正确运转。
4. 维护和保养，介绍轴承的维护周期、润滑方法、轴承的故障
诊断和处理方法，延长轴承的使用寿命。
5. 技术数据和图表，提供轴承的技术参数、尺寸图纸、额定载
荷等数据，方便用户在设计和使用过程中进行参考。
设计手册的编写通常由轴承制造商或相关行业协会完成，内容
丰富、权威性强。
用户可以通过阅读设计手册，了解深沟球轴承的
基本知识和使用要求，提高轴承的使用效率和安全性。
设计手册也
为轴承的设计师、工程师和维护人员提供了重要的参考依据，有助于他们更好地进行轴承的设计、选择和维护工作。
轴承优化设计方案的手册
2、深沟球轴承：
C ( 1 o 8 2 g ) s 0 4 ( 1 D K w d ) D 0 p . w 5 G 2 G • 1 r ( r D w 0 . 5 G ( ) D w 4 1 0 r p . 5 K G d ) D 2 w 0 r . 5 G 2 r
主讲:李尚勇
洛阳轴研科技股份有限公司产品开发部
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
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
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
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：
ai≤xi≤bi , I=1,…,n
网格法简介(2)：
三、深沟球轴承优化设计
优化设计的目标函数 深沟球轴承的承载能力是以其额定动载荷Cr来衡量。
C r bm fcZ2/D 3w 1.8
D w25.4mm
主要参数约束条件
主参数: Z，Dw，Dwp
约束条件有三个: K W (m D d in D ) W K i W (m D d a) x 1 8 2 S 0 1 ( iD W nD W i m ) P Z a( jx 1 ) max 0.5(D+d)≤DWP≤0.515(D+d)
深沟球轴承设计方法
深沟球轴承设计方法1外形尺寸轴承的基本尺寸d、D、B按GB/T 273.3的规定装配倒角r1、r2按GB/T 274的规定2主参数的设计方法2.1 钢球直径Dw Dw=Kw（D-d）取值精度0.001为保证钢球不超出端面，要考虑轴承宽度B。
Kw取值见表1表1 Kw值2.1.1 常见钢球直径可查GB/T 3082.1.2 计算出Dw后，应从中选取最接近计算值的标准钢球值，优先选非英制。
2.2 钢球中心圆直径P P=0.5（D+d）取值精度0.012.3 球数z式中ψ为填球角，计算时按表2取值表2 ψ值2.4额定载荷的计算2.5最后确定Dw、P、z的原则2.5.1满足额定载荷的要求。
2.5.2应最大限度的通用化和标准化，对基本尺寸相同或相近的承应尽可能采用相同的球径、球数。
2.5.3保证保持架不超出端面，对D≤200mm的1、2、3系列轴承要考虑安防尘盖与密封圈的位置。
优化设计时轴承兜孔顶点至端面的距离ab应满足如下要求：D≥52～120 ，a b≥2 ； D≤50 ，a b≥1.5D＞125～200，a b≥2.5。
2.5.4填球角ψ的合理性。
大批生产并需自动装球的轴承ψ角宜取186°左右，为了使z获得整数并控制ψ角，允许钢球中心径适当加大至最大不得大于P+0.03P。
2.6 实取填球角ψψ=2（z-1）sin-1 （Dw/P）实取填球角ψ下限不得小于180°，上限应满足下列要求：8、9、1系列ψ≤195° 2系列ψ≤194°3系列ψ≤193° 4系列ψ≤192°3套圈设计3.1 内沟曲率半径R i Ri≈0.515Dw3.2 外沟曲率半径R e Re≈0.525DwRi、Re取值精度0.01，允差见表3表3 Ri和Re公差（上偏差）3.3 内滚道直径d i di=P-Dw3.4 外滚道直径D e De=P+Dwdi和De取值精度0.001，允差见表43表4 di和De公差（±）3.5 沟位置a a=a i=a e=B/2 a取值精度0.1，允差见表5表5 a的公差（±）3.6 外圈挡边直径D2 D2=De-Kd*Dw3.7 内圈挡边直径d2 d2=di+Kd*DwD2、d2取值精度0.1，允差取IT11级。
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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。
14.02.2021
优化设计
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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 满足约束
f(x), x∈En
gi(x)≥0, j=1,…,m. 变量的取值范围为
ai≤xi≤bi , I=1,…,n
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网格法简介(2)：
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三、深沟球轴承优化设计
优化设计的目标函数 深沟球轴承的承载能力是以其额定动载荷Cr来衡量。
深沟球轴承优化设计3
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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
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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 此会出设现计装的配所分有球规时格外，圈都产满生足残ψ余〈变ψs形的的条情件况，就是说，不
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2、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：
C ( 1o 8 2 g s ) 0 4 ( 1 D K w d ) D 0 p . w 5 G 2 G • r 1 r ( D w 0 .5 G ( ) D w 4 1 r 0 p .5 K G d ) D 2 w r 0 .5 G 2 r
Cr bm fcZ2/D 3w 1.8
D w25.4mm
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主要参数约束条件
主参数: Z，Dw，Dwp
约束条件有三个:
K W (m D d i n D )W K iW (m D d ax ) 1 8 2 S 0 1 ( iD n W D W i m ) P a Z ( jx 1 ) max 0.5(D+d)≤DWP≤0.515(D+d)
低于SKF
与SKF相当
高于SKF
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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。
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形成网格点
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判断点是否符合条件 判断点是否符合条件
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求最大值及对应点
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四、结构及结构参数设计
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2、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）：
2 ( 1)1(Cos) 0 Si n8Cos•(Si2n1)•Dwp
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Pmin 2R3[ S iE n C w D (p 1 o C s• o (S )si2 n1)] 4
• 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
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深沟球轴承优化设计的特点：
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2、深沟球轴承填球角研究
一般情况下，设计填球角ψ应满足：
g• s min
ψs，此个时别，情在况外下圈，未当变ψ形g〈之ψs前时将，有允一许个ψ大钢于球ψ不g但能不进超入过滚 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
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：
规格型号 数量
占总规格 比例
优化设计Cr SKF Cr
水平比较
111 100% 1.022 高于SKF
13
60
38
11.7%
54.1%
34.2%
ห้องสมุดไป่ตู้
0.90～0.98 0.99～1.01 1.02～1.17
1、滚动轴承几何学
右图为深沟球轴承简图 其中:
Dwp12di de
GrDedi 2Dw
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2、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
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当径向游隙Gr=0时，上式可简化为：
Co(1s80g)(1K)d•Dw
2
Dwp
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2、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：
s 180K•P Y•Dwp
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， mm Y --截面形心距挡边距离，mm
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。
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二、优化设计方法