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一种低摩擦轴承
申请号	CN202210728761.3	申请日	2022-06-24	公开(公告)号	CN115013443A	公开(公告)日	2022-09-06
申请人	重庆市新超力轴承有限公司;			发明人	邹亚霜; 何余洋;
摘要	本发明公开了一种低摩擦轴承，包括环套设置的内套圈和外套圈，二者之间形成旋转内部空间，在该旋转内部空间内设置有由钢球和保持架组成的滚动支撑组件，所述内套圈上的内沟道沟曲率半径系数为fi＝0.515～0.523，所述外套圈上的外沟道沟曲率半径系数为fe＝0.528～0.543；所述内套圈、外套圈和钢球均由GCr15钢材制成，且经热处理，所述内套圈的硬度为713～825HV，所述外套圈的硬度为60～65HRC，所述钢球的硬度为61～66HRC。本发明的有益效果：通过改进轴承结构设计参数、工艺等级和方法，降低了轴承无负荷时摩擦力矩，并有助于提高轴承使用寿命。
权利要求	1.一种低摩擦轴承，包括环套设置的内套圈和外套圈，二者之间形成旋转内部空间，在该旋转内部空间内设置有由钢球和保持架组成的滚动支撑组件，其特征在于：所述内套圈上的内沟道沟曲率半径系数为fi＝0.515～0.523，所述外套圈上的外沟道沟曲率半径系数为fe＝0.528～0.543；所述内套圈、外套圈和钢球均由GCr15钢材制成，且经热处理，所述内套圈的硬度为713～825HV，所述外套圈的硬度为60～65HRC，所述钢球的硬度为61～66HRC。 2.根据权利要求1所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述轴承的径向游隙为0.005～0.012mm。 3.根据权利要求1所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述保持架或由工程塑料制成，或由钢材制成，并经表面渗氮处理。 4.根据权利要求3所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述保持架的球兜呈椭圆型，所述球兜底部设有储油槽。 5.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述内沟道和外沟道与所述钢球为三点或四点接触。 6.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述内沟道和外沟道表面均具有拉丝纹，所述拉丝纹沿着所述内沟道和外沟道的圆周方向延伸；所述内沟道和外沟道的粗糙度均不超过0.05μm。 7.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述内套圈外径粗糙度不超过0.32μm，所述外套圈内径粗糙度不超过0.63μm。 8.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述钢球的尺寸精度为G10或更高精度级，振动加速度级为Z3。 9.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述轴承为闭式轴承，所述旋转内部空间的容积为V0，所述旋转内部空间内的润滑脂的填充量为V1，20％V010.根据权利要求1～4任意一项所述的一种低摩擦轴承，其特征在于：所述轴承为闭式轴承，采用单点接触式密封或非接触式密封。
说明书全文	一种低摩擦轴承技术领域 [0001] 本发明属于转动机械零件技术领域，具体涉及一种低摩擦轴承。背景技术 [0002] 轴承是机械转动结构最基本和重要的部件之一。轴承的内圈和外圈之间一般设置有由保持架、滚珠和润滑油脂组成的滚动支撑体系，用以降低摩擦和保持转动稳定性。轴承内部的摩擦是一种无益做工，然而不可消除。降低轴承摩擦力矩一直是行业发展的方向之一，特别是近年来新能源汽车、高精度仪器仪表对轴承摩擦性能的要求更高。低摩擦轴承一般是指摩擦力矩比一般轴承更小的轴承。轴承从摩擦力矩来源于四个部分，即滚动摩擦力矩、滑动摩擦力矩、密封件的摩擦力矩以及由于拖曳损伤、涡流和飞溅等导致的摩擦力矩。因此，必须从结构设计和加工工艺的角度，多方面降低轴承摩擦。发明内容 [0003] 有鉴于此，本发明提供一种低摩擦轴承。 [0004] 其技术方案如下： [0005] 一种低摩擦轴承，包括环套设置的内套圈和外套圈，二者之间形成旋转内部空间，在该旋转内部空间内设置有由钢球和保持架组成的滚动支撑组件，其关键在于： [0006] 所述内套圈上的内沟道沟曲率半径系数为fi＝0.515～0.523，所述外套圈上的外沟道沟曲率半径系数为fe＝0.528～0.543； [0007] 所述内套圈、外套圈和钢球均由GCr15钢材制成，且经热处理，所述内套圈的硬度为713～825HV，所述外套圈的硬度为60～65HRC，所述钢球的硬度为61～66HRC。 [0008] 作为优选，上述轴承的径向游隙为0.005～0.012mm。 [0009] 作为优选，上述保持架或由工程塑料制成，或由钢材制成，并经表面渗氮处理。 [0010] 作为优选，上述保持架的球兜呈椭圆型，所述球兜底部设有储油槽。 [0011] 作为优选，上述内沟道和外沟道与所述钢球为三点或四点接触。 [0012] 作为优选，上述内沟道和外沟道表面均具有拉丝纹，所述拉丝纹沿着所述内沟道和外沟道的圆周方向延伸； [0013] 所述内沟道和外沟道的粗糙度均不超过0.05μm。 [0014] 作为优选，上述内套圈外径粗糙度不超过0.32μm，所述外套圈内径粗糙度不超过0.63μm。 [0015] 作为优选，上述钢球的尺寸精度为G10或更高精度级，振动加速度级为Z3。 [0016] 作为优选，上述轴承为闭式轴承，所述旋转内部空间的容积为V0，所述旋转内部空间内的润滑脂的填充量为V1，20％V0 [0017] 作为优选，上述轴承为闭式轴承，采用单点接触式密封或非接触式密封。 [0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果：通过改进轴承结构设计参数、工艺等级和方法，降低了轴承无负荷时摩擦力矩，并有助于提高轴承使用寿命。具体实施方式 [0019] 以下结合实施例对本发明作进一步说明。 [0020] 一种低摩擦轴承，包括环套设置的内套圈和外套圈，二者之间形成旋转内部空间，在该旋转内部空间内设置有由钢球和保持架组成的滚动支撑组件，所述内套圈上的内沟道沟曲率半径系数为fi＝0.515～0.523，所述外套圈上的外沟道沟曲率半径系数为fe＝0.528～0.543； [0021] 所述内套圈、外套圈和钢球均由GCr15钢材制成，且经热处理，所述内套圈的硬度为713～825HV，所述外套圈的硬度为60～65HRC，所述钢球的硬度为61～66HRC。 [0022] 为进一步降低摩擦，所述轴承的径向游隙为0.005～0.012mm。 [0023] 为降低摩擦力，在能够满足使用工况要求时，保持架优先选用工程塑料制成。若保持架必须由钢材制成，保持架经表面渗氮处理，渗氮深度为0.005～0.012mm。渗氮处理有利于提高保持架表面耐磨性，同时氮化层便于形成油膜，能够加强润滑。 [0024] 在一种实施方式中，所述保持架的球兜呈椭圆型，所述球兜底部设有储油槽。保持架兜孔形状为椭圆形，可以减少保持架兜孔与钢球的接触面积，降低冲击力和旋转摩擦阻力，提高保持架使用寿命。储油槽槽口与钢球无直接接触，因此进一步减少了兜孔与钢球的接触面积，降低钢球旋转摩擦力。储油槽内容易储存润滑油或润滑脂，从而使球兜内的钢球与保持架之间更好地被润滑，降低摩擦力。 [0025] 沟道表面超精研工序使用拉丝工艺，使得所述内沟道和外沟道表面均具有拉丝纹，所述拉丝纹沿着所述内沟道和外沟道的圆周方向延伸。这种表面结构有利于轴承运转时沟道表面油膜形成和储存油膜，起到良好的润滑效果，降低轴承振动和噪音。 [0026] 所述内沟道和外沟道的粗糙度均不超过0.05μm。 [0027] 所述钢球的尺寸精度为G10或更高精度级，振动加速度级为Z3，以减小摩擦力。 [0028] 所述内套圈外径粗糙度不超过0.32μm，所述外套圈内径粗糙度不超过0.63μm。 [0029] 对于旋转精度要求高的工况，所述内沟道和外沟道与所述钢球为三点或四点接触。 [0030] 对于闭式轴承，润滑油和润滑脂的添加量也会影响轴承摩擦力矩。特别是以润滑脂作为润滑介质的轴承，按照相关国标及机械行业推荐标准，填脂量要求为轴承旋转内部空间的30％～50％。然而，本发明研究发现，减少填脂量能够减小轴承的启动力矩，同时也能满足使用要求，因此对于低摩擦轴承，记旋转内部空间的容积为V0，润滑脂的填充量为V1，20％V0 [0031] 对于闭式轴承，可以采用单点接触式密封，即密封圈的密封唇仅一个边缘与套圈的密封沟道接触。为进一步降低摩擦力，若无特殊要求，尽量采用非接触式密封，以尽可能将密封圈的摩擦力降至最低。 [0032] 以一种6202型轴承为例，采用上述结构设计和从制造工艺的角度进行改进后，制造的改进型TM6202轴承与普通6202轴承相比，如表1所示。 [0033] 表1普通6202与改进型轴承部分参数对比 [0034] [0035] 普通6202轴承的沟曲率系数为fe＝0.52，fi＝0.51，而TM6202轴承的沟曲率系数选取偏大系数，即Ri＝0.515，Re＝0.53，有助于减小接触面积，降低工作表面接触摩擦。根据工况设计优化，减小轴承旋转中心，增大钢球直径，减少钢球数量。钢球选用G10、Z3精度等级的进口SUJ2钢球。 [0036] 根据深沟球轴承承受单一径向载荷时来分析最大接触应力钢球的接触面积的变化，通过计算来分析轴承常规设计与低摩擦设计内圈接触面积的变化与沟曲率、钢球径及钢球中心径的关系，发现TM6202轴承的接触最大应力钢球的接触面积为0.9712‑2 0.9355mm ，较普通6202轴承的接触面积小0.0357mm，减小了3.68％。通过计算和测量发现，普通6202轴承初始无负荷启动摩擦力矩为M＝0.0020～0.0030mN·m，而TM6202轴承初始无负荷启动摩擦力矩降低到了M＝0.0012～0.0015mN·m。 [0037] 同时在加工精度方面，控制沟侧摆、沟道圆度、沟形误差等形位公差精度P5级，使得轴承的旋转精度提高。旋转精度的提高，特别是端跳，降低了轴承在负荷作用下的摩擦阻力。 [0038] 改进后的TM6202轴承，无负荷时摩擦力矩M0<0.002mN·m，满足设计要求。 [0039] 为实现内套圈、外套圈的硬度指标，改进尺寸稳定性，其可以采用如下的热处理工艺： [0040] 步骤一、将轴承套圈在1.3～2％的氮势条件下，于600～640℃的温度条件下保温5～7小时； [0041] 步骤二、再将所述轴承套圈升温至800～820℃，在0.8～1.5％的氮势条件、1.0～1.3的碳势条件下，保温3～5小时； [0042] 步骤三、保持氮势和碳势不变，将所述轴承套圈继续升温至840～860℃，保温20～30分钟； [0043] 步骤四、将所述轴承套圈于80～120℃淬火冷却，在快速淬火油中进行； [0044] 步骤五、清洁所述轴承套圈，冷却至室温后，再进行回火处理，回火处理温度为210～250℃，回火处理的时间为3～4小时，回火2～3次。 [0045] 处理后的套圈在160～200℃范围进行保温试验，并以常规一步氮碳共渗热处理后的套圈作为对照，发现在70h以内，经本发明的热处理方法处理后的套圈尺寸几乎没有变化，经140h保温试验后，套圈尺寸变化量在2μm以内；对照例的套圈在70h时尺寸变化平均为11μm，经140h保温试验后，套圈尺寸平均变化量达到27μm。由于本发明的轴承套圈尺寸稳定性更好，因此在使用过程中特别是高温状态下，尺寸变化小，避免轴承与安装孔或轴产生相对滑动，不会造成增加驱动力；减少轴承工作游隙变化，不造成负游隙，降低摩擦阻力。 [0046] 同时，本发明的轴承套圈进行热处理后，优化了套圈表面硬度和强度，在降低其摩擦系数的同时，也能提高磨损性能，其表面改性层以磨粒磨损为主，兼有粘着磨损。 [0047] 将本发明的经热处理后的轴承套圈组装成TM6202轴承以及普通6202轴承试样，按照国标方法进行轴承性能测试。试验结果发现，本发明的轴承试样，其轴承寿命远超同型号普通轴承，可靠性系数大于设计寿命的1.4倍。 [0048] 最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。