滚动轴承设计现状及发展
滚动轴承设计现状及发展
◎
张驰
（作者单位：瓦房店金海轴承制造有限公司）
前言
滚动轴承是机器中主要的机械零件，可以说有转动的地方就需要有轴承，并起着支撑轴类零件的作用。滚
动轴承主要分为标准轴承与非标准轴承，就标准轴承而言，滚动轴承类型繁多，某一类型的轴承对于不同尺寸，其轴承牌号又多种多样，在设计时主要参考轴承手册和企业样本，而非标准轴承主要根据客户的需求，进行设计，其设计原则更是难有一个统一的标准。我国设计出来的轴承相对于国外的轴承，无论在设计理念及方法工具上都有一定的差距。所以针对于轴承的设计我们应该探索新的方法及手段，来提高我们国家轴承设计水平。
一、滚动轴承设计方法
在确定滚动轴承设计参数时，滚动轴承主要是由滚动轴承内径d，外径D，宽度B 所形成的系列产品。而其参数也主要是在满足这三大尺寸基础上，根据功能及所设计的机构所确定的。当d×D×B 给定后，轴承内圈厚度h、外圈厚度H 和滚动体直径Dw 就被限制在这个尺寸空间之内。一般有h+H+Dw=（D-d ）/2。而h、H、Dw 和滚动个数Z 就确定了轴承的强度，（D-d ）就构成了轴承的强度空间。根据轴承强度理论，除了轴承材料和制造精度外，轴承的强度只与滚动体直径Dw、个数Z、滚动体节圆直径Dpw 和轴承接触角α等因素有关，而且Dw、Z 越大，轴承强度越高。但Dw 增大无疑会减小轴承内、外圈滚道壁厚。由强度条件允许的内、外套圈最小壁厚所确定的最大尺寸空间就是确定轴承各部分尺寸，并获得最大承载能力的方法。当d×D×B 给定后，强度条件所允许的最小滚道壁厚就确定了极限强度空间。而在这极限强度空间内所涉及到的强度的计算，主要是基于弹性接触力学中的赫兹理论发展出来的滚动轴承强度校核公式。
由此，我们可以看出对于滚动轴承设计，其理论基础主要是弹性力学中的赫兹理论，赫兹理论数学推导复杂，涉及很多高等数学和偏微分方程的内容，这对于国内大部分轴承企业的工程师而言，并不好掌握，而在此基础上再进行滚动轴承设计参数的优化，以由最低的成本达到最优的设计效果就更加困难，所以可以看出由此所确定的标准滚动轴承样本中的参数或
非标准滚动轴承的设计参数并不是一件容易的事。
由我国轴承发展的地域可以看出，滚动轴承的发展主要在哈尔滨，瓦房店，洛阳这三个地区。就瓦房店轴承地区的发展来看，大部分轴承的设计主要在体积大，尺寸大，重量大这几方面来体现轴承设计的核心竞争力，而对于滚动轴承的原始研发，结构改进，寿命，载荷的提高上，考虑不足。所以对于滚动轴承的设计方法，应该在总结赫兹原理的基础上，出专门针对于滚动轴承的失效，磨损，塑性变形等损坏规律的滚动轴承力学模型，也要摒弃由于工程师只重视轴承的使用，而仅仅计算滚动轴承尺寸与经验相结合的滚动轴承优化设计方法。
二、滚动轴承设计工具
对于大部分轴承企业而言，基本已经实现了轴承设计时的“甩图版”工程，可以应用AUTOCAD 或CAXA 进行滚动轴承的绘图及出图。但由于滚动轴承的种类繁多，那么在设计轴承时，仅仅依靠计算机辅助软件实现绘图功能，这对于滚动轴承设计时效率的提高，及设计参数的及时调整，计算的准确性可靠性直
观性都有一定的限制。
而随着电子计算机的发展，计算机辅助设计功能不断扩大，特别是机械领域中三维绘图工具的大范围使用，及基于有限元的力学及数学软件建模及数据分析功能的不断加强。对于轴承的设计，也应该应用这些计算机辅助软件进行参数的优化，二维三维的图形自动生成，以及力学强度和滚动轴承寿命的计算。
目前洛阳轴承研究所对于滚动轴承的计算机辅助设计，已经有了一定的成果，洛阳轴承研究所已经开发出专门针对滚动轴承设计的AUTOCAD 二次开发软件，可以实现各种类型滚动轴承的设计参数的自动校核与演算，并自动生成设计图纸。这对于滚动轴承的自动计算与自动绘图起到了很大的推动作用。不过此产品的美中不足就是，在滚动轴承的力学分析上没有进行更加深入的建模与分析。而国外对于滚动轴承内的运动状态，内圈，外圈，滚动体，保持架所应承受的应力都能用数据表进行直观的分析，以及对于滚动轴承运动时的形态也都可以进行仿真模拟，这
对于滚动轴承的原始研发以及安装调试
都起着积极的作用。
所以，在滚动轴承的设计工具上，我们可以依靠更多的三维设计软件进行滚动轴承的辅助设计，如更高版本的AUTO-CAD 软件，专门针对三维实体进行仿真的PRO-E 软件，以及进行力学分析的ANSYS 软件等进行滚动轴承的力学仿真分析，以及运动形式的分析。
三、滚动轴承设计人才建设及区域特点目前我国滚动轴承生产企业及科研院所，主要集中在哈尔滨，瓦房店，洛阳这三个轴承产业的发源地，而专门轴承设计人才的培养单位还并不是很多。国内仅有少数高校有轴承设计专业，而企业中的研发中心也主要依靠原始的设计资料进行修修补补，或者材料工艺设备进行改进，很少有轴承设计上的原始研发的投入。以瓦房店地区为例，在瓦房店近500家的中小轴承制造企业中，很少有自己的科研研发团队，大多数轴承设计人才都是由瓦房店轴承集团中的退休职工，下岗职工或其他机械厂的工艺人员中来，其理论基础不深，对于新技术，新工具的应用也不了解，所以在轴承设计时主要依靠轴承设计手册，及其他企业的样本进行滚动轴承尺寸参数的设计。没有产品的创新，使企业在国内国际的竞争中很难建立自己的核心竞争力。
所以针对此特点，应该加大对轴承设计专门人才的培养，在高校中开设轴承设计专业，系统学习轴承设计的课程，并鼓励年轻人，特别是学习轴承设计的大学生从事轴承设计的工作，如轴承软件的开发，轴承理论的探讨。并鼓励从事轴承事业的人员工程师多交流，如轴承学会的学习，轴承展会中新产品的研究，以及国外轴承手册和轴承企业样本的获取，使轴承企业建立自己的原始研发团队，以此来不断的提高自己的核心竞争力，并促进国家轴承行业的发展。
四、结论综上，在滚动轴承产业发展相对较好的区域，高校应该针对滚动轴承建立专门的专业及课程，企业应该建立自己的原始研发团队，以提高企业自身的创新水平及国家轴承发展的核心竞争力，在滚动轴承的设计理论上应在原有赫兹理论基础上进行创新，并且在新的机械设计软件基础上，进行滚动轴承
二维三维的设计与仿真
滚动轴承的特点及力学分析。
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