具有S型弹性密封盖的阻尼轴承设计方法与流程

本发明涉及一种具有s型弹性密封盖的阻尼轴承设计方法。

背景技术：

1、在汽车尾门抬升系统中，为防止尾门自重快速下落或电机驱动过快引发撞击，传统方案采用电机组合普通轴承并搭配独立旋转阻尼器的分体式结构，存在零件数量多、组装工序复杂、系统总成本偏高等问题。为实现降本，业界尝试将阻尼功能集成于轴承内部，现有技术普遍采用橡胶密封圈与轴承套圈接触摩擦产生阻尼效应，但该技术路径存在三重固有缺陷，严重制约其在高精度、长寿命工况下的应用：第一，阻尼力矩量级受限。橡胶密封圈的摩擦阻尼力矩受材料硬度与接触几何形态约束，阻尼增量通常难以突破0.3nm，无法满足高稳定性系统的阻尼需求；第二，阻尼特性长效稳定性差。橡胶材料长期经受相对滑动摩擦会产生渐进式磨损，导致接触预紧力持续衰减，阻尼力矩随服役时间逐步下降，无法维持精密系统对阻尼参数一致性的要求；第三，易引发轴承早期失效。摩擦焦耳热与环境氧化的协同作用会加速橡胶热氧老化，使材料硬化脆化并产生硬质磨屑，磨屑进入轴承润滑介质后引发三体磨损，损伤滚动体与滚道表面，最终导致轴承性能退化与早期失效。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有s型弹性密封盖的阻尼轴承设计方法，通过分步式结构参数设计、密封件选型优化、阻尼力矩数学建模校核、精密装配工艺限定，实现轴承阻尼力矩定量调控，还可以降低生产成本，同时保证阻尼力矩长期稳定、无粘滑卡顿。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有s型弹性密封盖的阻尼轴承设计方法，所述阻尼轴承包括内圈和外圈，所述内圈边沿与外圈边沿之间设置有密封盖，所述内圈和外圈上分别设置有凸台，所述内圈凸台与外圈凸台之间配合有滚动体，所述设计方法包括以下步骤：

3、步骤1，轴承内圈两端面平槽设计，内圈边沿设置有第一平槽，所述第一平槽与内圈凸台的高度差为ξin，ξin的值设置为1~1.6mm，所述第一平槽的宽度尺寸设置为hin，hin的值设置为09.5~1.5mm，所述第一平槽底部与内圈凸台之间采用斜边进行过渡，斜边角度设置为3~5°；

4、步骤2，轴承外圈两端面平槽设计，外圈边沿设置有第二平槽，所述第二平槽与外圈圈凸台的高度差为ξout，ξout的值设置为1.3~2.2mm，所述第二平槽的宽度尺寸设置为hout，hout的值设置为09.5~1.5mm，所述第二平槽底部与外圈凸台边之间设置为直角；

5、步骤3，密封盖结构与材料参数设计，所述密封盖在水平上的投影呈环形设置，所述密封盖包括外缘、连接斜边以及内缘，所述外缘配合在第二平槽中，所述内缘配合在第一平槽中，所述外缘与连接斜边之间以及连接斜边与内缘之间分别通过沿阻尼轴承径向布置的直边连接，所述连接斜边倾斜设置，所述连接斜边与直边的夹角θ设置为30°~60°，所述密封盖纵截面剖视呈s型；

6、步骤4，密封盖装配精度设计；

7、步骤5，阻尼力矩数学建模计算，

8、5.1计算密封盖与内外圈平槽接触区域的总预压力，

9、内圈接触总预压力fn-in=2π×rin×p×bin；

10、外圈接触总预压力fn-out=2π×rout×p×bout；

11、式中rin为内圈接触区域半径，rout为外圈接触区域半径，p为接触界面均匀接触应力，bin为内圈接触宽度，bout为外圈接触宽度；

12、5.2计算内圈与外圈摩擦副的摩擦力矩；

13、内圈摩擦力矩min=fn-in×μ×rin；

14、外圈摩擦力矩mout=fn-out×μ×rout；

15、式中，μ为金属摩擦副的摩擦系数；

16、5.3计算单侧有效阻尼力矩，基于双摩擦副差动滑动机制，单侧有效阻尼力矩取内圈与外圈摩擦力矩的较小值，即meff=min（min，mout）；

17、5.4计算轴承总成总阻尼力矩，阻尼轴承轴向两端均设置阻尼结构，总阻尼力矩mtotal=2meff。

18、作为本发明的进一步设置，所述步骤3中密封盖材料选用65mn或者60si2mn弹簧钢。

19、作为本发明的进一步设置，所述步骤4中将第一平槽和第二平槽的表面粗糙度ra设置为0.4~0.8μm。

20、作为本发明的进一步设置，还包括步骤6参数迭代流程，所述参数迭代流程包括：

21、6.1根据工况需求确定目标总阻尼力矩；

22、6.2代入力矩计算模型反向求解所需接触应力、接触宽度与密封盖过盈量；

23、6.3将求解得到的参数与步骤1至步骤4的参数取值范围进行匹配，若参数超出推荐区间，则调整第一平槽、第二平槽高度差、密封盖截面夹角参数θ重新迭代；

24、6.4迭代完成后通过有限元仿真校核径向位移与摩擦扭矩稳定性，最终完成设计定型。

25、这样设置的有益效果是：这样设置，取消传统密封槽锁口结构、改为阶梯平槽，可大幅增加密封盖与内圈的有效接触面积，提升径向预压力的承载上限，为高阻尼力矩输出提供结构基础；同时平槽结构降低了密封盖压装的定位难度，提升装配合格率；将平槽与内圈凸台的高度差ξin限定在1~1.6mm区间，在保证内圈挡边结构强度、避免受径向预压力发生变形开裂的前提下，预留充足的密封盖容纳空间，确保密封盖压装后不超出内圈端面，不占用轴承外部安装空间；第一平槽设置在这个区间，可精准匹配密封盖内缘的轴向接触宽度，既保证足够的接触面积以形成稳定均匀的径向预压力，又不会过度挤占内圈滚道空间；采用3~5°过渡斜边连接平槽底部与内圈凸台，一方面可在密封盖压装时形成导向作用，避免密封盖内缘与挡边发生刚性干涉、刮伤接触面，降低装配难度；另一方面可消除平槽根部的直角应力集中，提升内圈结构的抗疲劳强度，避免长期交变载荷下槽体根部出现裂纹。将第二平槽与外圈凸台的高度差限定在这一区间，适配外圈壁厚的结构特点，保证槽体具备足够的刚性，承受密封盖径向预压力时不发生形变，维持接触应力长期稳定；第二平槽底部与外圈凸台采用直角过渡，可形成精准的轴向定位挡边，严格限制密封盖的轴向窜动，保证密封盖外缘的接触位置在长期运转中不发生偏移，避免阻尼力矩因接触面积变化产生波动；同时直角配合可提升密封盖外缘的周向定位精度，保证接触应力沿圆周方向均匀分布。将密封盖设置成纵截面s型的环形结构，可在径向过盈装配时通过连接斜边的弹性变形产生均匀的弹性恢复力，相比平直式密封盖，其变形更均匀、周向接触应力一致性更好；同时s型结构自带轴向弹性缓冲能力，可吸收轴承运转过程中的微小轴向窜动，始终维持径向预压力的稳定，避免阻尼力矩随轴向载荷发生波动，并且密封盖采用分段式截面结构，使弹性变形集中在连接斜边区域，而内外缘接触段保持刚性面接触，既保证了结构具备足够的弹性补偿能力，可抵消微量磨损带来的预压力衰减，又保证了接触面积稳定可控，阻尼力矩波动小，将连接斜边与直边的夹角θ限定在30°~60°区间，精准平衡了弹性臂的结构刚度与变形能力：角度过小则弹性臂刚度过大，过盈装配时易发生塑性变形，丧失弹性补偿能力；角度过大则弹性臂刚度过低，径向预压力不足且易发生疲劳断裂。该区间可在保证足够径向预压力的同时，使密封盖具备优异的抗疲劳性能，延长交变载荷下的服役寿命；选用65mn或60si2mn弹簧钢作为基材，摩擦系数温度稳定性强，在-40℃~120℃的车用工况范围内，阻尼力矩波动远小于橡胶材料，适配整车宽温域使用需求，无老化、蠕变问题，长期服役后弹性衰减量极小，阻尼力矩的长期一致性远优于橡胶阻尼结构，满足精密系统对阻尼参数的稳定性要求，金属摩擦副的静摩擦系数与动摩擦系数差值小，可彻底消除橡胶密封圈常见的粘滑现象，保证尾门启闭过程平顺无卡顿。进一步的将内外圈平槽接触面的粗糙度限定在该区间，可优化接触界面的摩擦学特性：若粗糙度过大，会加速接触面磨损，快速导致预压力衰减，且易产生磨屑；若粗糙度过小，接触面易发生粘着磨损，导致摩擦系数不稳定、力矩波动大。该参数区间可在保证摩擦系数稳定的同时，降低接触面的微动磨损速率，延长阻尼特性的稳定周期，同时避免磨屑污染轴承内部环境。在计算中，基于双摩擦副差动滑动机制建立的力矩模型，准确还原了轴承实际运转状态：内外圈两个摩擦副中，摩擦力矩较小的一侧发生相对滑动，力矩较大的一侧保持相对静止，模型物理逻辑与实际工况高度吻合，计算结果准确度高，可直接指导工程设计。通过预压力计算、单摩擦副力矩计算、单侧有效力矩计算、总成总力矩计算计算流程逻辑，参数物理意义清晰、对应关系明确，便于工程师根据目标阻尼力矩反向拆解各维度参数，彻底替代传统经验试错的设计模式，大幅缩短产品开发周期，基于轴承两端对称布置阻尼结构的力矩倍增设计，在不增加轴承轴向宽度、保持轴承紧凑外形的前提下，实现阻尼力矩翻倍，可稳定输出大于0.3nm的阻尼力矩，满足汽车尾门等高阻尼工况的使用需求，同时适配狭小的安装空间。最后以目标阻尼力矩为输入的反向迭代流程，实现了目标导向的精准设计：先根据工况需求确定总阻尼力矩，再反向求解所需的接触应力、接触宽度与密封盖过盈量，最后匹配结构尺寸区间完成参数选型，避免了盲目试错，大幅提升一次设计成功率，配套有限元仿真校核环节，可通过径向位移云图验证密封盖的最大变形量是否处于材料弹性范围内，避免设计过载导致塑性失效；通过摩擦扭矩曲线验证力矩的稳定性与波动量，提前预判产品长期服役性能，减少物理样机的试制与试验次数，进一步降低开发成本与周期。