CN101140011A - 用于旋翼式飞机的串联叠置的角面接触轴承 - Google Patents

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Abstract

一种串联的角面接触滚珠轴承组(30a，30b，…)，每个所述滚珠轴承具有内环(32)、外环(34)和位于内环和外环之间的滚珠(24)，其中所述每个轴承包括由嵌块式滚珠分隔件(10)彼此间隔开的滚珠。一种旋翼式飞机转子头组件(50)，包括：转子头元件(52)，多个围绕所述头元件的中心等间隔地连接到头元件(52)上的心轴(56)，以及安装在每个心轴(56)上的一叠滚珠轴承(40)。每个轴承具有内环(32)、外环(34)和多个位于内环和外环之间的滚珠(24)、以及位于相邻滚珠之间的嵌块式滚珠分隔件(10)，并且滚珠轴承上具有安装轴环(58)。

Description

用于旋翼式飞机的串联叠置的角面接触轴承
技术领域
本发明涉及一种滚殊轴承，并特别涉及一种旋翼式飞机中的滚珠轴承。
背景技术
旋翼式飞机，例如直升飞机，为滚珠轴承的使用，特别是在它们的转子系统中的使用提供了独特的环境。例如，转子叶片安装件中的轴承必须特别设计以便在直升飞机独特的负载类型和速度条件下提供可靠的运行。其他类型机械中轴承的使用情况与旋翼式飞机特别是直升飞机的轴承不同。由于这一原因，本领域技术人员并不认为在其他类型机械中有效的轴承设计能够适合于直升飞机旋转斜盘、转子叶片安装件等。
常规的旋翼式飞机轴承的一个例子是在直升飞机的尾部转子叶片安装件中，例如Sikorsky CH53A/D直升飞机。Sikorsky CH53A/D直升飞机中的叶片安装件包括一个5轴承叠置的滚珠轴承。在该组中的每个轴承的公制尺寸为：70毫米(mm)的孔，110mm的外径(OD)和18mm的宽度，并且具有20毫米(mm)的截面宽[(110-70mm)/2]，这相当于通常装有1/2英寸滚珠的一个基本的114滚珠轴承的大小。在该轴承中，使用一体的端部开放(一个开放的环形段)的模制尼龙保持架来分隔滚珠。为了获得最小的保持架完整性或强度，以便改进保持架的模制过程，并且便于将保持架组件装入轴承中，轴承环和滚珠必须在两个方面进行折衷。第一，必须使用15/32英寸的轴承滚珠尺寸代替1/2英寸的滚珠尺寸，如上面提及的，后者名义上使用于该尺寸的轴承。第二，外环面必须大倒角以适应保持架的装入。该倒角当前尺寸为由最大53°到最大110°，这增加了人们对于外环强度的不利后果的担忧，所述外环在使用中承受很大的推力载荷。
基于前述内容，本发明的一个基本的目标是提供一种在现有技术轴承的基础上改进的用于尾部转子组件的轴承。
发明内容
本发明一方面在于角面接触滚珠轴承的串联组，所述滚珠轴承具有内环、外环以及它们之间的滚珠，其中每个轴承包括彼此由嵌块式滚珠分隔件间隔开的滚珠。
本发明另一方面在于一种旋翼式飞机的转子头组件，该转子头组件包括具有中心的转子头元件、多个围绕所述头元件的中心等间隔连接在头元件上的心轴，以及安装在每个心轴上的一叠滚珠轴承。每个轴承具有内环、外环和多个位于内环和外环之间的滚珠、以及位于相邻滚珠之间的嵌块式滚珠分隔件，并且在滚珠轴承上有安装环。
附图说明
图1是嵌块式滚珠分隔件的一个实施例的透视图；
图2是图1的嵌块式滚珠分隔件的剖面图；
图3是由图1的嵌块式滚珠分隔件间隔开的两个滚珠的局部剖面图；
图4是用于本文所述旋翼系统中的滚珠轴承的示意性局部剖面图；
图5A是图4的轴承的外环的局部剖面图；
图5B是图4的轴承的内环的局部剖面图；
图6是如本文所述的用于尾部转子安装件中的滚珠轴承叠的局部剖面图；
图7是尾部转子头组件的分解透视图，该尾部转子头组件包括根据本发明所示实施例描述的轴承叠；以及
图8是包括图4的轴承的旋转斜盘组件的示意性、局部剖开、局部省略的视图。
具体实施方式
通过提供包括位于轴承的滚珠之间的嵌块式滚珠分隔件而不是轴承保持架的滚珠轴承，本发明提供一种转子叶片安装件轴承的改进结构。结果，在满足与现有技术保持架式滚珠轴承相同的设计要求的同时，滚珠轴承可以采用更大的滚珠，并且避免了任一轴承座圈需要倒角。此外，所得到的轴承具有极大地提高的动载荷额定值和疲劳寿命。
图1和图2中显示了用于本发明的嵌块式滚珠分隔件的一个实施例。嵌块式滚珠分隔件10具有围绕中心轴线A的基本为环状的结构、两端部和穿过端部的通道。嵌块式滚珠分隔件10还具有外径为do的基本为圆柱形的外表面12、轴向端面14和16、以及从端面14、16朝向具有内径di的基本为圆柱状的内表面22会聚的锥形倒角面18和20。倒角面18和20符合约75°到约120°的锥度角C，例如约90°。内表面22从倒角面18的窄端向倒角面20的窄端延伸距离Wi。
外表面12可具有特定的形状，从而使得其直径在端面之间有一个最大值；例如，外表面12可相对于与轴线A相平行的切线to成约为3°的角β。因此，表面12从轴线A的直径do从切点开始朝各端面移动减小，所述切点最好是两端面间的中点。类似地，内表面22可具有特定的形状，以相对于与轴线A相平行的切线b1成约为3°的角γ。因此，从轴线A测量的内表面22的直径di从切点开始朝各端面逐渐增加，所述切点最好是两端面间的中点。由角度形成的特定形状的表面使得将嵌块式滚珠分隔件10从制造它的模具中取出变得方便。
嵌块式滚珠分隔件10具有从端面14到端面16测量的轴向长度Wf。在一个特定的实施例中，嵌块式滚珠分隔件10设计为基本围绕径向中心线CL对称。
嵌块式滚珠分隔件10可由合成聚合材料制成，如轴承级PEEK(聚醚醚酮)或其他材料，如PTFE(聚四氟乙烯)(例如TEFLON)，聚酰亚胺(如杜邦公司的VESPEL)等。在特定的实施例中，所述材料符合1999年7月1日修订的美国军用标准。优选地，所述材料符合汽车工程师学会(SAE)于1960年1月15日出版并于1993年7月1日修订的航空材料规范AMS 3656E，或于1966年3月出版并于1994年2月修订的AMS3660C。
通常，嵌块式滚珠分隔件10用于两个尺寸相仿的滚珠之间，所述滚珠的尺寸设定为接合所述圆锥形倒角面18和20。如图3中所示，每个滚珠24的直径d(球状)大于嵌块式滚珠分隔件10的外径do。在所示出的实施例中，直径do与滚珠直径d(球状)之比约为0.85∶1。此外，嵌块式滚珠分隔件10设置成在滚珠之间提供分隔，该间隔等于滚珠直径的约3.2％到约64％，可选择为约3.2％到约9.6％，或者在特定的例子中，滚珠直径的约6％。因此，在特定的实施例中，与嵌块式滚珠分隔件10接触但由其分隔开的滚珠的中心到中心的距离d(csc)约为滚珠直径的1.06倍。
包括嵌块式滚珠分隔件的滚珠轴承30显示在图4的局部示意性视图中，该图显示了位于内圈32和外圈34之间、并且由嵌块式滚珠分隔件10相互分隔的滚珠24。如上面所指出的，由于使用了嵌块式滚珠分隔件10，滚珠轴承30在现有技术的用于相同的旋翼式飞机的保持环式滚珠轴承基础上提供了非常大的改进，因为它允许使用更大的滚珠。例如，公制尺寸70mm孔径、110mm-OD(外径)和18mm宽的、在滚珠之间具有嵌块式滚珠分隔件的轴承可采用12.7mm(1/2in.)直径的滚珠，而作为对比的、包括用于滚珠的尼龙间隔保持架的轴承采用11.9mm(15/32in.)直径的滚珠。此外，座圈(环)比现有技术的轴承更为坚固，因为不再需要对任一座圈倒角以容纳保持架。与保持架式轴承相比，嵌块式滚珠分隔件在轴承30转动的过程中，以对于滚珠24的拖-拉动作(lead-and-lag)最小的阻力绕转和流动。在不影响轴承特征，如接触角、节径和轴承中滚珠数量的情况下就可获得这些优点。
轴承30的外环34以剖面的方式显示在图5A中。外环34围绕中心轴线(未示出)成环状。外环34具有限定轴承30外径的环状外表面34a、前表面34b和后表面34c，这两个表面都是环形的并且垂直于中心轴线。外环34的内表面限定了内滚道34d。外环34的内表面还包括环形的导入面34e，该导入面34e基本平行于中心轴线，并且位于内滚道34d和前表面34b之间。还具有基本平行于中心轴线并且位于内滚道34d和后表面34c之间的环形台肩面34f。与作为对比的采用滚珠保持架的轴承相比，在内滚道34d和前表面34b之间没有倒角面。导入面34e符合相对于中心轴线的约1°到约3°的圆锥导入角(并且朝内滚道34d会聚)，以便在内环32置于外环34中时允许滚珠嵌入轴承滚道中，但这并不是如在滚珠装入轴承之后为了适应保持架的插入所需的倒角。
轴承30的内环32以剖面的方式显示在图5B中。内环32围绕中心轴线(未示出)成环状。内环32具有限定轴承30外径的环状内表面32a、前表面32b和后表面32c，这两个表面者都是环形的并且垂直于中心轴线。内环32的外表面限定了外滚道32d。内环32的外表面还包括环形的导入面32e，该导入面32e位于外滚道32d和前表面32b之间。还具有基本平行于中心轴线并且位于外滚道32d和后表面32c之间的环形台肩面32f。
从图5A和5B中很容易地看出轴承30是角面接触轴承，由于滚道在环上的不对称布置，该轴承能够承受平行于轴承中心轴线方向上的载荷。
根据耐磨轴承制造商协会(Anti-Friction Bearing ManufacturerAssociation)，公司标准号9-1990中建立的公式，嵌块式滚珠分隔件的使用使得相对于具有滚珠尼龙保特架的轴承，动态额定负载增加了约14.5％，并且轴承疲劳寿命提高了约50％。
在另一个实施例中，本发明用于转子安装件的轴承中。例如，图6提供了用于Sikorsky CH53A/D直升飞机的旋翼式飞机尾部转子头组件中的轴承叠的剖面图。四个尾部转子组件的转子叶片中的每一个在连接到转子头部的各心轴上安装一个轴承叠。如本文所描述，包括5个匹配的滚珠轴承30a-30e的轴承叠40都采用相同尺寸的滚珠24。这些滚珠24由嵌块式滚珠分隔件10间隔，并且布置在内座圈32和外座圈34之间。轴承叠40是尾部转子头组件的一个子部件，其允许叶片响应于方向舵控制输入而转动。用于环的制造商材料规范是AMS6440或AMS6441；用于滚珠的规范是AMS6440或SAE51100。在一项评估中，本文描述的PEEK或PTFE嵌块式滚珠分隔件在轴承中的使用使得相对于尼龙保持架的使用，轴承的动态额定负载提高约14％，并且疲劳寿命提高约50％。
在图7中所示的示例性使用环境中，轴承叠40包括用于Sikorsky CH53A/D飞机的尾部转子头组件50的部分。组件50包括头元件52，该头元件52具有中心52a，并且围绕中心52a以相等的间隔(例如，90°)带有多个(例如四个)叶片安装组件54。每个叶片安装组件54包括心轴56，轴承叠例如轴承叠40安装在所述心轴56上。每个叶片安装组件54还包括固定到轴承叠例如轴承叠40上的安装轴环58。该安装轴环58因此可在叶片安装组件54中转动，并且适于在其上安装尾部转子叶片。尾部转子叶片因此可围绕心轴56转动。
带有替代尼龙保持架的嵌块式滚珠分隔件的滚珠轴承还可被用于旋翼式飞机旋转斜盘上。如在现有技术中已知的，旋转斜盘大体包括安装在支柱上的静止盘和安装在支柱上的与静止盘并置的旋转盘。在静止盘和转动盘之间有止推轴承以方便转动盘的转动。所述止推轴承包括内座圈和外座圈以及多个位于内座圈和外座圈之间的滚珠。在现有技术中，所述滚珠由保持架来保持定位。与本发明一致，在滚珠之间，轴承包括嵌决式滚珠分隔件。因此，图4的轴承30在图8中看作是旋转斜盘组件的止推轴承部分。旋转斜盘组件35包括静止的内旋转斜盘元件36和旋转的外旋转斜盘元件38。轴承30的内座圈32与静止的旋转斜盘元件36接触，并且外座圈34与旋转的外旋转斜盘元件38接触。在内座圈32和外座圈34之间，轴承30包括多个被嵌块10分隔的滚珠24。根据耐磨轴承制造商协会(Anti-Friction Bearing Manufacturer Association)，公司标准号9-1990中建立的公式，嵌块式滚珠分隔件的使用使得相对于具有滚珠尼龙保持架的轴承，动态额定负载提高约14.5％，并且轴承疲劳寿命提高约50％。
除非另有说明，本文公开的所有范围包括且可以组合端点值以及在端点和所有的中间点处。“第一”、“第二”等用语在本文中不表示顺序、数量或重要性，而仅用于将一个部件与其他部件区分开。用语“一个”在本文中不表示数量上的限定，而仅用于表示至少一个提及物项的存在。除非另有说明，所有用“约”修饰的数字都包含该精确数值。
尽管已经参考其特定实施例描述了本发明，然而本领域技术人员应当可以理解，在阅读和理解前述公开内容的基础上，所公开实施例的许多变型和替代方式都将落入本发明和其所附权利要求的精神和范围内。

Claims (17)

1.一种串联的角面接触滚珠轴承组(30a，30b，...)，每个所述滚珠轴承具有内环(32)、外环(34)和位于内环和外环之间的滚珠(24)，其特征在于，所述每个轴承包括由嵌块式滚珠分隔件(10)彼此间隔开的滚珠。
2.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，每个滚珠轴承包括内环(32)和外环(34)，并且其中外环不具有表面倒角。
3.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，与嵌块式滚珠分隔件接触的尺寸类似的两个滚珠(24)之间的滚珠到滚珠的间隔等于其中一个滚珠直径的约3.2～约64％。
4.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，一个或多个嵌块式滚珠分隔件(10)在每个端部具有倒角表面(18，20)，所述倒角表面符合约75°到约120°的锥角。
5.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，一个或多个嵌块式滚珠分隔件(10)具有环状结构，该环状结构限定穿过其中的通道，所述通道具有两个端部，并且所述嵌块式滚珠分隔件(10)还具有成锥形以在每个端部形成最大内径并在端部之间形成最小内径的内腔。
6.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，与嵌块式滚珠分隔件接触的尺寸相似的两个滚珠之间的滚珠到滚珠的间隔约等于其中一个滚珠直径的约3.2～约9.6％。
7.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，嵌块式滚珠分隔件包括符合美国军用标准MIL-P-46183的合成聚合材料。
8.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，所述合成聚合材料是PEEK、PTFE或聚酰亚胺。
9.如权利要求1所述的轴承组，其特征在于，每个所述轴承都具有70mm内径和110mm外径，并且其中每个轴承包括一组21个滚珠。
10.如权利要求9所述的轴承组，其特征在于，所述轴承组包括5个滚珠轴承。
11.一种用在旋翼式飞机转子头组件(50)中的如权利要求1所述的轴承组，所述转子头组件(50)包括：
具有中心的转子头元件(52)；
多个等间隔地围绕所述头元件的中心连接到头元件(52)上的心轴(56)；其中，一叠滚珠轴承(40)安装在每个心轴上；以及
位于滚珠轴承上的安装轴承(58)。
12.如权利要求11所述的组件，其特征在于，每个滚珠轴承具有70mm内径、110mm外径和18mm宽度，并且包括由嵌块式滚珠分隔件彼此间隔开的滚珠，每个所述滚珠具有1/2英寸的直径。
13.如权利要求11所述的组件，其特征在于，每个轴承包括一组21个滚珠。
14.如权利要求11所述的组件，其特征在于，每个滚珠轴承包括内环和外环，并且其中外环不具有表面倒角。
15.如权利要求11所述的组件，还包括安装在滚珠轴承叠上的转子。
16.如权利要求11所述的组件，其特征在于，嵌块式滚珠分隔件包括符合美国军用标准MIL-P-46183的合成聚合材料。
17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，所述合成聚合材料是PEEK、PTFE或聚酰亚胺。
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