CN101871487B - 滚子轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有新颖的润滑剂密封设计的轴承组件，在一个实施方式中，所述润滑剂密封设计结合了迷宫类密封和接触密封二者的密封优点。所改进的密封包括非旋转的密封骨架，所述非旋转的密封骨架与转动件以紧密间隔关系配合工作以形成通道。所述转动件连接于轴杆并随所述轴杆一起转动，由此引起所述通道内的流动。通过由所述迷宫类密封的迂回通道所形成的蜿蜒流体路径以及由所述转动的轴杆产生的流体剪切力，来阻止润滑剂泄露。通过与所述转动件的表面接触并堵塞所述通道的弹性密封件，来进一步阻止润滑剂的任何泄露。

Description

滚子轴承
交叉援引相关申请
本申请与2007年3月16日递交的题为“用于铁道车辆轴颈轴承的密封(Seal For Railway Car Journal Bearing)”的美国专利申请US 11/724,696相关，其整体通过援引而合并于此。
技术领域
本发明涉及耐磨轴承，而且更特别地在一个实施方式中涉及圆锥滚子轴承。
背景技术
在各种工业应用中要经常使用耐磨轴承(也公知为“滚动接触轴承”)，诸如球轴承和圆锥滚子轴承。典型地，购买的耐磨轴承为预先装配的，以准备压配合到轴杆或车轴的轴颈上。
润滑剂(例如油或润滑脂)应用于轴承的滚子上，以使摩擦和磨损最小化。润滑剂的量和质量对轴承寿命有着显著影响。为了使轴承寿命最大化，使用轴承密封来将润滑剂保持于轴承内并隔绝环境污染物。良好的密封设计要在保护轴承润滑剂的同时还能减少使所述轴承密封导致的摩擦损耗最小化的需要。
在铁道工业中使用的支撑铁道车辆车轴的轴承为特别高要求的应用，其要求能量效率并同时提供抗环境污染物(诸如水、灰尘、沙子等)的保护。这些轴承也必须有效地将轴承密封，以使润滑剂损耗最小化。
发明内容
本发明提供了一种具有新颖的双级密封设计的轴承组件。所述密封包括密封骨架，所述密封骨架与转动件紧密间隔地配合工作，以建立两种类型的密封：(1)与迷宫型密封类似的活动密封；以及(2)接触或摩擦型密封。
在一个实施方式中，所述密封骨架和所述转动件形成通道，所述通道以迂回路径从所述轴承的被润滑的内部延伸至所述轴承的外部。所述通道允许所述轴承组件的旋转和非旋转部件相对彼此运动，同时使润滑剂损耗最小。
所述密封骨架为非旋转部件，其固定于所述轴承组件的非旋转部分(诸如轴承外圈)上。所述转动件为旋转部件，其固定于轴杆并随所述轴杆一起转动。所述转动件在所述通道内的润滑剂中引起流体剪切应力。所述通道的密间隔的蜿蜒路径和由所述转动(即旋转)的转动件所施加的所述流体剪切力创建了迷宫样密封。
在所述通道中任何不能由所述迷宫样密封阻止的润滑剂泄露将进一步通过接触型密封来消除。在一个实施方式中，所述接触密封为弹性体密封件，所述弹性体密封件固定于所述密封骨架并强制地抵靠在所述转动件上。
在一个轴承组件中使用两种不同类型的密封使得该新颖的密封设计能将各种密封类型的某些属性结合。只需所述密封组件的两个部件，即：(1)所述转动件；以及(2)所述密封骨架(带有连接的密封件)，就结合了上述两种不同密封类型。
这种新颖的密封设计消除了许多轴承应用中通常存在的对耐磨环的需求。耐磨环保护轴杆免受由接触密封元件引起的摩擦损耗。在所述转动件的活动表面上形成接触密封，消除了在现有技术的轴承组件中存在的对耐磨环的需求。
附图说明
所述轴承组件的各种实施方式被描述并示出于随附附图中。这些图仅作为示例予以提供，且不应视为对本发明的限制。因此，所述轴承组件是以举例的方式而非限制性地示出在随附附图中。在附图中：
图1是轴承组件的示范性实施方式的剖视图；
图2是图1所示的所述示范性轴承组件的密封部的第一实施方式的详细剖视图；
图3是在图1所示的示范性轴承组件中的密封件的细节剖视图；以及
图4是图1所示的所述示范性轴承组件的密封部的第二实施方式的详细剖视图。
具体实施方式
参照图1，示出了示范性轴承组件10。在该实施方式中，轴承组件10为在铁道应用中通常使用的圆锥滚子轴承组件类型，用以支撑低摩擦轨道车车轮。然而，下面的实施方式中所描述的所述轴承组件可适于用在诸多其他通用的工业应用中。因此，下面结合轨道车车轮用的圆锥滚子轴承组件对该轴承组件进行的图示和描述仅是出于方便目的。此外，尽管在这些图中说明并示出的所述实施方式针对的是圆锥滚子轴承组件，但是在此说明并主张的该新颖的轴承组件可广泛地适用于各种耐磨轴承。
轴承组件10在安装到轴杆(例如轨道车车轴)14的轴颈12上之前典型地进行预装配。在轴杆14的自由端，轴颈12以大概呈锥形的渐缩导引部18的形式终止，以便于将轴承组件10安装到所述轴颈上。在一个实施方式中，轴承组件10被压配合到轴颈12上，轴颈12被加工成非常紧的公差，以正确地适应所述压配合。轴颈12在其内端处以预定轮廓的倒角部16的形式终止，预定轮廓的倒角部16与轴杆14上的柱形轴肩17相连。垫环22抵靠在轴承组件10和轴肩17上，从而以阻止轴承组件10向内轴向位移的方式与轴承组件10附接。利用带螺纹的帽螺钉或螺栓21将具有多个螺纹孔19的轴承固定罩壳20安装于轴杆14的所述自由端。轴承固定罩壳20夹紧轴承组件10使之在轴杆14上就位。
在这个实施方式中，摒弃了在现有技术中通常使用的用来保护轴杆免受磨损的耐磨环。一些现有技术的耐磨环已经设计成具有聚合物镶嵌件，以缓冲并保护轴杆免受耐磨环导致的磨蚀。例如，于1996年8月27日授于Sink的“具有改进密封耐磨环的轴颈轴承(ShaftJournal Bearing Having Improved Seal Wear Ring)”的美国专利US5,549,395讨论了这种一种改进的耐磨环，而且该文献整体通过援引而合并于此。因为本实施方式中不存在有任何耐磨环，所以，在一个实施方式中，轴承固定罩壳20和垫环22均具有至少部分地镶衬在它们的圆柱形内表面上的聚合物镶嵌件27。镶嵌件27可粘附固定于垫环22或固定罩壳20中，或装配于在垫环22或固定罩壳20中磨削而成的键槽内。垫环22和固定罩壳20中的聚合物镶嵌件27缓冲挠曲载荷，这减少了轴颈12磨蚀以及轴杆14的潜在失效。
如上所述，轴承组件10由多个分开的部件进行预装配。轴承组件10包括一体式的轴承外圈31，所述轴承外圈具有一对在轴承外圈31的内表面上形成的相邻滚道32、34(每个滚道分别邻近于所述轴承外圈的一个端部)。滚道32、34分别与一对轴承内圈38、40相配合以限制并支撑两排圆锥滚子42、44。中间隔圈47定位在轴承内圈38、40之间，以保持所述轴承内圈相对彼此处于精确的间隔位置并且允许合适的轴承侧隙。在一些实施方式中，保持架46、48控制滚子42、44之间的间隔，以保持它们在所述滚道32、34内的相对位置。
密封骨架50、52基本覆盖轴承组件10的各端，以保护所述轴承免遭外部污染物的影响。密封骨架50、52为该双级密封系统的部件。在一个实施方式中，密封骨架50、52通过过盈配合或其他合适的方法而固定到所述轴承组件的静止(即非旋转)侧(诸如轴承外圈31)。
转动件80、82为双级密封系统的另一部件。在一个实施方式中，转动件80、82固定于轴承内圈38、40上并随轴杆14一起旋转。在另一实施方式中，所述转动件被限制在轴承固定罩壳20和轴承组件10之间或垫环22和轴承组件10之间。例如，转动件80固定在轴承内圈38和轴承固定罩壳20之间。而在轴承组件10的另一端，转动件82固定在轴承内圈40和垫环22之间。
转动件80、82和密封骨架50、52一起被设计成用来控制润滑剂泄露并保护轴承组件10和润滑剂25免受外部污染物的侵入。轴承组件10两侧的密封骨架及转动件的设计相同。唯一不同在于一个转动件相邻于轴承固定罩壳20，而另一个转动件相邻于垫环22。
密封骨架50、52与转动件80、82以紧密间隔关系配合工作，以控制润滑剂泄露。轴承组件10中使用的润滑剂25例如可以为油或润滑脂。润滑剂25与滚子42、44直接接触。在轴承组件10的各端处可设置润滑剂贮槽24、26，以确保将足够的润滑剂提供给滚子42、44以及与所述滚子接触的表面。
密封骨架50、52和转动件80、82之间的这种紧密间隔配合关系形成两种类型的密封：(1)类似于迷宫型密封件的密封；以及(2)接触型密封。这些密封类型中的每一种密封均具有另一种密封所不能提供的优点和特性。
参照图2，示出了图1的轴承组件10的密封骨架和转动件之间的所述紧密间隔配合关系的一个实施方式的详细视图。转动件82为大体圆柱形的构件，其具有具备最大直径的转动件外部84。转动件外部84终止于转动件末端部86处。转动件中间环形部90自转动件外部84径向向内延伸至转动件内部88。转动件根部93自转动件中间环形部90经过转动件内部88而径向向内延伸。
在该实施方式中，转动件82附接于垫环22。转动件82还固定于轴承内圈40。在图2所示出的实施方式中，通过能够卡扣到垫环22中的凹进止动槽23内的转动件止动唇94，垫环22被锁定就位。接着，利用第二转动件止动唇96类似地接合到轴承内圈40中的凹进止动槽41，转动件82附接于轴承内圈40。转动件根部93被限制在轴承内圈40和垫环22之间，这进一步用来限制转动件82的轴向移动。当轴承内圈40固定(例如压配合)到轴颈12上时，垫环22、转动件82、以及轴承内圈40全被一起锁定在轴杆14上并随轴杆14一起转动。
密封骨架52与转动件82呈紧密间隔关系并与转动件82配合工作，以基本密封轴承组件10的端部。在一个实施方式中，密封骨架52具有压配合到轴承外圈31中的沉孔35内的大直径开口端部54。可替代地，在另一实施方式中，密封骨架52可具有止动唇56，止动唇56能够卡到轴承外圈31中的凹进止动槽37内。这种设计使密封骨架52能以可松脱方式保持在轴承组件10上。
密封骨架中间部58具有平行于开口端部54延伸的小直径柱形部。直径比中间部58小的固定件66为平行于中间部58延伸的柱形部。内环形部62在中间部58和固定件66之间延伸。密封骨架52终止于密封骨架末端64处。安装环69大致在内环形部62和固定件66的相交处从密封骨架52上延伸出去。
所述密封骨架和转动件的组合一起起到提供双级润滑密封的功能。密封骨架52与转动件82以紧密间隔关系配合工作，以形成通道97。转动件82随轴杆14一起相对于非旋转的密封骨架52所进行的旋转运动形成了通道97的旋转侧(即转动件侧)和所述通道的静止侧(即密封骨架侧)。这个相对运动在所述通道内的润滑剂中引起剪应力，阻止所述贮槽中的润滑剂损失。
在一个实施方式中，所述转动件和所述密封骨架形成紧密间隔的笔直通道。在一个实施方式中，所述通道可包括项圈状的凸起(即小表面凸起，类似于泵叶轮一样起作用)，以帮助强迫润滑剂从所述通道中向所述贮槽移动。
在另一实施方式中，通道97为迂回式并形成蜿蜒的流体流动路径。转动件82的外部84、转动件末端86和转动件内部88形成了通道97的所述转动件侧。与转动件82紧密间隔并配合的密封骨架52通过密封骨架中间部58、密封骨架内环形部62和固定件66而形成通道97的所述密封骨架侧。
由此，在一个实施方式中，通道97开始于紧密间隔的固定件外部84的外表面83和密封骨架中间部58的内表面59。通道97绕过与密封骨架内环形部62的环形表面63紧密间隔的转动件末端86继续行进，这使得所述通道反向。通道97继续在转动件外部84的内表面85和密封骨架固定件66的外表面65之间行进。通道97继续绕过与转动件中间环部90紧密间隔的密封骨架末端64行进，这使得所述通道再次反向。通道97继续在固定件66的内表面67和固定件内部88的外表面87之间行进，经过密封元件(或密封件)72而到达轴承组件10的外部。
在一个实施方式中，密封件72模制到从密封骨架52突出的安装环69上并永久地粘接于其上。密封件72与转动件82接触，以形成限制润滑剂泄露的密封面。
参照图3，示出锥形轴承组件中典型使用的密封件72的一个实施方式。在该实施方式中，密封件72为一体模制的弹性体材料或橡胶样材料的圈环，所述材料具有如在本领域中已知的针对特定应用选定的合适密度和硬度。例如，构造密封件72的通用材料包括丁腈橡胶(NBR)、Viton、硅树脂等。然而，密封件72可由非弹性体材料构造(例如、毡制品、热塑性和热固性聚合物)或者这些材料的组合(例如，织物强化弹性体材料)。
由弹性体材料构造的密封件有益于提供弹性密封。所述密封件的弹性迫使密封件72抵靠在转动件82的表面上，这施加了基本恒定的压力，以阻止润滑剂泄露。
为了进一步增加密封件72的密封力，机械弹簧(未示出)(诸如环形盘簧或者紧箍弹簧)可支持所述密封件。这些弹簧被设计成保持所述密封件和所述转动件之间的连续且受控的密封压力。所述弹簧并非是必须的，其可省略，以能形成更轻的接触或非接触密封。这种弹簧组件的实例在于1993年2月16日授于Sink的题为“轴承轴杆密封件(Bearing Shaft Seal)”的美国专利US 5,186,548中有描述，该文献整体通过援引而合并于此。
密封件72可以设计为任意多种不同的实施方式。例如，所述密封件可为简单的毡型密封件。可替代地，密封件72可在技术上精巧复杂。例如，在一个实施方式中，所述密封件可具有独立的润滑剂密封唇71和主防尘密封唇73。润滑剂密封唇71提供了抵靠转动件82的主润滑剂密封区域。
各种设计变型可结合到润滑剂密封唇71中。这些设计包括从润滑剂密封唇71上突出的凸起，其用作对抗润滑剂泄露的泵。这些密封设计更详细地在于1996年4月30日授于Sink的题为“具有挡油环的轴承密封(Bearing Seal With Oil Deflectors)”的美国专利US5,511,886中，其整体通过援引而合并于此。
密封件72在其外端处设置有主防尘密封唇73，以隔离污染物。在一个实施方式中，密封件72具有一对防尘密封唇。在该实施方式中，密封件72包括：朝外指向的主防尘密封唇73；以及辅助的向内间隔且朝外指向的副防尘密封唇74。主防尘密封唇72和副防尘密封唇74大体相对于所述轴承组件轴向向外定位。
密封件72具有处于润滑剂密封唇71和副防尘密封唇74之间的凹的内表面75，当安装密封件72时，内表面75与转动件82的外表面87一起限定了第一环形腔76。第一环形腔76可在安装密封骨架52之前装入合适的润滑剂。
类似地，在主防尘密封唇73和副防尘密封唇74的邻接表面和转动件82的外表面87之间形成了第二环形腔77。同样地，在安装在轴杆14上之前，这个第二环形腔77装入润滑剂。
现在参照图4，示出轴承组件110的详细视图，轴承组件110具有替代性实施方式的密封骨架和转动件密封布置。图2和图4所示的轴承组件之间的唯一差异在于改动后的转动件182与垫环22和轴承内圈140之间的连接。
转动件182具有从转动件根部193上法向延伸的返回部195。该返回部195容置在于轴承内圈140和垫环122之间形成的环形空间之间。返回部195具有第一止动唇194，第一止动唇194装配到垫环122中的止动槽123内。
与图2所示的转动件82类似，转动件182也具有位于转动件根部193上的第二止动唇196，第二止动唇196装配到轴承内圈140中的凹进止动槽141内。由此，转动件182上的两个止动唇194、196分别与垫环122和轴承内圈140连接，以将这些部件作为轴杆14上的一个旋转组件而连接在一起。
虽然上述结合图2和图4的讨论详细说明了与垫环相邻的转动件和密封骨架的设计和操作，但是与轴承固定罩壳相邻的转动件和密封骨架的设计和操作也是相同的。只不过，转动件不是连接于垫环，而是连接于所述轴承固定罩壳。
尽管针对几个具体实施方式已示出了本发明，但是这些实施方式为示范性的而非限制性的。对于本领域普通技术人员而言，将显而易见的是，可针对所述实施方式的每一个作出各种修改和添加。由此，本发明不应由作为实例提供的具体实施方式的上述说明来限制。而是，本发明应仅由后面的权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种轴承组件，包括：
轴承内圈，其具有内部横向表面；
垫环，其具有径向向外表面；
轴承外圈，其具有内表面，所述内表面具有滚道；
多个滚子，其被限制在所述滚道和所述轴承内圈之间；
转动件(82)，其固定于所述轴承内圈且包括与所述轴承内圈的所述内部横向表面相邻的根部(93)；
密封骨架(52)，其包括固定于所述轴承外圈的呈开口端部(54)形式的径向外部，所述密封骨架与所述转动件以紧密间隔关系配合且包括：与所述径向外部平行的径向中间部(58)以及与所述中间部平行的呈柱形固定件(66)形式的径向内部，所述密封骨架的径向中间部(58)与所述密封骨架的径向内部在两者之间形成通道(97)；
所述转动件还包括与所述垫环的所述径向向外表面相邻的径向内部(88)；所述转动件还包括径向外部(84)，所述转动件的所述径向外部(84)延伸入所述密封骨架的径向内部和所述密封骨架的径向中间部(58)之间的所述通道(97)；
所述密封骨架的所述径向内部具有安装环(69)，所述安装环(69)大致在所述密封骨架(52)的内环形部(62)和所述固定件(66)的相交处从所述密封骨架(52)上延伸出去，所述内环形部(62)连接所述密封骨架(52)的所述径向中间部和所述径向内部，
所述轴承组件还包括弹性密封件，其固定于所述密封骨架的所述径向内部的所述安装环，所述弹性密封件抵靠所述转动件的所述径向内部(88)形成密封。
2.如权利要求1所述的轴承组件，其中，所述密封件包括防尘密封唇和润滑剂密封唇；其中，所述防尘密封唇和所述润滑剂密封唇均接触所述转动件。
3.如权利要求1所述的轴承组件，还包括将所述多个滚子分隔开的保持架。
4.如权利要求1所述的轴承组件，还包括轴承固定罩壳，所述轴承固定罩壳固定于所述转动件。
5.如权利要求1所述的轴承组件，其中，所述通道为迂回式。
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