CN103026081A - 轻型混合式轴承组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

揭示了一种轻型混合式轴承组件（110、210、310）及其制造方法。这种轴承组件包括内圈（124、224、324）和径向间隔于内圈的外圈（126、226、326）。内圈和外圈之一或两者有凸形的轴承表面（150、148；250、248；350）。多个陶瓷滚子元件（128；228；328）装配在内圈和外圈之间。陶瓷滚子元件有可吻合于所述凸形轴承表面的凹形轴承表面（146；246；346）。这种轴承组件的特点之一是其在内圈轴线和外圈轴线有一定错位的状态下能够工作。

Description

轻型混合式轴承组件及其制造方法
与相关申请的交叉参考
本申请主张享有2010年5月5日提交的、题目为“轻型混合式轴承组件及其制造方法”的、编号为61/331,562的临时专利申请的权益。那一申请的内容在此引用宛如在本文中一并全面阐述。
关于联邦资助研究或开发的声明
不适用
技术领域
本发明涉及轴承组件，具体地说，本发明涉及用于航天应用的轴承组件。
背景技术
按惯例，轴承组件包括一个内圈和一个可相对于内圈转动的外圈。为使相对转动的摩擦阻力为最小，内圈和外圈之间设置若干个滚动元件。
这类轴承组件中的滚动元件适应内外圈以及连接于内外圈的任何零件的互相相对的受控转动。例如，内圈通常是被安装于或接纳在一个轴上，而外圈通常是被安装入或接纳在一个轴承座内。在轴和轴承座相对运动时，轴承组件提供轴承表面，而可使转动顺畅并降低转动的摩擦阻力。
这类轴承组件必须能够在使用要求日益提高的需求下可靠地工作。采用钢质零件的传统轴承组件，尽管强固，但对许多应用场合而言，不够理想。因此，需要有改进的轴承组件。
发明内容
为了给航天应用提供一种改进的轴承组件，设计了一种轻型混合式轴承组件，并且这种轴承组件的结构允许其在一种非对准状态下工作。
按照本发明的一个方面，一种轻型混合式轴承组件包括内圈和径向地间隔于内圈的外圈，内圈和外圈之一或两者有凸形的轴承表面。多个陶瓷滚子元件定位在内圈和外圈之间，陶瓷滚子元件有啮合于所述凸形轴承表面的凹形轴承表面。
这种轻型混合式轴承组件可以构造成在内圈的轴线和外圈的轴线没有重合的错位状态下工作，甚至在错位范围内，轴承表面仍将互相接触。
在一种形式中，内圈可包括一个面朝外的凸形轴承表面，而外圈可包括一个或多个面朝内的凸形轴承表面。在这种形式中，多个滚子元件的凹形轴承表面既啮合于外圈的面朝内的凸形轴承表面也啮合于内圈的面朝外的凸形轴承表面。
多个陶瓷滚子元件可以有一个沙漏的形状并可以但不限于用氧化钇四方晶格氧化锆多晶体（TZP）（Yttria Tetragonal Zirconia Polycrystal)、氧化钇四方晶格氧化锆多晶体H〔Y-TZP（H）〕、氮化硅和碳化硅之一或之多个制造。可以用烧结的陶瓷圆柱体磨削成具有凹形的轴承表面来制成多个陶瓷滚子元件。陶瓷滚子元件可以是微孔性的。
内圈和外圈包括钛、钛合金、陶瓷或合金钢。
而且，这种陶瓷滚子轴承可以有各种不同的构造。陶瓷滚子元件可以是双列环形配置的、单列环形配置的和/或装配成是包括某一结构/轴承座的一个组件的一部分。
在一种形式中，多个陶瓷滚子元件可包括在其凹形轴承表面两侧的一对面径向朝外的圆柱形轴承表面。这成对的面径向朝外的圆柱形轴承表面可啮合于外圈上的一对面径向朝内的圆柱形轴承表面。
按照本发明的另一方面，揭示了一种用于制造上述型式的轻型混合式轴承组件的方法。这种方法包括：把陶瓷粉压制成圆柱形的预成形件；烧结圆柱形预成形件，随后可作为选项对其进行热均衡处理；然后，在圆柱形预成形件上磨削出凹形的轴承表面，从而制成陶瓷滚子元件。陶瓷滚子元件制成之后，可将多个陶瓷滚子元件定位在内圈和外圈之间，其中至少内圈和外圈之一有凸形轴承表面。这个凸形轴承表面啮合于陶瓷滚子元件的凹形轴承表面。
这里再说一下，陶瓷滚子元件可以有一个沙漏的形状并可以是用至少氧化钇四方晶格氧化锆多晶体（TZP）、氧化钇四方晶格氧化锆多晶体H〔Y-TZP（H）〕、氮化硅和碳化硅之一制造的，内圈和外圈的材料可以是钛、钛合金、陶瓷或合金钢。
用这种方法制成的多个陶瓷滚子元件可包括在凹形轴承表面两侧的一对面径向朝外的圆柱形轴承表面。这成对的面径向朝外的圆柱形轴承表面可啮合于外圈上的一对面径向朝内的圆柱形轴承表面。
至此，揭示了一种轻型混合式轴承组件和这种轴承组件的一种制造方法。与传统的钢质轴承组件相比，这种轻型混合式轴承组件提供一种重量轻的部件。而且，由于陶瓷滚子元件有凹形表面，这使得内圈相对于外圈处于预定范围的角度错位的状态下仍能工作。由于这种轴承组件在一定角度错位范围内仍能工作，所以这种轴承组件和与之相关的部件不大会发生故障。
从这些详细说明和附图可明显看出本发明的这些和其它优点。下面描述本发明的几个实施例。这些优选实施例不是权利要求书范围内的仅有实施例，要评定本发明的整个范围，请查阅权利要求书。
附图说明
图1是一个安装进一个轻型轴承座内的轻型双列环形轴承组件的前视图；
图2是图1的轴承组件做了部分剖视的侧视图；
图3是轻型双列环形轴承组件的另一实施例的前视图；
图4是图3的轴承组件做了部分剖视的侧视图；
图5是装在一个有法兰的轴承座内的一个单列轻型环形轴承组件；
图6是图5的轴承组件做了部分剖视的侧视图；
图7是一个框图，用以说明制造有多个陶瓷滚动元件的轴承组件的步骤。
具体实施方式
现在参照附图描述本发明的各个方面，各附图中，类似的标号指引类似的或对应的零件。但是应能理解，附图和与之相关的详细描述不是意在将保护的主题限制于所揭示的具体形式。相反，本发明涵盖落在保护的主题的精神和范围内的各种变型、等效和替代。
首先参照图1和2，一个轻型混合式轴承组件110被表示为嵌装在一个轴承座112里。轴承座112包括一个本体114，有一个固定于本体114的头部116。本体114是大体上圆柱形的并有螺纹118，其可用于把轴承座112螺旋于一个较大的组件（未示）上的螺纹孔。在本体114相对头部116处有一个突肩120，其可限制本体114拧入螺纹孔的深度。
在垂直于本体114的延伸方向的方向，头部116有一个圆形孔或称眼孔122，轴承组件110就是嵌在这个孔里。优选的是，将轴承组件110的尺寸确定为其直径略微小于它嵌入的眼孔122的直径，以便可将轴承组件110推配在轴承座112内就位。或者，可将轴承组件110轻轻地压配进轴承座112的眼孔122。但是熟悉本技术领域的人能够理解，轴承组件110的即使是很小的变形，在某些情况中，都可能对轴承组件110的工作或寿命有不利的影响，因而最好是采用推入配合。
图2表示得很清楚，轴承组件110包括一个内圈124、一个径向地间隔于内圈124的外圈126、以及多个被接纳或定位在内圈124和外圈126之间的滚子元件128。内圈124是套装在管状的中心轴130上，并且内圈124的每个轴向端有定位在其上的一对突缘132之一。
一对保护件134和一对弹性密封件135附连于内外圈，它们有助于将滚子元件128所在的内室或内部容积隔离于外部环境。成对的保护件134附连于外圈126的轴向端并且是大体上环形的。每个保护件134以它们的外圆周136固定于外圈126。类似地，每个弹性密封件135是附连于或连接于两个突缘132之一。每个弹性密封件135接触成对的保护件134之一而形成它们之间的密封界面。这个密封界面可防止碎屑和其它颗粒物进入内圈124和外圈126之间容纳着多个滚子元件128的容积。因为保护件134并不连接于弹性密封件135，所以密封界面处是滑动的而能适应内圈124相对于外圈126的运动，同时又能维持密封。尽管表示出了具体的保护件/密封件组合，但是应能理解，本发明揭示的这种型式的轴承中，可采用其它的保护件/密封件布置和改进结构。
轴承组件110的外圈126上成形有径向的润滑通路140，其流体地连通于由内圈124、外圈126、成对的保护件134和成对的弹性密封件135限定的内室或称内部容积。这一径向润滑通路140对准在轴承座112上制出的一个独立的径向延伸的润滑通路142，这样，在把塞子144从径向延伸的润滑通路142取出后，就可把润滑剂供给到内室和轴承表面。
值得注意的是，各滚子元件128成形为有凹形的轴承表面146，因此可以说滚子元件128有一个沙漏的形状，以此形状，滚子元件128中间的直径小于轴向两端的直径。由于图1和2所示的特定轴承组件110是双列环形结构的，所以外圈126包括一对径向朝内的凸形轴承表面148，其可啮合于滚子元件128的凹形轴承表面146。但内圈124包括一个延伸于其轴向长度的单一凸形轴承表面150。每个滚子元件128的凹形轴承表面146也啮合于内圈124上的这个凸形轴承表面150。这种结构配置允许内圈124相对于外圈126轴向错位，而轴承组件110仍可工作，使得内圈124可在外圈126内大体上轴向转动。由于滚子元件128有凹形轴承表面146，在有任何错位情况下，当外圈126与滚子元件128一起运动时，滚子元件128将是基本上贴靠在外圈126的成对的凸形轴承表面148上。因此，在外圈126的转动轴线相对于内圈124的转动轴线有所倾斜时，滚子元件128的凹形轴承表面146将沿着内圈124的凸形轴承表面150行进，同时轴承表面维持互相啮合。内圈124的两侧的突缘132构成限制轴向错位量的止挡。在一种形式中，内圈124的轴线相对于外圈126的轴线的轴线错位可达10度。
在所示的实施例中，滚子元件128是由陶瓷材料制成的。优选的是，陶瓷材料可以是氧化钇四方晶格氧化锆多晶体（TZP）、氧化钇四方晶格氧化锆多晶体H〔Y-TZP(H)〕、氮化硅或碳化硅之一。参照图7，其图解说明陶瓷滚子元件和轴承组件的制造方法，陶瓷滚子元件128的制造过程是：在步骤702，将陶瓷粉在一套模具内压实或挤压成圆柱形的预成形件；然后在步骤704，对圆柱形预成形件进行烧结而使其变得致密并使陶瓷粉的微粒结合在一起；接着，如果想要降低多孔性，一个选项是让预成形件经历一个热均衡过程；然后，在步骤706，用金刚石制成的磨削轮磨削经过烧结的圆柱形预成形件而制成凹形轴承表面146，从而制成在轴承组件110里所看到那样的陶瓷滚子元件。在步骤708，进行轴承组件的装配过程中，把多个陶瓷滚子元件128定位在内圈124和外圈126之间。内圈124和外圈126之一或两者有凸形轴承表面148、150，它们以前面描述的方式啮合于陶瓷滚子元件128的凹形轴承表面146。
内圈124和外圈126都是用重量轻但强度高的金属材料诸如钛、钛合金或合金钢制成的。钛合金的轴承座与陶瓷滚子元件组合可使这种轴承组件的重量比标准钢质轴承组件的重量减轻得多。或者，内外圈之一或两者可用陶瓷材料制成，或涂覆以陶瓷材料。
现在参照图3和4，它们图示出在许多方面，包括制造各零件的材料，类似于轴承组件110的另一轴承组件210。与轴承组件110不同，轴承组件210未被安装在轴承座内。为了更好地匹配于这一轴承组件的具体使用或应用场合，轴承组件210的具体尺寸和形状可能与轴承组件110的有所不同。
现在参照图5和6，它们表示出安装在带有法兰的轴承座312里的轴承组件310有另一种轴承结构。带法兰的轴承座312上有一组四个安装通孔354。
与前述轴承组件不同，轴承组件310的外圈326的外圆周面356是沿着轴向凸形曲面的。带法兰的轴承座312包括凸形的内圆周面358，其部分地匹配于该曲面。把带法兰轴承座312的背面安装于一个平的表面（未示），轴承组件310的外圈326的外圆周面356就接触内圆周面358，使得一旦它们互相接触，它们的曲面就把轴承组件310相对于轴承座312和那个平面保持或按住在位。
特别参照图6，从中可看出轴承组件310的另一独特方面。轴承组件310只包括一单列环形布置的滚子元件328。但是，这些滚子元件328不同于前述的滚子元件，因为这些滚子元件328包括一对在凹形的轴承表面346两侧上的面径向朝外的圆柱形轴承表面360。尽管前述各实施例的滚子元件都包括较小的面径向朝外的圆柱形表面作为制造过程的典型产物，但那些表面根本不轴承（即支承）在任何内外圈的表面上。但是在图6所示的实施例中，这对面径向朝外的圆柱形轴承表面360啮合于外圈326上的一对轴向有间距面径向朝内的圆柱形轴承表面362。还有，外圈326的两侧有可限制滚子元件328相对于外圈326轴向运动的止挡。这样，当出现轴线错位时，滚子元件328可在外圈326的槽内移位，而内圈324相对于滚子元件328倾斜。
至此，揭示了一种轻型混合式轴承组件。与传统的相当重的钢质轴承组件相比，这种轻型混合式轴承组件提供一种重量轻的部件。而且，由于陶瓷滚子元件有凹形的表面，这允许内圈相对于外圈有预定角度范围的错位，而轴承组件仍可工作。由于这种轴承组件在一定的轴线错位范围内可以工作，这种轴承组件和附连的部件就不大会发生故障。滚子元件是用陶瓷材料以独特的方式制成为有凹形的轴承表面。具有这些优点的这种型式的轴承组件是前所未闻的。
应能理解，在本发明的精神和范围内可以对这些优选实施例做出各种其它的变型和改变。所以，不应将本发明限于所述的实施例。要搞清本发明的整个范围，应查阅本发明的权利要求书。

Claims (21)

1.一种轻型混合式轴承组件，它包括：
内圈；
与所述内圈有径向间距的外圈，其中所述内圈和所述外圈至少之一有凸形的轴承表面；以及
多个定位在所述内圈和所述外圈之间的陶瓷滚子元件，所述多个陶瓷滚子元件有与所述凸形轴承表面啮合的凹形轴承表面。
2.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述轻型混合式轴承组件是构造成在所述内圈的轴线与所述外圈的轴线之间有错位的状态下能够工作。
3.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述内圈包括面朝外的凸形轴承表面，所述外圈包括面朝内的凸形轴承表面，并且所述多个滚子元件的凹形轴承表面啮合于所述外圈的面朝内的凸形轴承表面和所述内圈的面朝外的凸形轴承表面。
4.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件有沙漏形的形状。
5.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是用氧化钇四方晶格氧化锆多晶体（TZP）、氧化钇四方晶格氧化锆多晶体H〔Y-TZP(H)〕、氮化硅或碳化硅至少之一制成的。
6.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述内圈和所述外圈包括钛。
7.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述内圈和所述外圈包括钛合金。
8.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述内圈和所述外圈至少之一包括陶瓷材料。
9.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述内圈和所述外圈至少之一包括合金钢的。
10.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是设置成双列环形结构的。
11.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是设置成单列环形结构的。
12.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是通过把烧结的陶瓷圆柱体磨削出所述凹形的轴承表面而制成的。
13.如权利要求12所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是多微孔的。
14.如权利要求1所述的轻型混合式轴承组件，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件在其所述凹形轴承表面的两侧有一对面径向朝外的圆柱形轴承表面，以及其中，所述这对面径向朝外的圆柱形轴承表面啮合于所述外圈上的一对面径向朝内的圆柱形轴承表面。
15.一种用于制造一种轻型混合式轴承组件的方法，所述方法包括：
把陶瓷粉压制成圆柱形的预成形件；
烧结圆柱形的预成形件；
在所述圆柱形预成形件上磨削出凹形的轴承表面，由此形成陶瓷滚子元件；以及
将多个所述陶瓷滚子元件定位在内圈和外圈之间，其中所述内圈和所述外圈至少之一有啮合于所述陶瓷滚子元件的所述凹形轴承表面的凸形轴承表面。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件有沙漏的形状。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件是用氧化钇四方晶格氧化锆多晶体（TZP）、氧化钇四方晶格氧化锆多晶体H〔Y-TZP（H）〕、氮化硅和碳化硅至少之一制成的。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述内圈和所述外圈是用钛和合金钢至少之一制成的。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述内圈和所述外圈至少之一包括陶瓷材料。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述多个陶瓷滚子元件在所述凹形轴承表面的两侧有一对面径向朝外的圆柱形轴承表面，以及其中，所述这对面径向朝外的圆柱形轴承表面啮合于所述外圈上的一对面径向朝内的圆柱形轴承表面。
21.如权利要求15所述的方法，还包括，在烧结步骤之后，让所述预成形件经历一个热均衡过程。
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