CN104265779B - 一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系 - Google Patents

Abstract

一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，包括传动主轴(1)、两个轴承外套(6)、两个密珠式轴承(7)，传动主轴(1)的两端由两个密珠式轴承(7)共同支撑，每一个密珠式轴承(7)的外侧均配置有一个轴承外套(6)，轴承外套(6)的外部进行固定。密珠式轴承(7)包括保持架(8)及滚珠(9)，整体为多珠密排结构，保持架(8)为具有一定厚度的圆环套构型，圆环套的套壁上加工有多个通透的轴瓦形孔槽，孔槽为外开放内收紧构型，开放型开口部分为圆柱面，内收紧部分为球形弧面，两部分型面为相切关系，滚珠(9)装配在孔槽内，滚珠(9)与传动主轴(1)的外圆柱面以及轴承外套(6)的内圆柱面间隙配合。

Description

一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系

技术领域

本发明属于机械领域，涉及一种滚动轴系。

背景技术

目前，只有美国的APOLLO系列探测器及前苏联的LUNA系列探测器实现了月球样品采集并返回地球，它们都采用了钻取式的采样方式。可见对于月球采样任务来说，钻取方式是经过实践证明的最为有效的手段。进一步分析可知，无论APOLLO载人登月采样还是LUNA无人自主采样，都采用了回转与冲击复合钻进的方式，这样更有利于排粉钻进及解决故障。

月面采样时，钻具2的钻进示意图如图1所示。图中方框所示部分为传动轴系，它由传动主轴1及支撑轴承3组成，钻具2通过联轴器4与传动轴系连接，对负载5进行操作。通过分析可知，钻具2的钻进具有以下特点：月面环境具有高真空、高低温差大等特点，钻具2需保证能在该环境中可靠钻进；为了实现回转与冲击复合钻进，要求钻具2在钻进时具有双向回转与轴向直线往复双自由度；由于负载5的不确定性及钻具2的长悬臂结构，钻具2的钻进具有弯矩大、扭矩大等特点；为保证实现既定的科学目标，钻具2的钻进以高可靠性及高传动效率为首要目标，在保证上述性能的前提下实现尽可能高的传动精度。由于钻具2仅为末端执行器，其支撑及传动均依赖于传动轴系，因此传动轴系的设计是保证月面采样任务顺利完成的关键。

现有的传动轴系主要采用如下两种设计：

(1)单层滑动支撑轴系

在APOLLO及LUNA探测器所采用的钻进采样设备中，传动轴系均采用滑动轴承进行支撑，为了满足使用需求它们分别采用了油润滑和脂润滑，前者为此配有专门的供油系统及密封结构，后者虽不用供油系统但同样需要密封结构以保证润滑脂不在高真空环境中挥发。这种滑动轴承支撑方式虽然结构简单，但承载能力差、可靠性低、传动效率低，在月球取样这种大弯矩、大扭矩应用工况下极易发生磨损，且其所需配套提供的供油系统及密封结构等也会给系统设计带来很大的麻烦。

(2)嵌套式复合轴系

由于单轴承仅能实现单自由度支撑，为了实现上述回转与往复双自由度，可通过轴系嵌套方式来实现，即回转与往复自由度各由一套轴系实现，两套轴系再相互嵌套成为一个复合轴系。例如，回转自由度可通过一对角接触球轴承或深沟球轴承来实现，也可以通过一对滑动轴承实现；轴向往复自由度可通过直线轴承或滑动轴承实现；轴系嵌套时既可以回转嵌套轴向往复也可以轴向往复嵌套回转。若两套轴系都采用滚动支撑，则可以实现纯滚动的复合轴系。这种轴系嵌套的方式虽然能够实现既定的功能，但结构相对比较复杂，且具有较大的体积与质量，与航天器所追求的小型化、轻量化相矛盾。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有嵌套式复合轴系结构复杂、体积大、重量重及单层滑动支撑轴系承载能力差、可靠性低、传动效率低的问题，提供了一种结构简单、体积小、重量轻、承载能力强、可靠性高、传动效率高的，采用密珠式轴承实现回转与往复双自由度滚动支撑的滚动轴系。

本发明的技术解决方案是：一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，包括传动主轴、两个轴承外套、两个密珠式轴承，传动主轴的两端由两个密珠式轴承共同支撑，每一个密珠式轴承的外侧均配置有一个轴承外套；所述的密珠式轴承包括保持架及滚珠，整体为多珠密排结构，保持架为具有一定厚度的圆环套构型，所述圆环套的套壁上加工有多个通透的轴瓦形孔槽，所述轴瓦形孔槽为外开放内收紧构型，开放型开口部分为圆柱面，内收紧部分为球形弧面，两部分型面为相切关系，滚珠装配在所述的孔槽内，滚珠与传动主轴的外圆柱面以及轴承外套的内圆柱面间隙配合。

所述的轴承外套沿传动主轴轴向的两端面具有限位面，所述的限位面与保持架的两个圆环形端面之间有一定的间隙，两侧间隙之和不小于传动主轴轴向往复位移的1/2。

所述的与滚珠相配合的传动主轴的外圆柱面以及轴承外套的内圆柱面溅射有MoS₂固体润滑薄膜。

所述的保持架的材料为LW-2材料。

所述的传动主轴、轴承外套以及滚珠的材料为9Cr18材料。

所述的孔槽在保持架上采用斜向90°交叉方式均匀排布。

所述的孔槽与滚珠之间留有间隙，所述间隙以在最低温度工作时孔槽与滚珠不发生抱死的最小间隙为最优值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)密珠式轴承实现空间环境双自由度支撑。本发明独特地采用密珠式轴承来解决双自由度支撑问题，这在回转冲击钻进领域尚属首次。本发明的密珠式轴承成对使用，共同形成传动轴系，可实现双自由度支撑，通过间隙配合实现高可靠传动，防止大温差下的热变形引起卡死等故障；

(2)单层支撑实现双自由度滚动支撑。本发明的轴系整体特征为采用单层支撑实现了双自由度支撑，且为滚动支撑。密珠式轴承的特殊结构形式使得滚珠可在驱动下做任意方向的滚动，当滚动轴系同时做回转与往复运动时，各滚珠的滚动轴线沿回转轴线与往复轴线的矢量合成方向，从而使该轴系可实现回转与往复的传动需求。该轴系相对单层滑动支撑轴系最大的优势是用滚动摩擦代替了滑动摩擦，由于滚珠和内外滚珠滚动面为滚动损失最小的点接触，并且滚珠在保持架孔槽中被分隔保持，这使得整个轴系能以极低的摩擦系数进行滚动运动，从而克服了滑动摩擦的诸多弊端，具有承载能力强、可靠性高、传动效率高等优点；而相对嵌套式复合轴系，在保证同为滚动摩擦的前提下，其结构大为简化，具有结构简单可靠、体积小、重量轻等优点；

(3)间隙配合、双支撑跨距拉开实现高可靠、高精度及高承载。在月面高低温差大、真空散热难的恶劣环境中极易引起轴系的热机耦合问题，设计中将每一支撑处相配合的传动主轴、密珠式轴承滚珠、轴承外套采用同种材料制造，以保证相同的热膨胀系数，同时将三者的配合设计成间隙配合，以保证运动中不发生热机耦合卡死现象。由于单个轴承处均为间隙配合，势必影响轴系的回转精度，设计中通过采用双支撑及跨距尽量拉开的方式来弥补，这样在两轴承的共同几何约束下，可保证在单个轴承都为间隙配合的情况下仍能实现较高的回转精度，同时拉大跨距也能大大提高轴系的承载能力；

(4)多珠密排结构及高精度滚珠实现载荷均化。密珠式轴承在设计时采用了多珠密排结构形式，在承载时每一支撑处实际是由某一区域的多个滚珠来共同承载，从而起到了载荷均化的效果。保持架采用LW-2材料制造，为圆环套构型，并在套壁上加工出多个轴瓦形孔槽，用于镶嵌滚珠。孔槽为外开放内收紧构型，开放性开口便于滚珠装配，内收紧部分可防止滚珠从内侧脱出。孔槽与滚珠之间留有间隙，防止低温下由于热膨胀系数不同导致孔槽与滚珠抱死。滚珠在排布时采用了斜向90°交叉排布方式，该方式相对纵横交叉排列方式能够排布更多的滚珠数量，且在进行回转与冲击运动时在周向及轴向的理论接触轨迹数量也要多于纵横交叉排列方式，因此具有更好的载荷均化效果，能够承受的载荷也要大得多；

(5)固体润滑体系实现简单可靠的空间润滑。为满足月面高真空环境使用要求，轴系采用固体润滑方式，即在与密珠式轴承相配合的传动主轴外圆柱面及轴承外套内圆柱面溅射MoS₂固体润滑薄膜，同时由于LW-2保持架具有自润滑功能，可在工作中形成转移膜，因此三者共同形成该轴系的固体润滑体系。相对于APOLLO及LUNA探测器所采用的油润滑及脂润滑方式，固体润滑无需配备专门的供油系统或密封结构，结构形式大大简化，对系统资源的需求要少得多。同时固体润滑可忽略蒸汽压的影响并具有极高的温度适应性，相对油润滑和脂润滑具有结构简单、环境适应性好、可靠性高等优点。

附图说明

图1为钻具钻进示意图；

图2为本发明滚动轴系的结构示意图；

图3为本发明密珠式轴承构型图；

图4为本发明密珠式轴承的截面图；

图5为本发明滚珠周向及轴向布局示意图；

图6为本发明滚珠排布展开示意图。

具体实施方式

如图2所示，本发明的密珠式回转与往复双自由度滚动轴系包括传动主轴1、两个轴承外套6及两个密珠式轴承7。

传动主轴1采用9Cr18材料制造，这种材料为航天轴承常用材料，具有很好的防锈性能。传动主轴1的末端与钻具2连接，钻进采样时回转与冲击驱动动力会通过传动主轴1传递至钻具2上，同时钻具2工作时所产生的扭矩及弯矩也会回传至传动主轴1上，由滚动轴系承受。传动主轴1的两端由两个密珠式轴承7共同支撑，每一个密珠式轴承7的外侧均配置有一个轴承外套6。

如图3、图4所示，密珠式轴承7由保持架8及滚珠9构成，整体为多珠密排结构。保持架8采用LW-2材料制造，为具有一定厚度的圆环套构型，并在圆环套的套壁上加工有多个轴瓦形孔槽，用于镶嵌滚珠9。孔槽为外开放内收紧构型，开放型开口部分为圆柱面，便于滚珠9的装配，内收紧部分为球形弧面，可防止滚珠9从内侧脱出，两部分型面为相切关系。孔槽与滚珠9之间留有间隙，防止低温下由于热膨胀系数不同导致孔槽与滚珠9抱死。具体间隙视最低温度而定，以在最低温度时孔槽与滚珠9不发生抱死的最小间隙为最优值。

如图5、图6所示，滚珠9在保持架8上采用斜向90°交叉排布方式。该方式相对纵横交叉排列方式能够排布更多的滚珠9数量，且在进行回转与冲击运动时在周向及轴向的理论接触轨迹数量也要多于纵横交叉排列方式，因此具有更好的载荷均化效果，能够承受的载荷也要大得多。

滚珠9的材质为9Cr18，选用G10以上级精度，并成批筛选使用，这对于保证轴系精度及承载能力至关重要。

密珠式轴承7的上述结构型式使得滚珠9可在驱动下做任意方向的滚动，当滚动轴系做回转运动时，各滚珠9的滚动轴线过直径并平行于传动主轴1的轴线；当滚动轴系做往复运动时，各滚珠9的滚动轴线过直径并垂直于传动主轴1的轴线；当滚动轴系同时做回转与往复运动时，各滚珠9的滚动轴线过直径并沿回转轴线与往复轴线的矢量合成方向，从而使滚动轴系可实现回转与往复的传动需求。

轴承外套6采用9Cr18材料制造，其外部进行固定，内圈与密珠式轴承7的滚珠9进行配合。轴承外套6的两端面具有限位面，其一方面对密珠式轴承7进行轴向限位，防止其轴向位移不受控制；另一方面限位面与保持架8两端面之间有一定的间隙，允许密珠式轴承7在轴向有一定的位移。

由理论力学推导可知，在纯滚动情况下，传动主轴1轴向移动距离是滚珠9轴向移动距离的2倍，而滚珠9轴向移动距离与保持架8轴向移动距离一致，因此为满足轴向往复传动需求，需保证保持架8与轴承外套6两端限位面的间隙之和不小于传动主轴1轴向往复位移的1/2。

为满足月面高真空环境使用要求，轴系采用固体润滑方式，即在与密珠式轴承7相配合的传动主轴1的外圆柱面及轴承外套6的内圆柱面溅射MoS₂固体润滑薄膜，同时由于LW-2保持架8具有自润滑功能，可在工作中形成转移膜，因此三者共同形成该轴系的润滑体系。

由于滚珠9和滚动面为滚动损失最小的点接触，并且滚珠9在保持架8的孔槽中被分隔保持，这使得整个轴系能以极低的摩擦系数进行滚动运动。

为解决月面温差大、真空散热难等引起的轴系热机耦合问题，相配合的传动主轴1、滚珠9、轴承外套6均采用同种材料制造，以保证相同的热膨胀系数，同时将三者的配合设计成间隙配合，以保证运动中不发生热机耦合卡死现象。配合间隙视整个过程中的最高温度和最低温度而定，以在最高温度与最低温度时传动主轴1及轴承外套6不与滚珠9发生卡死的最小间隙为最优值。

由于采用了间隙配合，势必影响轴系的回转精度，因此可以在支承时尽量拉大两个密珠式轴承7之间的跨距，由此可保证在单个密珠式轴承7都为间隙配合的情况下仍能实现较高的回转精度。同时拉大跨距对于提高轴系的承载能力也很有帮助。

密珠式轴承7的特殊结构形式可同时支持传动主轴1的双向回转与轴向直线往复双自由度需求。由于采用了多珠密排结构形式，并严格把控了同批次滚珠的精度等级，因此可保证在承载时有多个滚珠9同时受力，从而大大提高了承载能力，并避免了单个滚珠9受力过大引起的应力集中风险。该轴系为滚动摩擦，摩擦系数相对滑动摩擦要小的多，传动效率也要高的多。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于包括：传动主轴(1)、两个轴承外套(6)、两个密珠式轴承(7)，传动主轴(1)的两端由两个密珠式轴承(7)共同支撑，每一个密珠式轴承(7)的外侧均配置有一个轴承外套(6)；所述的密珠式轴承(7)包括保持架(8)及滚珠(9)，整体为多珠密排结构，保持架(8)为具有一定厚度的圆环套构型，所述圆环套的套壁上加工有多个通透的轴瓦形孔槽，所述轴瓦形孔槽为外开放内收紧构型，开放型开口部分为圆柱面，内收紧部分为球形弧面，两部分型面为相切关系，滚珠(9)装配在所述的孔槽内，滚珠(9)与传动主轴(1)的外圆柱面以及轴承外套(6)的内圆柱面间隙配合；所述的轴承外套(6)沿传动主轴(1)轴向的两端面具有限位面，所述的限位面与保持架(8)的两个圆环形端面之间有一定的间隙，两侧间隙之和不小于传动主轴(1)轴向往复位移的1/2。

2.根据权利要求1所述的一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于：所述的与滚珠(9)相配合的传动主轴(1)的外圆柱面以及轴承外套(6)的内圆柱面溅射有MoS₂固体润滑薄膜。

3.根据权利要求1或2所述的一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于：所述的保持架(8)的材料为LW-2材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于：所述的传动主轴(1)、轴承外套(6)以及滚珠(9)的材料为9Cr18材料。

5.根据权利要求1或2所述的一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于：所述的孔槽在保持架(8)上采用斜向90°交叉方式均匀排布。

6.根据权利要求1或2所述的一种密珠式回转与往复双自由度滚动轴系，其特征在于：所述的孔槽与滚珠(9)之间留有间隙，所述间隙以在最低温度工作时孔槽与滚珠(9)不发生抱死的最小间隙为最优值。