CN106763150B - 仿生变结构圆锥螺旋槽轴承 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承。包括轴承主轴和轴承座；轴承主轴与轴承座相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变结构螺旋槽；轴承座与轴承主轴之间充满润滑剂。多条变结构螺旋槽为变槽深螺旋槽，或变螺旋角螺旋槽，或变槽宽螺旋槽，或螺旋槽槽深、螺旋角以及螺旋槽槽宽都按线性变化的组合。本发明利用螺旋槽的特殊分布规律使得轴承在工作中既存在动压润滑也存在静压润滑，提高了流体润滑性能，增强了润滑效果，解决了传统圆锥螺旋槽轴承在低速时动压润滑性能差、摩擦力矩大与磨损严重的问题。减少了轴承主轴与轴承座在工作时的直接接触，能长期保持精度，延长轴承的工作寿命。

Description

仿生变结构圆锥螺旋槽轴承
技术领域
本发明涉及一种圆锥螺旋槽轴承，尤其是涉及一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承。
背景技术
如图1所示，描述了径向滑动轴承形成流体动压润滑的过程，其中h表示最小油膜厚度，ω为轴径转速，F为轴径所受径向载荷。如图1(a)所示，是轴径静止时轴径与轴孔之间的相对位置，此时轴径外表面和轴孔内表面之间自然形成一收敛的楔形空间(最小油膜厚度h＝0)；当轴径开始转动时，速度较低，带入轴承间隙中的油量较少，这时轴孔对轴径的摩擦力方向与轴径表面圆周速度方向相反，迫使轴径沿孔壁向右爬升(最小油膜厚度h≈0)如图1(b)所示；随着转速增大，轴径速度增大，带入楔形间隙的油量也逐渐加多。由于楔形间隙中入口油量大于楔形间隙出口油量，此外润滑剂还具有一定粘度，使得右侧楔形油膜产生了一定的动压力，将轴径向左浮起。当轴径运行到一定速度时，轴径达到受力平衡状态，轴径便稳定在一定的偏心位置，如图1(c)所示，此时轴承处于动压润滑状态，(最小油膜厚度h>0)。由此可见，流体动压润滑需要满足一定的条件才能实现，流体动压润滑的雷诺方程为：
Figure BDA0001205814250000011
圆锥螺旋槽轴承主要由轴承主轴、轴承座组成，为了减少摩擦在这两者之间的间隙中往往施加了润滑脂或者润滑油或者空气。在轴承转速恰当的条件下，能够在轴承间隙中形成动压润滑。而当轴承转速较低时(例如机器启动或者停止时)，动压润滑还未形成或者将要消失，轴承主轴与轴承座直接接触的几率将增加，这将导致轴承主轴与轴承座之间摩擦力矩过大，磨损严重，影响轴承工作寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，它不仅能产生动压润滑，而且能同时产生静压润滑的仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，流体动压润滑的压力与静压润滑的压力叠加，提高了轴承承载的能力、改善了润滑性能；以解决现有圆锥螺旋槽轴承在工作时只存在动压润滑从而造成低速条件下圆锥螺旋槽轴承摩擦力矩大、磨损严重的问题。
本发明采用的技术方案是：
一、一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承
本发明包括：轴承主轴和轴承座；轴承主轴与轴承座相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变结构螺旋槽；轴承座与轴承主轴之间充满润滑剂。
所述多条变结构螺旋槽为变槽深螺旋槽，即螺旋槽槽深hg1…hgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或变螺旋角螺旋槽，即多条螺旋槽螺旋角β1…βn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的轴线方向上是线性增加的；或变槽宽螺旋槽，多条螺旋槽槽宽bg1…bgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或螺旋槽槽深、螺旋角以及螺旋槽槽宽都按线性变化的组合排布。
所述轴承主轴上的螺旋槽数目为5～20。
所述轴承主轴上的多条变结构螺旋槽其横截面形状为矩形、三角形或圆弧形。
所述每条螺旋槽槽深hg1…hgn分别和轴承间隙h0相加除以轴承间隙h0之比为1.3～6.4，即：
Figure BDA0001205814250000021
所述每条螺旋槽螺旋角β的取值范围为2°～70°。
所述每条螺旋槽槽宽bg1…bgn除以各自槽宽bg1…bgn加台宽br之和之比为0.1～0.9，即：
Figure BDA0001205814250000022
二、另一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承
本发明包括：轴承主轴和轴承座；所述轴承主轴为双锥形轴承主轴，所述轴承座为双锥形轴承座，双锥孔轴承座中心自内至外的两侧分别设置结构相同、且对称布置的一根双锥形轴承主轴，双锥形轴承主轴与双锥孔轴承座相配合的一端为圆锥体，在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽；双锥孔轴承座与双锥形轴承主轴之间充满润滑剂。
所述在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽的结构必需相同，是变槽深螺旋槽，或变螺旋角螺旋槽，或变槽宽螺旋槽，或螺旋槽槽深、螺旋角以及螺旋槽槽宽都按线性变化的组合排布。
本发明具有的有益效果是：
1)将轴承主轴上的螺旋槽按照槽深线性增加排布，或者螺旋角线性增加排布，或者螺旋槽宽度线性增加排布，或螺旋槽的槽深、螺旋角以及槽宽线性变化组合的排布；使得圆锥螺旋槽轴承在工作时既能产生动压润滑也能产生静压润滑，解决传统圆锥螺旋槽轴承在低速条件下动压润滑还未形成或者将要消失而导致的摩擦力矩大、磨损严重等问题。
2)减少了轴承主轴与轴承座在工作时的直接接触，能长期保持精度，延长轴承的工作寿命。
3)本发明中的圆锥螺旋槽轴承也可以在两侧开设对称的多条螺旋槽，使得轴承在工作时既可以承受径向载荷也可以承受不同方向上的轴向载荷。
附图说明
图1是动压润滑形成过程图。
图2是盘羊角图。
图3是普通圆锥螺旋槽轴承示意图。
图4是图3的A放大图。
图5是(a)、(b)、(c)分别为矩形横截面螺旋槽、三角形横截面螺旋槽、圆弧形横截面螺旋槽。
图6是本发明的变槽深仿生圆锥螺旋槽轴承示意图。
图7是图6的B放大图。
图8是本发明的变螺旋角仿生圆锥螺旋槽轴承示意图。
图9是本发明的变槽宽仿生圆锥螺旋槽轴承示意图。
图10是图9的C放大图。
图11是本发明实施例4的两侧对称变槽深仿生圆锥螺旋槽轴承的示意图。
其中：1、轴承主轴，2、轴承座，3、润滑剂，4、变槽深的轴承主轴，5、变螺旋角的轴承主轴，6、变槽宽的轴承主轴，7、双锥形轴承主轴，8、双锥孔轴承座；h为最小油膜厚度，h0为轴承间隙，hg为螺旋槽槽深，β为螺旋槽螺旋角，bg为螺旋槽槽宽，br为螺旋槽台宽，lp为无槽区轴向长度，l为有槽区轴向长度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图2所示，盘羊的羊角上分布有许多螺旋槽结构，可以发现螺旋槽从羊角尖端开始向羊角根部依次具有由密集到稀疏的分布规律。这种不均匀的螺旋结构分布规律给本发明启示，将圆锥螺旋槽轴承上的螺旋槽设计成一种非均匀分布的排列形式，具体为螺旋槽螺旋角β、螺旋槽台宽br、螺旋槽槽深hg都是可以变化的，这些参数的变化规律可以是线性的，也可以是非线性的关系。
如图3、图4所示，是普通传统圆锥螺旋槽轴承示意图，包括轴承主轴1、轴承座2和润滑剂3。其中，轴承主轴1与轴承座2配合的一端设计成圆锥体，无槽区轴向长度lp，在圆锥体的有槽区轴向长度l上，即：在圆锥体靠近圆锥大端面的一侧的圆锥面上开设有等螺距、等槽深、等槽宽分布的多条螺旋槽，多条螺旋槽螺旋角β是固定的，螺旋槽槽宽bg和螺旋槽槽深hg也是固定的。轴承座2上有与轴承相配合的圆锥孔。在轴承主轴1和轴承座2之间的轴承间隙h0中施加有润滑剂3。
如图6所示，本发明包括变槽深的轴承主轴4和轴承座2；变槽深的轴承主轴4与轴承座2相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变槽深螺旋槽；轴承座2与变槽深的轴承主轴4之间充满润滑剂3。
如图8所示，本发明包括变螺旋角的轴承主轴5和轴承座2；变螺旋角的轴承主轴5与轴承座2相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变螺旋角螺旋槽；轴承座2与变螺旋角的轴承主轴5之间充满润滑剂3。
如图9所示，本发明包括变槽宽的轴承主轴6和轴承座2；变槽宽的轴承主轴6与轴承座2相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变槽宽螺旋槽；轴承座2与变槽宽的轴承主轴6之间充满润滑剂3。
所述多条变结构螺旋槽为变槽深的螺旋槽，即槽深hg1…hgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的(如图7所示)；或变螺旋角的螺旋槽，即多条螺旋槽的螺旋角β1…βn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的轴线方向上是线性增加的(如图8所示)；或变槽宽的螺旋槽，多条螺旋槽的槽宽bg1…bgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的(如图10所示)；或螺旋槽的槽深、螺旋角以及槽宽线性变化的组合排布。
所述轴承主轴上的螺旋槽数目Ng为5～20。
所述轴承主轴上的多条螺旋槽其横截面形状为矩形、三角形或圆弧形。
所述每条螺旋槽的槽深hg1…hgn分别和轴承间隙h0相加除以轴承间隙h0之比为1.3～6.4，即：
Figure BDA0001205814250000041
所述每条螺旋槽的螺旋角β的取值范围为2°～70°。
所述每条螺旋槽的槽宽bg1…bgn除以各自槽宽bg1…bgn加台宽br之和之比为0.1～0.9，即：
Figure BDA0001205814250000051
如图11所示，是另一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，包括轴承主轴和轴承座；所述轴承主轴为双锥形轴承主轴7，所述轴承座为双锥形轴承座8，双锥孔轴承座8中心自内至外的两侧分别设置结构相同、且对称布置的一根双锥形轴承主轴7，双锥形轴承主轴7与双锥孔轴承座8相配合的一端为圆锥体，在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽；双锥孔轴承座8与双锥形轴承主轴7之间充满润滑剂3。
所述在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽的结构必需相同。是变槽深的螺旋槽，即槽深沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或变螺旋角的螺旋槽，即多条螺旋槽的螺旋角沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的轴线方向上是线性增加的；或变槽宽的螺旋槽，多条螺旋槽的槽宽沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或螺旋槽的槽深、螺旋角以及槽宽线性变化的组合排布。
其螺旋槽数目、螺旋槽横截面形状、螺旋槽的螺旋角等的取值范围均与前一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承完全相同。这种对称设计时，轴承不仅可以承受径载荷还可以使其承受双向的轴向载荷。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，包括轴承主轴和轴承座；其特征在于：轴承主轴与轴承座相配合的一端为圆锥体，在靠近圆锥体的大端面侧的圆锥面上开有多条变结构螺旋槽；轴承座与轴承主轴之间充满润滑剂；
所述多条变结构螺旋槽为变槽深螺旋槽，即螺旋槽槽深hg1…hgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或变螺旋角螺旋槽，即多条螺旋槽螺旋角β1…βn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的轴线方向上是线性增加的；或变槽宽螺旋槽，多条螺旋槽槽宽bg1…bgn沿圆锥体小端面到圆锥体大端面的母线方向上是线性增加的；或螺旋槽槽深、螺旋角以及螺旋槽槽宽都按线性变化的组合排布；
所述每条螺旋槽槽深hg1…hgn分别和轴承间隙h0相加除以轴承间隙h0之比为1.3～6.4，即：
Figure FDA0004206534730000011
所述轴承主轴上的螺旋槽数目为5～20。
2.根据权利要求1所述的一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，其特征在于：所述轴承主轴上的多条变结构螺旋槽其横截面形状为矩形、三角形或圆弧形。
3.根据权利要求1所述的一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，其特征在于：所述每条螺旋槽螺旋角β的取值范围为2°～70°。
4.根据权利要求1所述的一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，其特征在于：所述每条螺旋槽槽宽bg1…bgn除以各自槽宽bg1…bgn加台宽br之和之比为0.1～0.9，即：
Figure FDA0004206534730000012
5.一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，包括轴承主轴和轴承座；其特征在于：所述轴承主轴为双锥形轴承主轴，所述轴承座为双锥形轴承座，双锥孔轴承座中心自内至外的两侧分别设置结构相同、且对称布置的一根双锥形轴承主轴，双锥形轴承主轴与双锥孔轴承座相配合的一端为圆锥体，在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽；双锥孔轴承座与双锥形轴承主轴之间充满润滑剂，所述双锥形轴承主轴中单个锥形轴承为权利要求1所述的一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承。
6.根据权利要求5所述的一种仿生变结构圆锥螺旋槽轴承，其特征在于：所述在靠近两侧圆锥体的大端面侧的圆锥面上分别开有多条变结构螺旋槽的结构必需相同，是变槽深螺旋槽，或变螺旋角螺旋槽，或变槽宽螺旋槽，或螺旋槽槽深、螺旋角以及螺旋槽槽宽都按线性变化的组合排布。
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