CN111637168A - 一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构 - Google Patents

一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长寿命集成式轴系结构，特别是针对空间微型飞轮产品，空间微型飞轮产品对其轴系的结构尺寸、重量和寿命具有苛刻的要求。通过采用轴系安装壳与轴承外圈一体化设计的结构，整个轴系减小了轴承外圈零件，在不降低轴系承载能力的条件下，大大减小了轴系的外形尺寸。轴系中轴承保持架采用一种碳纳米管填充多孔含油聚合物材料，由于碳纳米管特殊的中空管状结构和极强的表面吸附性能，可以大大提高材料的孔隙密度和表面吸附能力，进而提高保持架材料所含润滑油量和润滑寿命。

Description

一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构
技术领域
本发明涉及一种长寿命集成式轴系结构，特别是针对空间微型飞轮产品，空间微型飞轮产品对其轴系的结构尺寸、重量和寿命具有苛刻的要求，长寿命是指连续高转速(一般不低于12000r/min)使用寿命不低于2年，微型是指轴系结构包络尺寸直径小于20mm，质量小于12g。
背景技术
轴系是飞轮、CMG等空间机构的核心支承部件，也是制约空间机构小型化、长寿命实现的关键部件。随着空间技术的发展，航天器对空间机构的体积、重量以及寿命要求越来越苛刻。为了实现空间机构的小体积、轻质量，一般是在满足力学承载的条件下尽可能选择尺寸最小的轴承，然后以所选轴承为核心，进行轴系结构以及整机机构的设计。为了实现空间机构的长寿命，空间机构轴承一般采用多孔含油保持架材料，常用材料为多孔聚酰亚胺和多孔酚醛胶木，材料在使用之前内部浸含一定量的润滑油，当轴承高速转动时，在离心力和热胀冷缩压力的作用下，润滑油从多孔保持架材料中析出，进行轴承润滑，多孔含油保持架含油量在一定程度上直接影响轴系的润滑寿命。
然而传统的轴系结构设计和保持架材料不能满足未来航天器发展对空间机构体积、重量以及寿命更高的需求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构。
本发明的技术解决方案是：
一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，该轴系结构包括主轴、下轴承、上轴承、安装壳、加载螺母和内隔圈；
其中，下轴承包括下轴承滚珠组、下轴承保持架和下轴承内圈；下轴承滚珠组为若干个滚珠；
上轴承包括上轴承保持架、上轴承滚珠组和上轴承内圈；上轴承滚珠组为若干个滚珠；
所述的主轴包括底端的法兰和法兰上面的实心圆柱，实心圆柱的顶端带有外螺纹；
所述的安装壳包括顶端的法兰和法兰下面的空心圆柱，空心圆柱的内表面带有上轴承沟道和下轴承沟道；
下轴承保持架为带有若干个兜孔的空心圆柱；
下轴承内圈套装在主轴的实心圆柱外面，下轴承保持架套装在下轴承内圈外面，下轴承滚珠组安装在下轴承保持架的兜孔中且下轴承滚珠组的外表面位于安装壳的下轴承沟道内，在与主轴的中心轴垂直的方向上，下轴承内圈和安装壳对下轴承滚珠组进行限位；
上轴承保持架为带有若干个兜孔的空心圆柱；
上轴承内圈套装在主轴的实心圆柱外面，上轴承保持架套装在上轴承内圈外面，上轴承滚珠组安装在上轴承保持架的兜孔中且上轴承滚珠组的外表面位于安装壳的上轴承沟道内，在与主轴的中心轴垂直的方向上，上轴承内圈和安装壳对上轴承滚珠组进行限位；
内隔圈套装在主轴的实心圆柱外面，且位于下轴承内圈和上轴承内圈之间；
加载螺母螺纹连接在主轴的实心圆柱的顶端，当加载螺母沿主轴的实心圆柱向下移动时，加载螺母压紧上轴承内圈、内隔圈和下轴承内圈；
上轴承保持架采用碳纳米管填充的多孔含油聚合物材料，上轴承保持架的材料的原料组成包括碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂和造孔剂；
树脂基体为聚酰亚胺树脂或酚醛树脂；
摩擦改性剂为聚四氟乙烯或二硫化钼；
造孔剂为柠檬酸、微晶纤维素或聚乙二醇；
以上轴承保持架的材料的原料的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
碳纳米管 0.1％-3％
摩擦改性剂 2％-10％
造孔剂 10％-25％
余量为树脂基体；
上轴承保持架的制备方法为：将上轴承保持架的材料的原料进行混合均匀，经冷压热烧结而成，冷压是指使用模具室温压实，热烧结在热烧结炉中进行，热烧结程序为：升温速率为1-2℃/min，从室温升温至170-180℃，保温0.8-1.2h，然后升温至250-270℃，保温0.8-1.2h，继续升温至290-310℃，保温0.8-1.2h，随炉冷却至室温；
造孔剂在材料热烧结过程中将因气化而挥发掉，进而在材料中形成大量的孔洞。为了尽可能提高材料的含油吸附能力，材料中所填充碳纳米管应具较大的内经和较高比表面积，一般碳纳米管内径ID应大于20nm，碳纳米管比表面积SSA＞200m2/g；
下轴承保持架与上轴承保持架的材料相同；
整个轴系既可以实现安装壳旋转，也可以实现上轴承内圈和下轴承内圈的旋转。当安装壳法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为外圈旋转；当主轴法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为内圈旋转。
有益效果
(1)本发明的轴系结构实用性较强，轴系零件数量少、结构相对简单，易加工实现，整个轴系装配方便，旋转精度、预载等容易控制；为了满足体积重量进一步减小的要求，即将轴承的外圈与轴系安装壳集成在一起，实现在不降低轴系承载能力的前提下，较大的减小轴系的外形尺寸。为了实现轴系长寿命的润滑需求，采用了一种填充碳纳米管的多孔含油保持架材料，利用纳米材料极强的吸附性能提高多孔材料的含油保持性能，利用碳纳米管中空的管状结构，提高多孔材料的孔隙率和含油率，同时碳纳米管中空的管状结构具有极高的力学强度，能够提高多孔材料的力学性能和抗磨损性能。通过材料试验研究表明，填充碳纳米管的新型多孔材料的含油率提高约40％，含油保持率高于90％，摩擦润滑性能和抗磨损性能得到改善，同时材料具有较高的力学强度，为轴系长寿命润滑实现提供了重要保障。
(2)本发明针对当前轴系结构尺寸和重量无法满足应用需求的问题，提出了一种集成式轴系结构，实现了在不降低轴系承载能力的前提下，大大减小了轴系的结构尺寸和重量，满足了微型飞轮对轴系结构尺寸和重量的要求；针对微型轴系无法设计供油系统以及长寿命高可靠工作需求，提出了一种碳纳米管填充多孔聚合物材料作为轴系轴承保持架材料，由于碳纳米管具有中空的管状结构以及极强的表面吸附性能，填充碳纳米管的多孔聚合物材料相比传统多孔聚合物材料具有更高的含油率，进而能够实现更长的润滑寿命，满足了微型飞轮轴系长寿命润滑需求。
(3)本发明的技术解决方案是：采用集成式轴系结构以及碳纳米管填充多孔含油保持架实现轴系的小尺寸、轻质量和长寿命，长寿命集成式轴系结构整个轴系采用一对角接触球轴承进行旋转支承，两套轴承具有独立的内圈、滚珠组和保持架，为了实现轴系的小尺寸设计，两套轴承的外圈与整个轴系的安装壳进行了一体化设计，安装壳既作为整个轴系与外部电机或基座连接的零件，又作为轴承的外圈零件，参与滚珠组的滚动旋转运动。由于较常规轴系减少了轴承外圈零件，进而实现了轴系在径向尺寸的大大减小，同样减小了轴系的重量。轴承的保持架为碳纳米管填充多孔含油聚合物材料，材料由碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂、造孔剂等制备而成，材料内部具有微米级孔隙，通过真空浸油处理可浸含一定量的润滑油，当轴系高速运转时，保持架材料在离心力和热胀冷缩等力的综合作用下，释放润滑油，进而实现对轴承的润滑。由于轴承的润滑寿命与保持架所含润滑油量有关，而保持架的含油量与材料的孔隙密度和吸附性能有关，碳纳米管由于其特殊的中空管状结构和极强的表面吸附性能，可以大大提高材料的孔隙密度和表面吸附能力，进而提高保持架材料所含润滑油量和润滑寿命。
(4)通过采用轴系安装壳与轴承外圈一体化设计的结构，整个轴系减小了轴承外圈零件，在不降低轴系承载能力的条件下，大大减小了轴系的外形尺寸。
(5)轴系中轴承保持架采用一种碳纳米管填充多孔含油聚合物材料，由于碳纳米管特殊的中空管状结构和极强的表面吸附性能，可以大大提高材料的孔隙密度和表面吸附能力，进而提高保持架材料所含润滑油量和润滑寿命。
附图说明
图1是本发明中所采用长寿命集成式轴系结构图；
图2是本发明中所采用轴系外圈安装法兰结构图；
图3是本发明中所采用轴系主轴安装法兰结构图。
具体实施方式
一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构主要由主轴、安装壳、下轴承滚珠组、下轴承保持架、下轴承内圈、加载螺母、上轴承保持架、上轴承滚珠组、上轴承内圈、内隔圈等组成，轴系结构图如图1所示。整个轴系采用一对角接触球轴承进行旋转支承，其中下轴承内圈5、下轴承保持架4、下轴承滚珠组3和安装壳2组成了下轴承，上轴承内圈9、上轴承保持架7、上轴承滚珠组8和安装壳2组成了上轴承。下轴承内圈5、内隔圈10和上轴承内圈9与主轴1通过间隙配合安装在主轴1上，并且通过主轴1的轴肩和加载螺母6实现轴向固定，下轴承滚珠组3安装在下轴承保持架4的兜孔内，并固定在下轴承内圈5的沟道和安装壳2的下沟道之间，上轴承滚珠组8安装在上轴承保持架7的兜孔内，并固定在上轴承内圈9的沟道和安装壳2的上沟道之间，安装壳2通过下轴承滚珠组3和上轴承滚珠组8实现径向和轴向固定。为了将一步减轻重量，安装壳2的法兰和主轴1的法兰可根据需要做成花瓣的结构，本专利中安装壳2的法兰如图2所示，主轴1的法兰如图3所示。
下轴承内圈5和上轴承内圈9均为无锁口结构，不需要借助外部力量或加热和冷却即可完成轴系拆解和装配，便于整个轴系跑合后的拆解观察。为了提高轴系的抗弯矩能力，轴系中的上下轴承采用背靠背安装方式，即下轴承内圈5和上轴承内圈9的薄壁端相对安装。轴系中上下轴承采用定位预紧的方式施加轴向预载，为了实现轴系中上下轴承轴向预载的调整，在上轴承内圈9和下轴承内圈5之间安装了内隔圈10，通过调整内隔圈10的长度实现轴系中上下轴承轴向预载的调整。为了便于轴系装配，防止上轴承装配时滚珠组8和上轴承保持架7脱落，内隔圈9的外径大于保持架的内径。
为了实现轴系的长寿命润滑，上轴承保持架7和下轴承保持架4采用碳纳米管填充多孔含油聚合物材料，材料主要由碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂、造孔剂等经冷压热烧结而成。材料中碳纳米管的质量含量一般不超过3％，摩擦改性剂的质量含量一般不超过10％，造孔剂的质量含量一般不超过25％，造孔剂在材料热烧结过程中将因气化而挥发掉，进而在材料中形成大量的孔洞。为了尽可能提高材料的含油吸附能力，材料中所填充碳纳米管应具较大的内经和较高比表面积，一般碳纳米管内径ID应大于20nm，碳纳米管比表面积SSA＞200m2/g。
整个轴系既可以实现外圈旋转，也可以实现内圈旋转。当轴系安装壳2法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为外圈旋转；当轴系主轴1法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为内圈旋转。
长寿命集成式轴系结构实用性较强，轴系零件数量少、结构相对简单，易加工实现，整个轴系装配方便，旋转精度、预载等容易控制。
实施例
如图1所示，一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，该轴系结构包括主轴1、下轴承、上轴承、安装壳2、加载螺母6和内隔圈10；
其中，下轴承包括下轴承滚珠组3、下轴承保持架4和下轴承内圈5；下轴承滚珠组3为若干个滚珠；
上轴承包括上轴承保持架7、上轴承滚珠组8和上轴承内圈9；上轴承滚珠组8为若干个滚珠；
所述的主轴1包括底端的法兰和法兰上面的实心圆柱，实心圆柱的顶端带有外螺纹；
所述的安装壳2包括顶端的法兰和法兰下面的空心圆柱，空心圆柱的内表面带有上轴承沟道和下轴承沟道；
下轴承保持架4为带有若干个兜孔的空心圆柱；
下轴承内圈5套装在主轴1的实心圆柱外面，下轴承保持架4套装在下轴承内圈5外面，下轴承滚珠组3安装在下轴承保持架4的兜孔中且下轴承滚珠组3的外表面位于安装壳2的下轴承沟道内，在与主轴1的中心轴垂直的方向上，下轴承内圈5和安装壳2对下轴承滚珠组3进行限位；
上轴承保持架7为带有若干个兜孔的空心圆柱；
上轴承内圈9套装在主轴1的实心圆柱外面，上轴承保持架7套装在上轴承内圈9外面，上轴承滚珠组8安装在上轴承保持架7的兜孔中且上轴承滚珠组8的外表面位于安装壳2的上轴承沟道内，在与主轴1的中心轴垂直的方向上，上轴承内圈9和安装壳2对上轴承滚珠组8进行限位；
内隔圈10套装在主轴1的实心圆柱外面，且位于下轴承内圈5和上轴承内圈9之间；
加载螺母6螺纹连接在主轴1的实心圆柱的顶端，当加载螺母6沿主轴1的实心圆柱向下移动时，加载螺母6压紧上轴承内圈9、内隔圈10和下轴承内圈5；
上轴承保持架7采用碳纳米管填充的多孔含油聚合物材料，上轴承保持架7的材料的原料组成包括碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂和造孔剂；
树脂基体为聚酰亚胺树脂或酚醛树脂；
摩擦改性剂为聚四氟乙烯或二硫化钼；
造孔剂为柠檬酸、微晶纤维素或聚乙二醇；
以上轴承保持架7的材料的原料的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
碳纳米管 2％
摩擦改性剂 8％
造孔剂 15％
余量为树脂基体；
上轴承保持架7的制备方法为：将上轴承保持架7的材料的原料进行混合均匀，经冷压热烧结而成，冷压是指使用模具室温压实，热烧结在热烧结炉中进行，热烧结程序为：升温速率为2℃/min，从室温升温至175℃，保温1h，然后升温至260℃，保温1h，继续升温至300℃，保温1h，随炉冷却至室温；
造孔剂在材料热烧结过程中将因气化而挥发掉，进而在材料中形成大量的孔洞。为了尽可能提高材料的含油吸附能力，材料中所填充碳纳米管应具较大的内经和较高比表面积，一般碳纳米管内径ID应大于20nm，碳纳米管比表面积SSA＞200m2/g；
下轴承保持架4与上轴承保持架7的材料相同；
整个轴系既可以实现安装壳2旋转，也可以实现上轴承内圈9和下轴承内圈5的旋转。当安装壳2法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为外圈旋转；当主轴1法兰与外部电机转子相连时，整个轴系为内圈旋转。
轴系结构包络尺寸直径为18mm，质量为11.5g，连续使用寿命为3年。

Claims (10)

1.一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：该轴系结构包括主轴、下轴承、上轴承、安装壳、加载螺母和内隔圈；
下轴承包括下轴承滚珠组、下轴承保持架和下轴承内圈；下轴承滚珠组为若干个滚珠；
上轴承包括上轴承保持架、上轴承滚珠组和上轴承内圈；上轴承滚珠组为若干个滚珠；
主轴包括底端的法兰和法兰上面的实心圆柱，实心圆柱的顶端带有外螺纹；
安装壳包括顶端的法兰和法兰下面的空心圆柱，空心圆柱的内表面带有上轴承沟道和下轴承沟道；
下轴承保持架为带有若干个兜孔的空心圆柱；
下轴承内圈套装在主轴的实心圆柱外面，下轴承保持架套装在下轴承内圈外面，下轴承滚珠组安装在下轴承保持架的兜孔中且下轴承滚珠组的外表面位于安装壳的下轴承沟道内，在与主轴的中心轴垂直的方向上，下轴承内圈和安装壳对下轴承滚珠组进行限位；
上轴承保持架为带有若干个兜孔的空心圆柱；
上轴承内圈套装在主轴的实心圆柱外面，上轴承保持架套装在上轴承内圈外面，上轴承滚珠组安装在上轴承保持架的兜孔中且上轴承滚珠组的外表面位于安装壳的上轴承沟道内，在与主轴的中心轴垂直的方向上，上轴承内圈和安装壳对上轴承滚珠组进行限位；
内隔圈套装在主轴的实心圆柱外面，且位于下轴承内圈和上轴承内圈之间；
加载螺母螺纹连接在主轴的实心圆柱的顶端，当加载螺母沿主轴的实心圆柱向下移动时，加载螺母压紧上轴承内圈、内隔圈和下轴承内圈；
上轴承保持架和下轴承保持架均采用碳纳米管填充的多孔含油聚合物材料。
2.根据权利要求1所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：上轴承保持架的材料的原料组成包括碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂和造孔剂；
树脂基体为聚酰亚胺树脂或酚醛树脂；
摩擦改性剂为聚四氟乙烯或二硫化钼；
造孔剂为柠檬酸、微晶纤维素或聚乙二醇；
以上轴承保持架的材料的原料的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
碳纳米管 0.1％-3％
摩擦改性剂 2％-10％
造孔剂 10％-25％
余量为树脂基体。
3.根据权利要求2所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：上轴承保持架的制备方法为：将上轴承保持架的材料的原料进行混合均匀，经冷压热烧结而成，冷压是指使用模具室温压实，热烧结在热烧结炉中进行，热烧结程序为：升温速率为1-2℃/min，从室温升温至170-180℃，保温0.8-1.2h，然后升温至250-270℃，保温0.8-1.2h，继续升温至290-310℃，保温0.8-1.2h，随炉冷却至室温。
4.根据权利要求3所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：碳纳米管内径大于20nm。
5.根据权利要求4所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：碳纳米管比表面积大于200m2/g。
6.根据权利要求1所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：下轴承保持架的材料的原料组成包括碳纳米管、树脂基体、摩擦改性剂和造孔剂；
树脂基体为聚酰亚胺树脂或酚醛树脂；
摩擦改性剂为聚四氟乙烯或二硫化钼；
造孔剂为柠檬酸、微晶纤维素或聚乙二醇；
以下轴承保持架的材料的原料的总质量为100％计算，各组分的质量百分含量为：
碳纳米管 0.1％-3％
摩擦改性剂 2％-10％
造孔剂 10％-25％
余量为树脂基体。
7.根据权利要求6所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：下轴承保持架的制备方法为：将下轴承保持架的材料的原料进行混合均匀，经冷压热烧结而成，冷压是指使用模具室温压实，热烧结在热烧结炉中进行，热烧结程序为：升温速率为1-2℃/min，从室温升温至170-180℃，保温0.8-1.2h，然后升温至250-270℃，保温0.8-1.2h，继续升温至290-310℃，保温0.8-1.2h，随炉冷却至室温。
8.根据权利要求7所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：碳纳米管内径大于20nm。
9.根据权利要求8所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：碳纳米管比表面积大于200m2/g。
10.根据权利要求1所述的一种微型飞轮长寿命集成式轴系结构，其特征在于：当安装壳法兰与电机转子相连时，实现外圈旋转；当主轴法兰与电机转子相连时，实现内圈旋转。
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