CN112240347A - 轴承保持架及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种单向插入式轴承保持架(1)，包含大致为环形的基干部(10)和从所述基干部(10)向轴向一侧延伸的悬出部(20)。所述悬出部(20)包含在圆周方向上间隔分布的用于容纳球形滚动体(21)的兜孔(22)和用于将毗邻的兜孔(22)连接起来的兜孔连接部(24)。所述兜孔(22)至少在其开口侧的径向内缘(28)附近采用远离滚动体(21)表面的扩展式形态设计。在伞形效应发生时，兜孔开口侧的内壁下缘不容易与滚动体发生干涉，从而消除现有技术中因伞形效应所引发的各种问题。在上述保持架的基础上，本发明还提供一种滚动球轴承，包含内圈、外圈和设置在内、外圈之间的至少一列滚动体。所述单向插入式轴承保持架就设置在所述至少一列滚动体上。

Description

轴承保持架及其应用
技术领域
本发明涉及一种单向插入式轴承保持架，以及采用这种保持架的滚动球轴承。
背景技术
单向插入式保持架(one-way snap-in cage)因其成本低廉、安装方便而成为滚动球轴承的常规配置。如图1和2所示，典型的单向插入式保持架1在轴向上分为大致呈环形的基干部(backbone)10和从所述基干部10向轴向一侧延伸的悬出部(hanging out portion)20。悬出部20包含在圆周方向上间隔分布的用于容纳球形滚动体21的兜孔22和将毗邻的兜孔连接起来的兜孔连接部(pocket connections)24。对应于球形的滚动体，传统的保持架采用球形兜孔，直径略大于滚动体的直径，以便两者形成包覆式的间隙配合。这种配合不仅方便滚动体的装配，而且有利于兜孔与滚动体之间形成稳定的润滑油膜。兜孔22在其开口侧形成爪部(prongs)26，后者在轴向上突出于兜孔连接部24之外。换言之，兜孔连接部24在轴向上“缩进”爪部26的尖端范围内，这样可以减少悬出部的质量，从而降低离心力的作用。
插入式保持架的固有缺点在于，随着转速的提高，悬出部在离心力的作用下有向外扩展变形的趋势，形成所谓的“伞形效应(umbrella effect)”。伞形效应破坏兜孔与滚动体之间的匹配关系，引发兜孔与滚动体之间的干涉，从而导致保持架局部过热，甚至出现局部熔融的现象。更为严重的是，所述干涉易发生在保持架开口侧内壁的径向内缘28位置处，该位置处的接触力易引发保持架整体变形，严重情况下会导致保持架从滚动体上脱落。
为解决上述技术问题，现有的解决方案一般通过扩大兜孔的直径来增加兜孔的内表面与滚动体之间的间隙，从而避免保持架(尤其在其爪部的径向内缘位置处)与滚动体发生干涉。然而，这种方案会导致一系列不良后果，包括：保持架与滚动体配合松弛，容易从滚动体上脱落；以及，在轴承的轴向空间有限的情况下，增大兜孔直径会“压缩”基干部的轴向尺寸，从而削弱基干部的整体刚性。
发明内容
本发明针对单向插入式轴承保持架在伞形效应的作用下与滚动体发生干涉这一技术问题而做出的。为解决上述问题，本发明提供一种单向插入式保持架，包含大致为环形的基干部和从所述基干部向轴向一侧延伸的悬出部。所述悬出部包含在圆周方向上间隔分布的用于容纳球形滚动体的兜孔和用于将毗邻的兜孔连接起来的兜孔连接部。所述兜孔至少在其开口侧内壁的径向内缘附近采用远离滚动体表面的扩展式设计。在伞形效应发生时，这种扩展式结构能够在一定程度上避免兜孔开口侧的内壁下缘与滚动体之间发生干涉，从而有利于避免现有技术中因伞形效应所引发的各种问题。
在上述保持架的基础上，本发明还提供一种滚动球轴承，包含内圈、外圈和设置在内、外圈之间的至少一列滚动体。所述保持架就设置在所述至少一列滚动体上。采用上述保持架的滚动球轴承不尽能够适应更高的转速，而且在相同转速的条件下能够显著降低温升效应，因此具有显著的转速优势和良好的应用前景。
以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式和有益效果。
附图说明
图1为传统的球面兜孔保持架的立体透视图；
图2为图1中A区域的局部放大图；
图3a和3b为显示环面形成机制的几何原理图；
图4为本发明所述环面兜孔保持架的径向透视图；
图5为本发明所述环面兜孔保持架的径向截面图；
图6为图5中B区域的局部放大图；
图7为图5中C区域的局部放大图；
图8为由所有兜孔的几何中心确定的平面在保持架上的截面图；
图9为图8中B区域的局部放大图；
图10为图8中C区域的局部放大图；
图11为图8中沿F-F方向截取的保持架的截面图；以及
图12为图11中B区域的局部放大图。
具体实施方式
为描述方便之目地，本发明中轴承的轴线(图1和4中点划线)所示的方向被定义为“轴向”，垂直于所述轴线的方向被定义为“径向”。另外，附图中滚动体的球心被显示处于兜孔的几何中心位置处，这是为了便于观察本发明，而非刻意表明在本发明中轴承在运行的状态下滚动体始终处于兜孔的几何中心位置处。以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式，其中相同或类似的部件均被赋予相同的附图标记。
如前文所述，在伞形效应的影响下，保持架与滚动体之间最易发生干涉的地方位于兜孔开口侧内壁的径向内缘附近，在附图中以标记28表示，后文中亦被称为“内壁下缘”。这是因为，在基干部的约束下，保持架的悬出部在兜孔开口侧向外扩展的变形幅度比基干部附近要大，所以兜孔与滚动体之间的干涉位置相对集中在兜孔开口侧的内壁下缘附近。理论上讲，内壁下缘在轴承的轴向和径向上都覆盖一定的范围。这是因为，伞形效应与轴承的转速具有正相关性，在不同转速下，滚动体与兜孔开口侧内壁接触的位置不尽相同。因此，干涉区域应该是在伞形效应下兜孔的内壁与滚动体实际发生干涉的位置的集合，这些位置相对集中在兜孔开口侧内壁下缘的位置附近。
为消除兜孔内壁的径向内缘与滚动体之间发生干涉导致的不良后果，本发明设计采用环面(toroidal surface)兜孔保持架。所述的环面是一个几何学上的概念，是指一个平面圆围绕该圆上的一根弦(chord)旋转一周所得的空间曲面。图3a和3b是显示环面形成机制的几何原理图。从图中可以看出，形成的环面可以分为两部分：一部分是由弧长小于半圆的小段圆弧a1围绕所述弦L旋转形成，形状类似于橄榄球(rugby)；另一部分是由弧长大于半圆的大段圆弧a2围绕所述弦L旋转形成，形状类似于南瓜(pumpkin)。本发明所述环面兜孔采用的是前一种形态的环面。顺便指出，形成环面的圆在本发明中被定义为“截面圆(cross-sectional circle)”，所述的弦L在本发明中被定义为“旋转轴线”。
图4为径向视角下本发明所述环面兜孔保持架的立体透视图。图5至7分别为本发明所述保持架的径向截面图及其局部放大图。为显示环面兜孔与球面兜孔的区别，图6和7中同时显示滚动体、球面兜孔以及环面兜孔的各自(虚拟)轮廓或表面Pw、Ps和Pt。从图中可以看出，环面兜孔的表面轮廓Pt是由半径大于球面兜孔表面轮廓Ps的截面圆S围绕旋转轴线L旋转而成；所述旋转轴线L在径向上穿过兜孔的几何中心(图中显示为与滚动体的球心重合)c1，但并不穿过截面圆的圆心c2。从图7中还可以看出，环面兜孔的表面轮廓Pt在基干侧附近的径向内缘28位置处与滚动体表面Pw之间的距离间隔d1远大于传统球形兜孔的表面轮廓Ps在相同位置处与滚动体表面Pw之间的距离d2。
同样的情况也存在于兜孔内壁环绕滚动体的其他径向内缘位置处。图8至10从轴向视角显示环面兜孔的截面图和局部放大图，所述的截面由所有兜孔的几何中心共同确定。从图中可以看出，兜孔的径向内缘与滚动体表面之间的距离d1远大于传统的球面兜孔与滚动体之间的间隙d2。图11和12为沿图4中F-F方向截取的保持架截面图和局部放大图。从图中可以看出，环形兜孔在其开口侧的径向内缘位置处与滚动体表面之间的距离也同样远大于传统球面兜孔与滚动体之间的距离(图中未标记)。
以上附图4至12从不同的角度和位置显示兜孔的内壁至少在其径向内缘位置处形成远离滚动体表面的扩展式结构，从而增加与滚动体表面之间的间隙，使所述间隙至少大于传统球面兜孔与滚动体之间的距离。不难想象，在伞形效应发生时，兜孔的内壁下缘将会沿径向上移，贴近滚动体的表面，而且越靠近兜孔的开口侧，贴近的效果越明显(未显示)。由于环面兜孔相对于球面兜孔在整体上呈现向外扩展的形态，在设计上与滚动体表面的距离渐行渐远，因此在发生伞形效应时，相比于传统的球面兜孔，其径向内缘相对不容易触碰到滚动体的表面。因此，采用环面设计的兜孔能够有效避免传统球形兜孔在伞形效应下与滚动体之间发生干涉的问题以及由此导致的各种不良后果。
从图6和9还可以看出，形成环面兜孔的截面圆S越大，兜孔的径向内缘与滚动体之间的间隙d1就越大，伞形效应所引发的干涉问题就越不容易发生。尽管如此，形成环面兜孔的截面圆并非越大越好。因为，随着截面圆直径的扩大，环面兜孔与滚动体之间的形状契合也逐渐下降，这易引发润滑效果的下降和震动噪音的上升。因此，形成环面兜孔的截面圆应该有一个适当的范围。在该范围内，伞形效应引发的诸多问题能够被有效克服，但也不致因为截面圆过大而影响兜孔与滚动体之间的良好契合。
实验表明，形成环面兜孔的截面圆的半径Rs(见图6和9)宜在1.08至10倍的滚动体半径Rw范围之间。作为一种优选实施方式，所述截面圆的半径Rs宜在1.15至5倍的滚动体半径Rw范围之间。作为进一步的优选实施方式，所述截面圆半径Rs宜在1.25至1.6倍的滚动体半径Rw范围之间。上述尺寸范围内的环面兜孔不仅能够适应不同程度的伞形效应，而且还具有良好的散热性能，特别适用于中、高转速的滚动球轴承。
以上描述的保持架兜孔的内表面整体采用环面设计，其核心理念是令兜孔的径向内缘相对于传统的球面兜孔远离滚动体的表面，从而克服伞形效应可能引发的干涉问题。不难理解，相同的理念可以衍生出其他不同的技术方案，而并不仅限于整体采用环面兜孔这一种实施方式。例如，对包含球面和环面在内的各种不同形态的兜孔进行局部修正，使其径向内缘附近形成局部外扩的形态结构，则都能够达到局部远离滚动体表面的技术效果。概括而言，任何形式的兜孔曲面，只要其径向内缘附近相比于兜孔曲面的其余部分远离滚动体的表面，就都能够实现本发明的目的。
具体而言，兜孔的径向内缘可以局部采用扩展形态的锥面、环面、球面或者任何其他形态的曲面设计，只要该部分曲面相比于兜孔其余表面远离滚动体的表面，而且与所述其余表面形成有效接续即可。以球面形态为例，所述兜孔可以是具有较大曲率半径的球面兜孔下缘与具有较小曲率半径的兜孔其余曲面形成正向接续(在典型情况下截面显示为两圆内切)，也可以是具有任意曲率半径的球面兜孔下缘与兜孔其余部分曲面之间形成反向接续(在典型情况下截面显示为两圆外切)。上述方法不仅使兜孔的径向内缘形成局部外扩的形态，而且实现了不同曲面之间的平滑过渡，特别有利于消除应力集中，从而避免材料磨损。
本领域的技术人员应当理解，以上描述的本发明的各项技术特征，既可以独立实施，也可以联合使用，不受具体实施方式的限制。上述关于保持架以及采用该保持架的滚动球轴承的任何变更和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种单向插入式轴承保持架(1)，包含大致为环形的基干部(10)和从所述基干部(10)向轴向一侧延伸的悬出部(20)，所述悬出部(20)包含在圆周方向上间隔分布的用于容纳球形滚动体(21)的兜孔(22)和用于将毗邻的兜孔(22)连接起来的兜孔连接部(24)，其特征在于：所述兜孔(22)至少在其开口侧的径向内缘(28)位置附近采用远离滚动体(21)表面的扩展式设计。
2.如权利要求1所述的单向插入式轴承保持架(1)，其特征在于：所述兜孔(22)整体采用球面设计，其径向内缘(28)位置附近采用球面、环面或者锥面形态的扩展式曲面设计。
3.如权利要求1所述的单向插入式轴承保持架(1)，其特征在于：所述兜孔(22)整体采用环面设计。
4.如权利要求3所述的单向插入式轴承保持架(2)，其特征在于：所述环面的截面圆的半径Rt范围介于1.08至10倍的滚动体半径Rw之间。
5.如权利要求4所述的单向插入式轴承保持架(2)，其特征在于：所述环面的截面圆的半径Rt范围介于1.15至5倍的滚动体半径Rw之间。
6.如权利要求5所述的单向插入式轴承保持架(2)，其特征在于：所述环面的截面圆的半径Rt范围介于1.25至1.6倍滚动体半径Rw之间。
7.如权利要求3-6中任意一项所述的单向插入式轴承保持架(2)，其特征在于：所述径向内缘(28)位置附近采用球面、环面或者锥面形态的扩展式曲面设计。
8.如权利要求7中所述的单向插入式轴承保持架(2)，其特征在于：所述兜孔的径向下缘与兜孔其余部分形成不同曲面之间的平滑过渡。
9.一种滚动球轴承，包含内圈、外圈和设置在内、外圈之间的至少一列滚动体，其特征在于：所述至少一列滚动体上设置有前续权利要求中任意一项所述的单向插入式轴承保持架(1)。
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