CN113757250B - 具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承，轴承包括内圈、外圈、滚珠、扭簧、可动机构保持架。保持架由SSRSS结构单元环形阵列形成，相邻SSRSS结构单元以球副相连，构成空间RSRS机构运动单元。双曲面滚柱与R副S副间连杆构件形成C副，滚柱可绕连杆构件轴线转动和沿轴线移动，自适应约束双曲面滚柱与轴承滚动体滚动接触，相对滑移小。保持架结构单元由转动副交叉连接且两端为S副的2个连杆构件及4个双曲面滚柱组成，轴承工作时滚珠与保持架滚柱之间滚动运动，摩擦阻力小，可动机构保持架具有可扩展与收缩特性，避免了轴承各部件受载荷、受热膨胀及受冷收缩等引起的游隙过大或过小问题，该轴承可适用于温差变化较大环境。

Description

具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承

技术领域

本发明属于机械传动领域，具体涉及具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承。

背景技术

现有滚动滚珠轴承是由滚动体(滚柱、滚球、滚针等)、内圈、外圈和保持架所组成，保持架可以将各滚动体隔开，使滚动体按固定的间距和位置在内外圈滚道中滚动，目前国内外市场上出售的和各种机械上广泛应用的各类滚动滚珠轴承大多以这种结构形式构造。滚珠轴承在工作时，滚动体与保持架之间是面或线接触，导致现有滚动滚珠轴承保持架与滚动体存在滑动摩擦，滚动体的工作面紧贴在保持架的挡片上滑动，所有挡片对滚动体施加反作用摩擦阻力，阻止滚动体自由滚动，大量消耗掉有用功，将它转变成有害的热能，造成滚动体工作面剥离磨损或使滚珠轴承温度急剧升高，滚动体与保持架极易磨损烧伤，使用寿命短，而国内专利CN1022060C无滑动摩擦磨损的纯滚动母子滚珠轴承具有阻力小能耗小、效率高等特点，但其滚珠轴承的游隙难以改变，无法满足高端需求。

综上，现有的滚动滚珠轴承在温度升高、降低、载荷冲击时由于滚动体和保持架的热膨胀、冷收缩，滚动体与保持架之间的工作游隙产生变化，导致滚动体在保持架中游隙过小或过大，摩擦力增加，精度降低等弊病，甚至情况严重时造成滚珠轴承卡死或振动大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承，包括内圈、外圈、滚动体和可动机构保持架，滚珠轴承工作时滚动体与可动机构保持架之间运动为滚动，摩擦阻力小，减少摩擦热能，提高精度，同时由于可动机构保持架具有扩展与收缩特性，保证了滚动体不会因为热膨胀或冷收缩造成与可动机构保持架之间游隙变化不一致导致滚珠轴承摩擦力增加，精度降低，甚至情况严重时造成滚珠轴承卡死或振动大，以上特点使得该滚珠轴承可适用于温差变化较大环境。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案为：

具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，用于约束多个轴承滚珠，其特征在于：为由多个依次连接的空间四杆机构运动单元形成的呈圆形阵列的空间运动链，且空间四杆机构运动单元为由四根等长的约束杆段依次连接构成的空间封闭四杆机构，用于约束对应轴承滚珠，每个约束杆段上同轴套设有回转接触体，且回转接触体沿约束杆段可移动地设置，回转接触体用于与轴承滚珠滚动接触。

优选地，回转接触体为双曲面滚柱。

进一步地，回转接触体的曲率半径大于等于轴承滚珠的曲率半径。

优选地，本发明包括多个依次连接的保持架结构单元，保持架结构单元包括两个保持杆和四个回转接触体，且每个保持杆上同轴套设两个回转接触体，其中，两个保持杆的中部相互铰接，且同个保持杆的两个回转接触体分别可移动地设置在铰接点的两侧，两个保持架结构单元的两个保持杆通过端部球副连接，从而两个保持架结构单元之间形成空间四杆机构运动单元。

进一步地，本发明还包括多个复位扭簧，分别设置在不相邻的保持架结构单元上，且复位扭簧位于空间四杆机构运动单元内，复位扭簧的中部设置在两个保持杆的铰接点，两个扭臂分别设置在两个保持杆上，当空间四杆机构运动单元处于初始状态时，复位扭簧为蓄能状态；当空间四杆机构运动单元处于变形状态时，复位扭簧为回复状态。

一种滚珠轴承，包括轴承内圈、轴承外圈、多个轴承滚珠以及上述的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架将多个轴承滚珠约束在轴承内圈及轴承外圈之间，当滚珠轴承受环境温度或载荷冲击而导致其包含的相关元件发生变化时，整个滚珠轴承的部件均发生形变，为了便于分析说明，将所有轴承滚珠所在圆作为基准圆，归一化轴承滚珠所在基准圆的直径，其他零部件尺寸同比放大或缩小，总体归为扩展或收缩两种情况，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架自适应地扩展或者收缩，且回转接触体与轴承滚珠的表面贴紧。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架为由多个依次连接的空间四杆机构运动单元形成的圆形结构，且空间四杆机构运动单元为由四根等长的约束杆段依次连接构成的空间四杆机构，每个约束杆段上同轴套设有回转接触体，且回转接触体沿约束杆段可移动地设置，回转接触体用于与轴承滚珠滚动接触，因此，本发明通过滚动接触极大地降低了滚珠轴承在工作中产生的摩擦生热，从而大大延长了滚珠轴承的使用寿命。

2.因为本发明的回转接触体为双曲面滚柱，因此，本发明的回转接触体能够更好贴合轴承滚珠的球面进行滚动接触。

3.因为本发明的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架包括多个依次连接的保持架结构单元，保持架结构单元包括两个保持杆和四个回转接触体，且每个保持杆上同轴套设两个回转接触体，两个保持杆的中部相互铰接，且同个保持杆的两个回转接触体分别可移动地设置在铰接点的两侧，两个保持架结构单元的两个保持杆通过端部球副连接，从而两个保持架结构单元之间形成空间四杆机构运动单元，因此，本发明能够根据轴承因热胀冷缩发生的体积变化而进行自适应变化，从而始终保持良好的工作游隙，进而保证了轴承滚珠与轴承内圈及外圈始终保持最佳的配合精度，且球副的设置具有自调心作用。

4.因为本发明还包括多个复位扭簧，分别设置在不相邻的保持架结构单元上，且复位扭簧位于空间四杆机构运动单元内，复位扭簧的中部设置在两个保持杆的铰接点，两个扭臂分别设置在两个保持杆上，因此，本发明的复位扭簧能够使得回转接触体能够始终紧贴在轴承滚珠的表面。

附图说明

图1为本发明的实施例的滚珠轴承的结构示意图；

图2为本发明的实施例的滚珠轴承的爆炸示意图；

图3为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架的示意图；

图4为本发明的实施例的保持架结构单元的示意图；

图5为本发明的实施例的相连接的两个保持架结构单元与轴承滚珠的配合示意图；

图6为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元的机构简图；

图7(a)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元正常状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图7(b)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元正常状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；

图7(c)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元收缩状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图7(d)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元收缩状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；

图7(e)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元扩展状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图7(f)为本发明的实施例的空间四杆机构运动单元扩展状态下与轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；

图8(a)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架正常状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图8(b)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架正常状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；

图8(c)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架收缩状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图8(d)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架收缩状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；

图8(e)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架扩展状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的轴向配合示意图；

图8(f)为本发明的实施例的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架扩展状态下与多个轴承滚珠的滚珠轴承的径向配合示意图；以及

图9为本发明的轴承滚珠所在基准圆的示意图。

图中：100、滚珠轴承，10、轴承外圈，20、轴承滚珠，30、具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，31、保持架结构单元，311、保持杆，312、回转接触体，30a、空间四杆机构运动单元，31a、约束杆段，40、轴承内圈，50、复位扭簧，L、空间四杆机构参照线，O、滚珠球心，J、基准圆。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架及轴承作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

如图1和图2所示，本实施例中的一种滚珠轴承100，包括轴承外圈10、多个轴承滚珠20、具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30、轴承内圈40以及多个复位扭簧50。

具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30将多个轴承滚珠20约束在轴承内圈40及轴承外圈10之间，并使得多个轴承滚珠20呈圆形均匀设置且能够自由转动。

如图3所示，从结构上看，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30为由多个依次连接的空间四杆机构运动单元30a形成的呈圆形阵列的空间运动链，且空间四杆机构运动单元30a为由四根等长的约束杆段31a依次连接构成的空间封闭四边形，用于对应约束轴承滚珠20。

每个约束杆段31a上同轴套设有回转接触体312，且回转接触体312沿约束杆段31a可移动地设置，回转接触体312用于与轴承滚珠20滚动接触，即当轴承滚珠20滚动时，约束杆段31a通过回转接触体312与轴承滚珠20接触，即：回转接触体312在约束杆段31a上形成C副连接，具体的，回转接触体312为双曲面滚柱，且其曲率半径大于等于轴承滚珠20的曲率半径。

如图3和图4所示，从构成零件上看，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30包括多个依次连接的保持架结构单元31。

保持架结构单元31包括两个保持杆311和四个回转接触体312，且每个保持杆311上同轴套设两个回转接触体312，两个保持杆311的中部相互铰接，且同个保持杆311的两个回转接触体312分别可移动地设置在铰接点的两侧。

如图3-图5所示，两个保持架结构单元31的两个保持杆311通过端部球副连接，从而两个保持架结构单元31之间形成空间四杆机构运动单元30a，即每个保持杆311位于铰接点两侧的部分杆段即为均相邻的两个空间四杆机构运动单元30a的约束杆段31a，从而形成了空间的SSRSS机构。

多个复位扭簧50分别设置在不相邻的保持架结构单元31上，且每个复位扭簧50均对应位于空间四杆机构运动单元30a内，复位扭簧50的中部设置在两个保持杆311的铰接点，两个扭臂分别设置在两个保持杆311上，当空间四杆机构运动单元30a处于初始状态时，复位扭簧50为蓄能状态；当空间四杆机构运动单元30a处于变形状态时，复位扭簧50为弹性回复状态，即当两个保持杆311以铰接点为转轴相互靠近或远离时，复位扭簧50为蓄能状态。

如图6所示，空间四杆机构运动单元30a在约束对应的轴承滚珠20时，当轴承滚珠20因热胀冷缩发生体积变化时，轴承滚珠20相对于空间四杆机构运动单元30a发生了位置变化，从而导致了两个保持杆311以铰接点为转轴相互靠近或远离，而后，同个空间四杆机构运动单元30a的球副对应的两个约束杆段31a也相应地进行了弯折，从而使得空间四杆机构运动单元30a以对角为轴线进行相应的弯折，同时，在弯折的过程中回转接触体312与轴承滚珠20因为复位扭簧的回复力始终紧贴，并且由于回转接触体312为双曲面型，回转接触体312在弯折的过程中，也被轴承滚珠带动而相应沿着约束杆段31a进行移动，即当轴承滚珠20膨胀或者收缩时，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30自适应地扩展或者收缩，且在复位扭簧50的作用力下，回转接触体312与轴承滚珠20的表面始终贴紧。

具体地，如图7(a)-图7(b)所示，当轴承滚珠20未发生体积变化时，空间四杆机构运动单元30a通过具有双曲面表面的回转接触体312对轴承滚珠20进行紧贴约束，在轴承滚珠20自由滚动的过程中，回转接触体312被带动绕约束杆段31a转动，从而与轴承滚珠20保持滚动摩擦状态。

如图8(a)-图8(b)所示，当轴承滚珠20未发生体积变化时，空间四杆机构运动单元30a保持初始形状，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30形成的圆形结构保持初始大小。

当滚珠轴承100的环境温度或载荷冲击而导致其包含的相关元件发生变化时，整个滚珠轴承100的部件均发生形变，为了便于分析说明，将整个滚珠轴承100以具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30形成的圆形为基准，将如图9所示的所有轴承滚珠20所在圆作为基准圆J，归一化轴承滚珠20所在基准圆J的直径，其他零部件尺寸同比放大或缩小，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30及空间四杆机构运动单元30a总体归为扩展或收缩两种情况，详细地自适应扩展或收缩的过程如下：

如图7(c)-图7(f)所示，当轴承滚珠20因高速运动而发热膨胀或者处于高温或低温环境中而发生热胀冷缩时，轴承滚珠20相对于空间四杆机构运动单元30a发生了位置变化，而约束轴承滚珠20的四个回转接触体312被带动从而分别沿约束杆段31a移动，且该移动为朝向靠近的球副连接进行移动，从而四个回转接触体312两两形成对称且相互远离的移动过程，而后，对应的空间四杆机构运动单元30a也以两个球副连接点的连线为弯折轴相应地进行了弯折，从而对应轴承滚珠20的膨胀或收缩，轴承滚珠20对应地逐渐脱出空间四杆机构运动单元30a或者逐渐进入空间四杆机构运动单元30a，即归一化后的空间四杆机构运动单元30a为扩展或收缩状态，在上述过程中，因铰接点处的两个约束杆段31a的夹角产生了变化，而且由于所有约束杆段31a均由依次球副连接的多根保持杆311形成，因此，设置在不相邻的保持架结构单元31上的多个复位扭簧50发生了形变而处于蓄能状态，其弹性回回复力使得空间四杆机构运动单元30a内的回转接触体312始终保持与轴承滚珠20的紧贴。

空间四杆机构运动单元30a的一对球副的球心连线与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30平行，并将球心连线作为空间四杆机构参照线L,将对应的轴承滚珠20的球心作为滚珠球心O，当空间四杆机构运动单元30a为初始或扩展的稳定状态时，空间四杆机构参照线L与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的最短距离均大于滚珠球心O与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的最短距离；当空间四杆机构运动单元30a为收缩的稳定状态时，空间四杆机构参照线L与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的最短距离小于滚珠球心O与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的最短距离。

如图8(c)-图8(f)所示，当轴承滚珠20因高速运动而发热膨胀或者处于高温或低温环境中而发生热胀冷缩时，对应的空间四杆机构运动单元30a也以两个球副连接点的连线为弯折轴相应地进行了弯折，从而空间四杆机构运动单元30a的初始形状因为弯折引起多对应地扩展或者收缩，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30形成的圆形结构自适应地方大或者缩小即归一化后的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30为扩展或收缩状态。

以下为本实施例中的滚珠轴承100的工作原理及方式的详细说明：

当轴承内圈40转动，轴承滚珠20与轴承内圈40相对滚动，同时轴承滚珠20将负载传递给与其相接的轴承外圈10的滚道面上，轴承外圈10固定在机架上处于相对静止状态或轴承外圈10与机架相对滚动，使得轴承滚珠20沿轴承内圈40及轴承外圈10的滚道作自转和公转滚动；轴承滚珠20滚动时，还会与具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30上的回转接触体312相对滚动，也推着具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的各空间四杆机构运动单元30a也绕着滚珠轴承100的旋转轴线作公转运动，同时回转接触体312以约束杆段31a为轴进行自转，回转接触体312把其所受的力传给约束杆段31a，约束杆段31a把力通过两个空间四杆机构运动单元30a间的铰接点形成的转动副R传给相邻的空间四杆机构运动单元30a，从而推动相邻的空间四杆机构运动单元30a运动。如此周而复始，经过轴承滚珠20的推动，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30中的回转接触体312绕约束杆段31a自转，同时空间四杆机构运动单元30a作绕滚珠轴承100的轴线的公转运动，两个空间四杆机构运动单元30a间的铰接点形成的转动副R推着相邻的空间四杆机构运动单元30a绕铰接点转动，首尾相接，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30达到自平衡状态，在这个过程中轴承滚珠20和轴承内圈40、轴承外圈10及具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30之间的摩擦方式基本上都为滚动摩擦，摩擦阻力小。

当具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30在环境温度发生变化时，由于滚珠轴承100各组成部分及零件热膨胀系数不同，其各构件受温度变化影响后各组成部分及零件相对运动的综合等效为具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30扩展和收缩两种模式的运动。目前叙述一种实施例，例如温度升高时，滚珠轴承100膨胀，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的大小变化与轴承滚珠20的变化不一致会影响滚珠轴承100的转动，这时保持架结构单元31的铰接点形成的转动副R连接的两个保持杆311之间的夹角变小或者变大两个保持杆311之间角度变小时，相邻的球副连接的距离变小，呈RSRS机构的空间四杆机构运动单元30a以空间四杆机构参照线L进行展开，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的半径增大，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30总体在滚珠轴承100的径向扩展，使得具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30周长变长，相互铰接的两个保持杆311之间角度变大时，相邻的球副连接的距离变大，呈RSRS机构的空间四杆机构运动单元30a以空间四杆机构参照线L进行折叠，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30的半径减小，具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30总体在滚珠轴承100的径向收缩，使得具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30周长减小，这两种情况使得具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30自适应地与轴承滚珠20的上部分或者下部分接触，以适应轴承滚珠20的形状变化，防止轴承滚珠20卡死或者游隙过大，从而保障滚珠轴承100的正常运转，当温度恢复时，复位扭簧10使的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架30复原。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (5)

1.具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，用于约束多个轴承滚珠，其特征在于：

为由多个依次连接的空间四杆机构运动单元形成的呈圆形阵列的空间运动链，且该空间四杆机构运动单元为由四根等长的约束杆段依次连接构成的空间封闭四杆机构，用于对应约束所述轴承滚珠，

每个所述约束杆段上同轴套设有回转接触体，且该回转接触体沿所述约束杆段可移动地设置，所述回转接触体用于与所述轴承滚珠滚动接触，

所述具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架包括多个依次连接的保持架结构单元，该保持架结构单元包括两个保持杆和四个所述回转接触体，且每个所述保持杆上同轴套设两个所述回转接触体，

其中，两个所述保持杆的中部相互铰接，且同个所述保持杆的两个所述回转接触体分别可移动地设置在铰接点的两侧，两个所述保持架结构单元的两个所述保持杆通过端部球副连接，从而两个所述保持架结构单元之间形成所述空间四杆机构运动单元。

2.根据权利要求1所述的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，其特征在于：

其中，所述回转接触体为双曲面滚柱。

3.根据权利要求2所述的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，其特征在于：

其中，所述回转接触体的曲率半径大于等于所述轴承滚珠的曲率半径。

4.根据权利要求1所述的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，其特征在于，还包括：

多个复位扭簧，分别设置在不相邻的所述保持架结构单元上，且所述复位扭簧位于所述空间四杆机构运动单元内，

所述复位扭簧的中部设置在两个所述保持杆的铰接点，两个扭臂分别设置在两个所述保持杆上，

当所述空间四杆机构运动单元处于初始状态时，所述复位扭簧为蓄能状态；当所述空间四杆机构运动单元处于变形状态时，所述复位扭簧为回复状态。

5.一种滚珠轴承，其特征在于，包括：

轴承内圈、轴承外圈、多个轴承滚珠以及权利要求4所述的具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架，

所述具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架将所述多个轴承滚珠约束在所述轴承内圈及所述轴承外圈之间，

当所述滚珠轴承膨胀或者收缩时，

当所述滚珠轴承受环境温度或载荷冲击而导致其包含的相关元件发生变化时，整个所述滚珠轴承的部件均发生形变，将所有所述轴承滚珠所在圆作为基准圆，归一化所述轴承滚珠所在所述基准圆的直径，其他零部件尺寸同比放大或缩小，总体归为扩展或收缩两种情况，

所述具有曲面滚道自适应约束滚动体的可动机构保持架自适应地扩展或者收缩，且所述回转接触体与所述轴承滚珠的表面贴紧。

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