CN114321184A - 轴承保持架及其应用 - Google Patents

Abstract

一种球轴承的保持架，拥有容纳球形滚动体的兜孔(30)，所述兜孔(30)中至少有一个兜孔(30)拥有在轴承径向上的特定范围内口径由内而外逐渐放大的大致锥形内表面(30a)。在上述保持架的基础上，本发明还提供采用该保持架的轴承、减速器以及相关的机器装置。

Description

轴承保持架及其应用

技术领域

本发明涉及一种轴承保持架，尤其适用于谐波减速器中使用的薄壁轴承。

背景技术

谐波减速器(harmonic drive)因传动比大、平稳低噪、精密可靠、寿命长久等特点在传动领域中得到了广泛的应用。总体而言，谐波减速器在结构上主要包含具有内齿的刚性轮(cirular spline)、具有外齿的柔性轮(flex spline)以及用于使所述柔性轮发生径向变形的谐波发生器(wave generator)。其中，谐波发生器主要由椭圆形的凸轮和通过弹性形变套配在所述凸轮上的柔性薄壁轴承构成。

图1为滚动体在谐波发生器凸轮1支撑下的椭圆形轨道中运行的状态示意图。在角速度恒定的情况下，滚动体在滚道中行进的速度并不一致(线速度等于角速度与半径的乘积)，故在椭圆长轴对应的承载区A范围内滚动体的线速度相对较大，而在椭圆短轴对应的非承载区内C范围内滚动体的线速度则相对较小。不均一的线速度导致滚动体在椭圆轨道上的圆周间距并不总是与兜孔的设计圆周间距一致。为避免滚动体因此冲撞兜孔以致保持架断裂，现有技术普遍采用增加兜孔间隙(兜孔与滚动体之间的尺寸差形成兜孔间隙)的解决方案。然而，加大兜孔间隙的做法在非承载区C不仅不利于对保持架的引导，而且容易引发噪音和振动问题。实践证明，兜孔间隙大的保持架的振动幅度远大于兜孔间隙小的保持架，故合理优化兜孔间隙对保持架的稳定运行和轴承的减振降噪都具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种保持架，拥有容纳球形滚动体的兜孔，所述兜孔中至少有一个兜孔拥有在轴承径向上的特定范围内口径由内而外逐渐放大的大致锥形内表面。

采用上述方案，兜孔的大致锥形内表面能够根据滚动体的径向位移提供与滚动体所处的圆周区域(承载区A至非承载区C)相适应的兜孔间隙，因此特别适合于包含谐波减速器在内的各种柔性轴承的椭圆应用。

在上述保持架的基础上，本发明还提供采用该保持架的轴承、减速器以及相关的机器装置。

以下结合附图详细描述本发明的各种实施方式和有益的技术效果。

附图说明

图1显示滚动体在谐波发生器凸轮支撑下的椭圆形轨道中运行的状态示意图；

图2a显示本发明所述保持架在有球状态下的轴向示意图；

图2b显示本发明所述保持架在有球状态下的径向示意图；

图3a为有球状态下兜孔单元的径向示意图；

图3b为无球状态下兜孔单元的径向示意图；

图4显示在径向视角下对应轴承节圆位置处的兜孔截面图；

图5为兜孔单元的立体透视图。

具体实施方式

在以下描述中，表示方向的用语，例如“轴向”、“径向”以及“圆周方向”，除非另有说明或限定，均指保持架或其所属轴承的轴向、径向和圆周方向。

图1以谐波发生器为例，显示滚动体在谐波发生器凸轮支撑下的椭圆形轨道中运行的状态示意图。所述凸轮的椭圆形轮廓迫使套配于其上的柔性薄壁轴承形成图中所示的椭圆形轨道。由于兜孔间隙的存在，保持架在运行中仍能保持其环形的原始形态，与变形前轴承节圆(滚动体中心所构成的圆)基本保持一致。这导致在椭圆形轨道中运行的滚动体相对于环形的保持架在径向上起伏不定。具体而言，在位于椭圆长轴附近的承载区A内，滚动体在径向上被向外推出，使其中心高于所述的节圆；在位于椭圆短轴附近的非承载区C内，滚动体在径向上向内回落，使其中心低于所述的节圆；在承载区A和非承载区C之间的过度区域B内，滚动体的中心则刚好在径向上与所述节圆大致平齐。

图2～3分别显示本发明所述保持架及其兜孔在不同视角下的结构示意图。从图3中可以看出，兜孔单元(以下亦简称“兜孔”)30具有在径向上由内而外口径逐渐放大的大致锥形内表面30a。这种大致锥形内表面30a能够利用滚动体在径向上的起伏移位同步创造出与滚动体在椭圆轨道上所处区位相适应的兜孔间隙。具体而言，当滚动体从非承载区C向承载区A行进时，滚动体沿径向向外移位，从而导致其与兜孔之间的间隙(兜孔间隙)逐步放大，刚好满足滚动体在承载区内对更大的圆周间隙的需要；而当滚动体从承载区A向非承载区C行进时，滚动体则沿径向向内移位，从而导致其与兜孔之间的间隙逐步缩小，刚好满足滚动体在非承载区以更契合的方式引导保持架的需要。

在以上描述中，所述“大致锥形内表面”是一个广义的概念，它不仅包含标准的圆锥面，还包括抛物面和双曲面。实际上，任何适于保持滚动体的平滑曲面，只要在径向上的口径由内而外逐渐扩大，均可以实现伴随滚动体的起伏而自动调节兜孔间隙的目的，因此均应被理解为本发明所述的大致锥形内表面。

图3b是在无球状态下兜孔单元的径向示意图。图中在径向上由外而内依次标注的上限位置a、过渡位置b和下限位置c分别对应滚动体在承载区A、过渡区B和非承载区C时其中心所处的径向位置。从前文描述可知，所述过渡位置b应该刚好对应轴承节圆在径向上的位置高度，因此在本发明中也被称为“节圆位置”。容易理解，对于特定形状的椭圆轨道而言，滚动体将始终在上限位置a和下限位置c限定的径向区间(以下亦称“起伏范围”)内往复运动。因此，兜孔的内表面只要在所述起伏范围内拥有大致锥形的内表面，就能够实现本发明的目的。

滚动体在椭圆轨道上运行时需要调节的主要是其在圆周方向上的兜孔间隙，其在轴向上兜孔间隙的变化无助于改善滚动体对保持架在圆周方向上的引导，反而容易引发振动和噪音问题。因此，作为一种优选实施方式，所述兜孔的大致锥形内表面最好是大致椭圆锥面。图4显示在径向视角下处于轴承节圆高度位置处的兜孔截面图。从图中可以看出，兜孔的截面为椭圆形截面，其中的椭圆长轴(未显示)对应轴承的圆周方向，椭圆短轴(未显示)对应轴承的轴向方向。采用这种设计，当滚动体在所述起伏范围内沿径往复移动时，其在轴承圆周方向上的兜孔间隙会发生自适应调节，而在轴承轴向上的兜孔间隙则不会发生过于显著的变化。这显然有利于限制保持架与滚动体之间在轴向上的互动，用以确保滚动体运行过程中的最小轴向间隙。

在本发明中，所述“大致椭圆锥面”也是一个广义的概念，它不仅包含标准的椭圆锥面，还包含椭圆抛物面和椭圆双曲面。实际上，任何适于保持滚动体的平滑曲面，只要其在径向上的口径尺寸由内而外逐渐放大，而且在径向视角下具有大致椭圆截面，均可以实现本发明的目的，因此均应被理解为所述的大致椭圆锥面。作为在本发明中的释义，所述大致椭圆截面应被理解为任何允许滚动体在其长度范围内(对应圆周方向)具有充分活动空间的圆曲化长圆图形。例如，所述大致椭圆截面可以是标准的椭圆形状，也可以是类似于田径运动场跑道的形状(由两条直跑道和两个半圆形弧道连接而成)，甚至可以是圆角矩形的形状。

在本发明中，大致椭圆截面的椭圆度(本发明定义为长轴与短轴之比)和大致椭圆锥面的锥度(锥体的大、小端直径差与锥体高度之比)都是限定和调整兜孔间隙(包含轴向间隙和圆周方向的间隙)的关键参数。在谐波发生器的典型应用中，所述椭圆度优选介于1.02至1.10之间，而所述椭圆锥面在椭圆长轴方向上的锥度则优选介于0.5±20％(即0.4至0.6)之间。不难理解，只要锥度和椭圆度设计合理，兜孔的自适应调节机制恰好能够满足滚动体在椭圆形轨道上的不同位置处对圆周方向的兜孔间隙和轴向兜孔间隙的需要。

图5为兜孔单元的立体透视图。作为一种具体实施方式，本发明所述的保持架可以是一种单向插入式保持架，包含大致为环形的基干部(backbone)10和自所述基干部向轴向一侧延伸的爪部(prongs)20。相邻的爪部20之间形成所述的兜孔30，相邻爪部的自由端20a在兜孔30开口处的内侧之间形成兜孔的锁口30b。兜孔锁口30b一方面在轴承装配时作为滚动体进入兜孔的通道，另一方面在轴承运行时用于防止保持架从滚动体上脱离。

在图5所示的具体实施方式中，锁口30b在轴承径向上由外而内尺寸逐步收窄。具体而言，锁口30b在对应下限位置c处的尺寸明显小于滚动体的直径，例如，可以介于滚动体直径的92～96％之间，用以确保兜孔30即使在非承载区C，而且在高速或振动的情况下，也不会从滚动体上脱离。作为进一步的优选实施方式，锁口30b在对应过渡位置(节圆位置)b处的尺寸仅略小于滚动体的直径，例如，可以介于滚动体直径的97～99％之间，用以防止滚动体在装配过程中引的发爪部20在圆周方向上被过分挤压，从而特别有利于滚动体的装配操作。

从图3～5中可以看出，构成锁口30b的爪部20的自由端20a在圆周方向上具有显著的厚度尺寸(相对于现有技术)，而且棱角轮廓均采用钝角设计附以圆曲化处理。上述结构不仅能够提高锁口的强度和刚性，而且易于采用3D打印技术进行生产。厚实的爪部结构能够弥补3D打印材料弹性模量较低的劣势。

有必要指出，上述具体实施方式及相关的技术特征可以仅应用于保持架的部分兜孔。这部分兜孔，例如，可以以间隔的方式分布在整个保持架的圆周范围内，从而局部起到前文所述的调整兜孔间隙的作用并取得相应的技术效果，因此也应当属于本发明的保护范围。

上述构造的保持架可广泛地应用于薄壁轴承、谐波减速器以及相关的机器装置。本领域的技术人员应当理解，所述保持架及其应用不受上述具体实施方式的限制，更具一般性的技术方案将以随附权利要求书中的限定为准。针对本发明的任何变更和改进，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 (10)

1.一种球轴承的保持架，拥有容纳球形滚动体的兜孔(30)，其特征在于：所述兜孔(30)中至少有一个兜孔(30)拥有在轴承径向上的特定范围内口径由内而外逐渐放大的大致锥形内表面(30a)。

2.根据权利要求1所述的保持架，其特征在于：所述特定范围覆盖滚动体在运行过程中在轴承径向上可能到达的上限位置(a)和下限位置(c)。

3.根据权利要求1或2所述的保持架，其特征在于：所述大致锥形内表面(30a)为大致椭圆锥面，其在轴承径向视角下的大致椭圆截面的长轴与轴承的圆周方向一致，短轴与轴承的轴向方向一致。

4.根据权利要求3所述的保持架，其特征在于：所述大致椭圆截面的长轴与短轴的比值介于1.02～1.10之间。

5.根据权利要求4所述的保持架，其特征在于：所述大致椭圆锥面在椭圆长轴方向上的锥度介于0.4～0.6之间。

6.根据权利要求1或2所述的保持架，所述保持架为单向插入式保持架，包含大致为环形的基干部(10)和自所述基干部(10)向轴向一侧延伸的爪部(20)，相邻的爪部(20)之间形成所述的兜孔(30)，相邻爪部(20)的自由端(20a)在兜孔开口处的内侧之间形成兜孔的锁口(30b)，其特征在于：所述锁口(30b)在轴承的径向上由外而内尺寸逐步缩减，在对应所述下限位置(c)处的尺寸介于滚动体直径的92～96％之间。

7.根据权利要求6所述的保持架，其特征在于：所述锁口(30b)在轴承径向上对应节圆位置(b)处的尺寸介于滚动体直径的97～99％之间。

8.一种球轴承，包含内圈、外圈和设置在所述内、外圈之间的至少一列球形滚动体，所述至少一列球形滚动体上设置有权利要求1至7中任意一项所述的保持架。

9.一种谐波减速器，包含具有内齿的刚性轮、具有外齿的柔性轮和用于使所述柔性轮发生径向变形的谐波发生器，其特征在于：所述谐波发生器包含有椭圆凸轮(1)和装配在所述凸轮(1)上的权利要求8中所述的球轴承。

10.一种机器装置，包含权利要求9中所述的谐波减速器。

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