CN114934954A - 一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承 - Google Patents

Abstract

一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，包括轴承内圈、滚珠、轴承外圈和壳体；轴承内圈包括圆筒形的轴连接部分和圆环形的封闭端面部分，轴连接部分的一端与封闭端面部分的内端面连接，封闭端面部分的内端面设置曲面结构，曲面结构包括槽区与非槽区；滚珠和轴承外圈位于轴承内圈与壳体形成的封闭空间，滚珠设置于轴连接部分外圆柱面与轴承外圈内圆柱面之间，轴承外圈一侧端面与曲面结构之间、另一侧端与壳体之间均形成空腔；轴承外圈上沿轴向开有通槽孔，在轴承运转过程中，润滑介质沿空腔‑滚珠‑曲面结构‑通槽孔‑空腔的路径循环。本发明降低了滚动轴承发热引起的整体温升，简化了轴承润滑系统，且实现了更好的润滑功能。

Description

一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承

技术领域

本发明属于轴承技术领域，特别涉及一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其可自动实现润滑介质的内部循环，可应用于精密传动机构主轴、变速器、发动机等小型、高速、轻载等旋转机械系统中。

背景技术

滚动轴承是旋转机械系统及设备中最常用的基础通用零部件之一，实现对转子系统的支撑和降低旋转摩擦等作用。现有的滚动轴承种类繁多，其中深沟球轴承的应用最为广泛，如在航天航空高速传动系统、全自动加工设备、先进机械制造机床主轴系统及相关设备等。现场运行实践证明旋转机械系统及其设备的运行状态与轴承性能直接相关，轴承的良好润滑是保证系统可靠运行的关键。

现有的滚动轴承润滑形式一般为油润滑或脂润滑。如对于开式轴承，多采用油润滑，此润滑形式需要不定期清洗过滤器、油箱等，以确保油液干净，且针对每一类设备，均需设计一种润滑系统以确保轴承始终处于良好的润滑状态。对于闭式轴承，相较于系统复杂的油润滑，采用的脂润滑方案可以使系统小型化、轻量化，且供油次数少；但系统运行过程的换脂或加脂较困难，润滑脂在高温下也易出现氧化现象，不利于轴承的长期维护和使用。综上，对于要求精密支撑的滚动轴承使用场合，无论采用油润滑或者脂润滑均会带来外部的复杂供油系统或供油不足，因此为便于实现对滚动轴承高效稳定的流体介质润滑与散热功能，自润滑轴承逐渐被提出并得以发展。

已有不少研究者提出了多种轴承自润滑方案，多数方案为采用固体自润滑材料来实现轴承的自润滑效果，如专利CN203868137U(一种高速自润滑滚动轴承)提出的轴承的滚动体采用氮化硅陶瓷球，轴承内圈、外圈的滚道上具有离子溅射的WS2涂层；轴承的保持架为聚酰亚胺基自润滑复合材料保持架等，无需润滑介质。申请专利CN112412982A，公开了一种在轴承外圈内圆柱面布有若干填充槽，填充槽内有石墨层的润滑方案。虽然这种自润滑形式可以在保证润滑效果正常的情况下持续补充石墨粉，使用方式也很方便，但是，飞溅出来的石墨粉被收纳在轴承外圈端面位置的V形槽后，无法在润滑过程中循环再利用。

此外也有通过增加外润滑系统实现润滑油的供应与循环方案，如专利CN105526261B公开了一种双轴承润滑系统，该润滑系统在多个零件处开孔作为回油通道，有效解决了因为离心作用导致靠近轴心一侧得不到足够润滑油的问题。但此设计方案需要极高的加工和安装的精度，零件与零件之间的间隙也会造成油液的泄漏；此方案在主轴上开有油路，若此处油路发生堵塞则需更换主轴，故在加工和维护方面不够便利；同时，所采用的复杂润滑系统会增加整机系统设计与运行的负担，不利于设备的长期稳定运转。

申请专利CN109578446A公开了一种包括吸排脂装置的轴承循环润滑结构，其通过在轴承外圈开有注油孔和排油孔，将排油孔与吸脂口相连，注油孔连有油脂供给装置，从而实现润滑脂的循环更换。这是一类外部循环供油方法，其需要设计外部供应泵系统才能达到预定的目的，极大地增加了轴承润滑系统的复杂性，更不利于实际的维护轴承的更换等。

专利CN109681534A提出一种油润滑轴承，通过在内圈或者外圈上设有进油孔，外圈的底部设有排油孔，利用四点接触轴承的工作特性合理地避开滚动体在与内外圈的接触，通过外加润滑系统，以进油孔输入润滑油对轴承润滑能够保证轴承的高速性能，提高轴承的散热效率，保证润滑油不外泄。

对上述已有专利及其自润滑轴承实现方案的分析可见，一般对于滚动轴承的自润滑实现有两大类：一类采用固体润滑材料实现无润滑介质下的自润滑(依赖材料特性)，另一类采用外加润滑系统的方案(附加系统特性)。虽然上述两类自润滑滚动轴承都能够起到一定的良好润滑的目的，但不足之处也较为明显，其一过多的依赖于材料自润滑特性，成本高，且材料的磨损会导致轴承工作间隙变化进而导致运行不平稳；其二外加的润滑系统不仅使得整体设备所需空间增大，而且也增加了轴承支撑主轴的负载；同时复杂化的润滑系统，在加工检修方面存在明显的不便性。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，降低滚动轴承发热引起的整体温升，简化轴承润滑系统，并实现更好的润滑功能，本发明的目的在于提供一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其内圈连接封闭端面，封闭端面布有复杂曲面且外圈端面开通沿轴向槽孔。在轴承正常运行情况下，复杂曲面结构在旋转过程中由离心及动压效应可实现内部润滑介质的循环，极大地提高轴承内部流体的循环效率，从而显著提高轴承自身散热效果，降低轴承温升，避免出现由于温度过高而引起的润滑油氧化引起的性能劣化现象。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，包括轴承内圈、滚珠、轴承外圈和壳体；

所述轴承内圈包括圆筒形的轴连接部分和圆环形的封闭端面部分，所述轴连接部分的一端与封闭端面部分的内端面连接，所述封闭端面部分的内端面设置曲面结构，所述曲面结构包括槽区与非槽区；

所述轴承内圈与所述壳体形成封闭空间，所述滚珠和所述轴承外圈位于所述封闭空间，且所述滚珠设置于所述轴连接部分的外圆柱面与所述轴承外圈的内圆柱面之间，所述轴承外圈的一侧端面与所述曲面结构之间、另一侧端面与壳体之间均形成空腔；

所述轴承外圈上沿轴向开有若干通槽孔，所述空腔用于存储与传输润滑介质，在所述轴承的运转过程中，所述润滑介质沿空腔-滚珠曲面结构-通槽孔-空腔的路径循环。

在一个实施例中，所述轴连接部分的外圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽一，所述轴承外圈的内圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽二，所述滚珠置于所述凹槽一与所述凹槽二中。

在一个实施例中，所述滚珠的数量范围3-15个，奇数周向单排或双排均布，滚珠的直径为对应相同整体结构尺寸的国家标准中所选滚动轴承型号用滚珠直径的1/2～2/3。

在一个实施例中，所述轴连接部分的另一端端面或外圆柱面与所述壳体接近所述另一端的内端面或内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈一，所述封闭端面部分的内端面或外圆柱面与所述壳体接近所述内端面的外端面或内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈二；所述轴连接部分的外圆柱面与所述壳体的内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈三。

在一个实施例中，所述曲面结构为对数螺旋线槽、抛物线型曲面或渐开线型曲面。

在一个实施例中，所述槽区与非槽区的面积比为1:1～1:3。

在一个实施例中，所述轴连接部分的内径与所述封闭端面部分的内径相等，轴件从所述轴连接部分和封闭端面部分穿过，并实现与轴连接部分的过盈配合。

在一个实施例中，所述空腔的间隙范围，即所述轴承外圈的另一端与壳体之间的间距范围，为0.005～5mm。

在一个实施例中，所述壳体为一空心圆柱体，内部有一轴承肩用来实现对轴承外圈的定位。

在一个实施例中，所述润滑介质的体积范围为：

其中D为轴承的外径，d为轴承内径，B为轴承宽度。

在一个实施例中，所述壳体沿径向开1～2个与空腔相通的进油孔，用于润滑介质的施加与补充。

相比现有发明技术，本发明的优点是：通过适当减小现有标准滚动轴承内圈轴向长度，在轴承内圈一侧设计封闭端面部件，且封闭端面部件内端面为复杂曲面结构；轴承外圈端面开通槽孔，复杂曲面结构在转动过程中形成的流体动压效应及泵送效应，使得润滑油可以在整个轴承内通过该通槽孔进行循环流动，实现更好的润滑和带走更多热量；且无论选择脂润滑或油润滑，整个轴承一直处于润滑油液中，降低了摩擦系数，完全简化了轴承的润滑系统，但实现了更好的润滑功能。

附图说明

图1为整体结构剖面图。

图2为轴承内圈主视图和轴测图。

图3为局部放大图。

图4为轴承外圈主视图和剖面图。

图5为壳体剖面图。

图6为实施例2结构剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，包括轴承内圈1、滚珠2、轴承外圈3和壳体4。

如图2所示，轴承内圈1包括轴连接部分11和封闭端面部分12，轴连接部分11为圆筒形结构，封闭端面部分12为圆环形结构，轴连接部分11的一端与封闭端面部分12的内端面连接。容易理解，二者宜采用垂直连接结构，也即轴连接部分11和封闭端面部分12共轴，整体外观呈类似T字形的结构。在封闭端面部分12的内端面上还设置有曲面结构13，曲面结构13包括槽区与非槽区，在轴承的运转过程中，槽区可作为润滑介质的通道。示例地，槽区与非槽区的面积比可选择1:1～1:3。

轴承内圈1与壳体4形成封闭空间，滚珠2和轴承外圈3位于该封闭空间，且滚珠2设置于轴连接部分11的外圆柱面与轴承外圈3的内圆柱面之间，参考图4，在轴承外圈3上开有若干通槽孔6，作为润滑油的介质循环流通通道，通槽孔6的数量宜为1-8个，本实施例中选择4个。显然，通槽孔6宜沿周向均布，其长度方向与轴承的轴向平行。

轴承外圈3的一侧端面与曲面结构13对应形成一定间隙，另一侧端与壳体4之间形成一定间隙，这两处间隙共同构成了空腔7，润滑介质存储于空腔7，在轴承的运转过程中，润滑介质沿空腔7-滚珠2曲面结构13-通槽孔6-空腔7的路径循环。

与现有的采用固体自润滑材料滚动轴承和采用外加润滑系统的滚动轴承方案(含全充油浸泡滚动轴承)不同，本发明通过改变轴承内圈1、轴承外圈3以及其相互关联结构，将轴承整体设计成完全封闭系统，依靠曲面结构13在高速下的离心效应等原理实现对轴承内部润滑介质的自循环润滑，且在介质循环过程中，也可带走部分热量，达到对轴承发热消散的目的；此外，在维修中只需换对应的轴承即可实现对轴承故障的处理，方便快捷，将极大地提高维修效率，并降低成本。

本发明提供了一种滚珠2的具体安装结构，在轴连接部分11的外圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽一，在轴承外圈3的内圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽二，即凹槽一和凹槽二均具有一定弧度，其间距和弧度参数，使得滚珠2能够置于凹槽一与凹槽二中，且不影响其滚动。

示例地，本发明中，滚珠2的数量范围3-15个，奇数周向单排或双排均布，滚珠2可以是球形滚珠、圆柱滚子、圆锥滚子等。滚珠直径为对应相同整体结构尺寸的国家标准中所选滚动轴承型号用滚珠直径的1/2～2/3。

示例地，本发明中，曲面结构13可以是对数螺旋线槽、抛物线型曲面或渐开线型曲面等。

本发明壳体4主体为圆筒结构(即空心圆柱)，并可在一端或两端向内具有突出部。为配合形成前述的封闭空间，本发明还使用了旋转动密封圈。旋转动密封圈至少包括旋转动密封圈一51和旋转动密封圈二52。其中，旋转动密封圈一51设置在前述轴连接部分11的另一端端面与壳体4在该端的突出部的内端面之间，或可设置在前述轴连接部分11的外圆柱面与壳体4在该端的突出部的内圆柱面之间。旋转动密封圈二52设置在前述封闭端面部分12的内端面与壳体4接近该内端面的外端面之间，或可设置在前述封闭端面部分12的外圆柱面与壳体4在该端的内圆柱面之间。

在壳体4接近前述轴连接部分11另一端的端部设置突出部时，还可在突出部的内圆柱面之间即最小内圆柱面处设置旋转动密封圈三53。

为实现上述旋转动密封圈的几种安装方式，可在轴连接部分11的另一端端面设置凹槽三，或在其外圆柱面设置凹槽四；在壳体4接近该端的突出部的内端面设置凹槽五，或在壳体4接近该端的突出部的内圆柱面设置凹槽六。显然，凹槽三与凹槽五配合，凹槽四与凹槽六配合，以配合之一或者全部安装旋转动密封圈一51。相应地，也可在封闭端面部分12的内端面设置凹槽七，或在其外圆柱面设置凹槽八；在壳体4接近该内端面的外端面上设置凹槽九，或在壳体4在该端的内圆柱面设置凹槽十。显然，凹槽七与凹槽九配合，凹槽八与凹槽十配合，以配合之一或者全部安装旋转动密封圈二52。其中，当凹槽八与凹槽十配合时，封闭端面部分12的最大外圆直径显然小于轴承外圈3的最大外圆直径，凹槽八开在封闭端面部分12的最大外圆柱面上，通过旋转动密封圈二52，可防止润滑油的外泄和外界灰尘的侵入。

为满足装配需求，本发明中，轴连接部分11的内径与封闭端面部分12的内径相等，轴件从轴连接部分11和封闭端面部分12穿过，并至少与轴连接部分11为过盈配合，或采用其它方式固定。

本发明润滑介质的体积范围为：

其中D为轴承的外径，d为轴承内径，B为轴承宽度。

参考图5，壳体4的内部有一轴承肩41，用来实现对轴承外圈3的定位，同时轴承肩41的高度也决定了本发明空腔7的间隙范围。示例地，本发明空腔7的间隙范围，即轴承外圈3的另一端与壳体4之间的间距范围，为0.005～5mm。

参考图5，本发明中，壳体沿径向开1～2个与空腔7相通的进油孔43，用于润滑介质的施加与补充。进油孔43在使用过程中用沉头螺栓将其堵住，装配时沉头螺栓头部不能超出壳体4，使得轴承整体外观结构无突出部分，以保证轴承整体与轴承座满足装配要求。

本发明轴承的整体结构内、外径，宽度均满足滚动轴承标准外观结构尺寸(GB/T276-2013)，其中，轴承内圈1的宽度可与壳体4宽度相同。

下面结合附图和具体实施案例，对本发明做进一步详细描述：

实施例1：

如图1所示，本发明主要包括轴承内圈1、滚珠2、轴承外圈3及壳体4四部分。

如图2和图3所示，轴承内圈1分为两部分，轴连接部分11是一空心圆柱，封闭端面部分12是一圆环，轴连接部分11一端(定义为外端)与封闭端面部分12垂直相连，整体结构呈T字形。

轴连接部分11的内圆柱面与轴过盈配合，使得轴承内圈1随轴共同转动；外圆柱面沿周向开有凹槽一，用来放置滚珠2。轴连接部分11的另一端端面定义为内端面111，内端面111处需开凹槽三用于放置旋转动密封圈一51。

封闭端面部分12的内端面112上布置曲面结构13，圆环外圆直径小于轴承外圈3外圆直径2mm，且在外圆柱面开凹槽八放置旋转动密封圈二52。

曲面结构13为对数螺旋线槽，沿圆周方向均匀分布有8个，采用的曲面极坐标方程为r＝r₀exp(θtanβ)，其中，r为极径；r₀为起始极径；θ为极径处的对数螺旋线与起始点之间的周向夹角；β为螺旋角。曲面结构13与轴承外圈3的外端面32的距离为2mm，避免在运转过程中轴承内圈1和轴承外圈3发生碰撞干涉。

滚珠2数量为9个，采用周向单排，滚珠直径为对应相同整体结构尺寸的国家标准中所选滚动轴承型号用滚珠直径的2/3。

轴承外圈3在端面沿圆周方向均匀分布有4个通槽孔6，通槽孔6最高点所在水平线31应低于轴承肩41所在位置水平线42，保证润滑介质在轴承内部循环过程中可以流入空腔7中。轴承外圈3的内圆柱面周向布置有凹槽二，用来放置滚珠2。

轴承内圈1尺寸结构、轴承外圈3内外径为国家标准中所选滚动轴承型号尺寸结构的2/3，轴承外圈3宽度为轴连接部分11宽度的4/5。轴连接部分11外圆柱面所开凹槽一的中心线与轴承外圈3内圆柱面凹槽二的中心线需保持一定的同轴度与平面度。

壳体4，其最大内圆柱面与轴承外圈3过盈配合，壳体4内部设置轴承肩41，用于确定轴承外圈3安装位置。壳体4最小内圆柱面与轴间隙配合，使轴承内圈1可随轴转动且壳体4、轴承外圈3保持不动，并在壳体4最小内圆柱面开有凹槽放置旋转动密封圈三53，可以有效防止灰尘侵入及油液泄露。

壳体4最大外圆直径为国家标准中对应滚动轴承型号的标准直径D，宽度为对应滚动轴承型号的宽度B。

空腔7用来存储部分润滑介质，其间隙范围为1mm。轴承内圈1、壳体4及旋转动密封圈共同作用形成完全密闭的空间，在此空间中，利用曲面结构13在运转过程中形成的动压效应和泵送效应，轴承内部润滑介质可以从封闭端面部分12通过通槽孔6流向空腔7，空腔7内润滑介质流向滚珠2，再流向封闭端面部分12，从而实现轴承内润滑介质内循环。

进油孔43与空腔7相通，用于润滑介质的施加与补充；进油孔在使用过程中用沉头螺栓将其堵住，装配时沉头螺栓头部不能超出壳体4，使得轴承整体外观结构无突出部分，以保证轴承整体与轴承座满足装配要求。

实施例2：

如图6所示，本实施例主要包括轴承内圈1，滚珠2，轴承外圈3，壳体4四部分。

轴承内圈1整体宽度为滚动轴承的标准宽度，轴连接部分11内圈外径是国家标准中对应整体结构尺寸的某型号滚动轴承内圈外径的2/3，轴连接部分11外圆柱面沿周向开有凹槽一，用来放置滚珠2。

封闭端面部分12的内端面112上布置曲面结构13，外圆直径小于轴承外圈3外圆直径2mm，且在外圆柱面八开凹槽放置旋转动密封圈二52。

滚珠2、轴承外圈3与实施例1的结构尺寸均相同。

壳体4最小内圆柱面与轴承内圈1间隙配合，并在其最小内圆柱面周向开凹槽十一放置旋转动密封圈三53，壳体4最大内圆柱面与轴承外圈3过盈配合，保证在旋转过程中不会发生位置移动。

上述实例为本发明的两种实施方式，但本发明的实施方式不仅限于两种，可以根据具体的实际要求进行改变，基于此设计理念下的改变、修饰、组合、简化、替代，均应视为等效实施方式，都包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，包括轴承内圈(1)、滚珠(2)、轴承外圈(3)和壳体(4)；

所述轴承内圈(1)包括圆筒形的轴连接部分(11)和圆环形的封闭端面部分(12)，所述轴连接部分(11)的一端与封闭端面部分(12)的内端面连接，所述封闭端面部分(12)的内端面设置曲面结构(13)，所述曲面结构(13)包括槽区与非槽区；

所述轴承内圈(1)与所述壳体(4)形成封闭空间，所述滚珠(2)和所述轴承外圈(3)位于所述封闭空间，且所述滚珠(2)设置于所述轴连接部分(11)的外圆柱面与所述轴承外圈(3)的内圆柱面之间，所述轴承外圈(3)的一侧端面与所述曲面结构(13)之间、另一侧端面与壳体(4)之间均形成空腔(7)；

所述轴承外圈(3)上沿轴向开有若干通槽孔(6)，所述空腔(7)用于存储与传输润滑介质，在所述轴承的运转过程中，所述润滑介质沿空腔(7)-滚珠(2)曲面结构(13)-通槽孔(6)-空腔(7)的路径循环。

2.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述轴连接部分(11)的外圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽一，所述轴承外圈(3)的内圆柱面沿周向开有截面为弧形的凹槽二，所述滚珠(2)置于所述凹槽一与所述凹槽二中，所述滚珠(2)的数量范围3-15个，奇数周向单排或双排均布，滚珠的直径为对应相同整体结构尺寸的国家标准中所选滚动轴承型号用滚珠直径的1/2～2/3。

3.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述轴连接部分(11)的另一端端面或外圆柱面与所述壳体(4)接近所述另一端的内端面或内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈一(51)，所述封闭端面部分(12)的内端面或外圆柱面与所述壳体(4)接近所述内端面的外端面或内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈二(52)；所述轴连接部分(11)的外圆柱面与所述壳体(4)的内圆柱面之间，设置有旋转动密封圈三(53)。

4.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述曲面结构(13)为对数螺旋线槽、抛物线型曲面或渐开线型曲面。

5.根据权利要求1或4所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述槽区与非槽区的面积比为1:1～1:3。

6.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述轴连接部分(11)的内径与所述封闭端面部分(12)的内径相等，轴件从所述轴连接部分(11)和封闭端面部分(12)穿过，并实现与轴连接部分(11)的过盈配合。

7.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述空腔(7)的间隙范围，即所述轴承外圈(3)的另一端与壳体(4)之间的间距范围，为0.005～5mm。

8.根据权利要求1所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述壳体(4)为一空心圆柱体，内部有一轴承肩(41)用来实现对轴承外圈(3)的定位。

9.根据权利要求1或8所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述润滑介质的体积范围为：

其中D为轴承的外径，d为轴承内径，B为轴承宽度。

10.根据权利要求1或8所述全封闭介质自循环润滑高速滚动轴承，其特征在于，所述壳体(4)壳体沿径向开1～2个与空腔(7)相通的进油孔(43)。

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