CN1668856A - 滚珠轴承 - Google Patents

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Abstract

一种滚珠轴承结构包括支承在保持架(40，50)中的多个滚珠(30，40)，滚珠列(42，44，54，58，62)中的每个滚珠相互间偏移。在某些应用中，滚珠(30，40)的滚动表面分别承靠旋转轴(70)和包围轴承的壳体。滚珠(30，40)的数量和滚珠的列数(42，44，54，58，60)是根据特定的应用场合而确定的。本发明特别适用于医疗设备。在另一些实施例中，内圈和/或外圈可以与这种结构的滚珠和保持架配合使用。

Description

滚珠轴承
技术领域
本发明涉及用来支承旋转件的轴承，更具体地说，本发明涉及滚珠轴承。
背景技术
正如该领域中所公知的，有各种各样的滚珠轴承被用来支承旋转轴等类似元件，它们的独特性能是传递负载和承受轴向的和径向的载荷，并且通常用于承受径向的重载。滚珠轴承结构中的滚珠通常被支承在一对同心环之间，即轴承的内圈和外圈之间，而且滚珠位于一个垂直于转动轴线的平面内。还有，特别是在高速运转时，内外圈是预先加载的，以使得滚珠保持径向对中。显然，如本领域技术人员公知的，无论在那些具有单列滚珠或双列滚珠的轴承结构中，滚珠相互间不对中的情况将使得未对中的滚珠比其它滚珠转动得更快，从而产生摩擦和热，导致轴承的失效或永久磨损。
本申请人发现，通过一种创造性的方式使滚珠在轴承中定向，使得滚珠的周向路径形状上类似于螺旋路径，就可以获得一种改进的滚珠轴承。在这种结构中，每个滚珠沿循着一条能够减轻已有滚珠轴承中所发生的磨损的独立路径。滚珠被承装在保持架中，并能够与内圈和/或外圈组装到一起，或者不装有内圈和/或外圈，而且不需要预先加载。当不装有轴承圈时，用于一个给定机壳的滚珠较大，这是用来改善轴承磨损性能的另一个特征。
在许多医疗设备的应用场合，由于支承机构通常需要安装和拆卸由轴承所支承的例如轴等元件，滚珠轴承通常用于径向载荷。例如，在外科手术所用的钻具中，刀具由电机驱动，并且经常更换刀具以适应不同的尺寸和类型。例如由本发明申请的受让人，Anspach公司，所制造和销售的EmaxTM型钻具配备有各种尺寸和形状的刀具，这些刀具滑动地安装到钻具中。
用于外科设备的另一个轴承实例公开和要求保护在2001年9月25日提交的美国专利申请号09/962,989中，其名称为“用于外科设备的轴承”(代理人记录号：N880)，该申请已经转让给本申请人，在此引作参考。这里引用该专利申请是因为在这里的一个实施例中，本发明替换了该专利申请所公开的微切割装置(简称MDA)中的一个轴承。如上述专利申请中所提出的，这种微切割装置(MDA)采用了由聚酰亚胺树脂和石墨成分构成的聚合物所制成的轴颈轴承，并且通过适当的构造使得存在两个与配合表面的接触点。这种轴承结构能够使得MDA的末端小型化，从而改善了外科医生对刀具的视线，以利于手术操作。该文献中的轴颈轴承还改善了MDA的磨损性能。如同上面美国专利申请号09/962,989中所指示的轴颈轴承那样，本发明的滚珠轴承也可以制造得非常小，从而如同在MDA应用场合中所寻求的特性一样，这也可以为进行外科手术的医生提供了具有良好视线的特性，同时还改善了该设备的承载特性。另外，虽然本发明的滚珠轴承提供了充分小型化的轴承，其滚珠的直径例如在0.032英寸的数量级，但本发明对轴承的滚珠直径的上限却没有限制。因此，对于其中的滚珠轴承只承载径向载荷的外科设备来说，最重要的是轴承尺寸要小，而且实际上轴承越小越好。
尽管本发明的轴承还可以实现其它的性能，但它提供了以下主要性能：
1)当不采用轴承圈时，本发明滚珠轴承的直径比较大，因而改善了轴承的磨损性能；
2)滚珠不是沿着公共的轨迹滚动，而是每个滚珠沿着独立的轨迹滚动，这也改善了轴承的磨损性能；
3)轴承可以小型化，从而保持了外壳的小直径；
4)本发明轴承的特征在于，比现有的轴承成本低和易于制造；免于维护并且可靠和工作寿命长；
5)轴承材料可以是任何已知的材料，可以是陶瓷或金属；
6)不需要预先加载；
7)轴承的安装和拆卸比现有的轴承更简单；以及
8)避免了滚珠的不对中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改进的滚珠轴承。
该发明的特征在于，滚珠是独立地偏置的，从而每个滚珠位于横过旋转轴线的不同的平面中。对于单一轴承中所包含的滚珠数或列数没有限制，滚珠的列数和每列中的滚珠数量都基于专门的设计。
本发明在某些实施例中的另一特征在于，不使用轴承圈。在另一些实施例中的滚珠轴承可以被构造成带有或不带有内圈和/或外圈。
本发明的特征是提高了轴承的寿命，适合于高速运转，小型化以减小轴承容腔的外壳尺寸，维护成本低，以及便于安装和拆卸。
通过下面的描述和附图，本发明以下的和其它的特征将变得更加清楚。
附图说明
这些附图只是用来举例和使本发明更加清楚，并不意味着限制本发明的范围。
图1是安装用来支承一个旋转轴的、现有技术的滚珠轴承的端视图；
图2是安装用来支承一个旋转轴的、本发明的滚珠轴承的端视图；
图3是一个图解说明，按照滚珠运行的长度比较了现有技术和本发明的内外圈；
图4是一个投影图，示意性表示了本发明滚珠轴承中的滚珠的运行形式；
图5A，5B示意性表示了采用两列滚珠的本发明的滚珠轴承结构；
图6是用在本发明中的两列滚珠的保持架的立体图；
图6A是沿着图6中6A-6A线截取的截面图；
图6B是沿着图6A中6B-6B线截取的截面图；
图7是本发明结构一个实例的、三列滚珠的保持架的立体图；
图8是一个截面图，表示了本发明轴承结构的三列滚珠结构的细节。
具体实施方式
在本发明的推荐实施例中描述和表达了本发明滚珠轴承的细节，如本领域的技术人员能够理解的那样，本发明的滚珠轴承有着广泛的应用场合，并非局限于任何特定的应用。也如本领域的技术人员能够理解的那样，由于本发明的滚珠轴承可以小型化，该发明在医疗设备领域中特别有效。
参见图1和图2，它们示意性地比较了现有技术的和本发明的滚珠轴承的结构，现有技术的轴承以参考数字10表示，具有内圈12和外圈14，以及多个周向间隔开的球形滚珠15，这些滚珠用于将一个轴16支承在一个套筒状壳体18中；本发明的轴承由参考数字20来表示，它包括轴22和套筒状壳体24，以及多个周向间隔开的球形滚珠。如在这些图中所见到的，现有技术的滚珠轴承10包括内圈和外圈，而本发明的滚珠轴承20则不包括内圈和外圈。从这一对比中显然可以看出：本发明的滚珠轴承(图2)中的滚珠显著地大于现有技术结构(图1)中的滚珠。较大的滚珠结构提供了每个滚珠的较低的自转速率以及较大的磨损表面，这两个因素使得磨损特性得以改善，以及由此获得较长的轴承寿命。
此外，如图3中可看出，观察滚珠A相对于外圈的关系，图中表示了本发明的滚珠轴承中的一个滚珠滚过单一轨迹，而现有技术的滚珠轴承中的六个滚珠滚过单一轨迹。显然，由于本发明的滚珠轴承中的每个滚珠相互间侧向位移，或者说偏置，六个滚珠中的每个滚珠都滚过一个独立的和相互互补的轨迹。
再来看现有技术的轴承与本发明轴承的这一对比中的外圈，同样是六个滚珠滚过单一轨迹相对于一个滚珠滚过单一轨迹。尽管现有技术滚珠轴承中的轨迹较长，但现有技术结构中滚过同一距离的滚珠数量远大于本发明中的滚过距离上的滚珠数量。
因此，按照本发明，每个滚珠26相互间偏移(off-set)。这点清楚表示在图4中，图中表示了滚珠A被偏移，每个滚珠相互间侧向位移，于是各滚珠位于穿过轴承的轴向中心或穿过轴承转动轴线的平行的平面中。因此，每个滚珠滚过分别以C，D，E，F，G和H线所示的各自的轨迹。同样地，本发明的滚珠轴承与现有技术相比，由于在给定的单一轨迹上的磨损较小，于是就提高了本发明轴承的寿命。
滚珠轴承20可以由金属材料或者非金属材料制成。显然，如果采用非金属材料，轴承就不会受到磁性或者电磁等作用的影响。
图5A、5B示意性地表示了本发明的另一个实施例。在采用现有技术滚珠轴承的某些应用场合中，需要使用并排安装的一对滚珠轴承。显然，在这种设置中，各轴承中的滚珠之间的轴向对齐情况可以是轴向对齐的，或者是轴向不对齐的，后一种情况只是偶然发生；也就是说，一个轴承中的滚珠间的相互关系与另一个轴承中的滚珠间的相互关系不相关；即，滚珠只能确定自身的位置。而另一方面，根据本发明，由下面将要详细描述的单一保持架所保持的滚珠可以轴向偏置或位移。这点清楚地表示在图5A中，图5A示意性表达了本发明，其中本发明滚珠轴承的一列滚珠中的滚珠30由示意性地以圆圈32所示的保持架来保持。当加入图5B所示的第二列滚珠时，一列滚珠中的两个滚珠30周向偏移，而且从轴向上看过去，一个滚珠34基本上定位在两个滚珠30之间；换句话说，第一列中的滚珠与第二列中的滚珠34在径向上偏置。如果画一条轴向穿过第一列滚珠中的滚珠中心的直线，该直线将不会与第二列滚珠的直线相重合。在这个实施例中，保持架36将较长，以容纳第二列滚珠。从以上所述将可以理解，滚珠30和34都包括贴靠在轴承支承孔的内壁上的上表面47，以及包括位于保持架36下的下表面49。与现有技术并排安装的两列滚珠相比，这种结构不仅改善了径向载荷的分布，而且改善了滚珠轴承的结构整体性，这是因为单一轴承作用在轴承壳体容腔的增加了的长度上，并且使两列滚珠相互间协调工作。
图6和图7表示了本发明滚珠轴承中的保持架，其中图6所示的保持架40用于两列滚珠的结构，图7所示的保持架50用于三列滚珠的结构。如图6中所示，两列滚珠的保持架40是一个圆柱形的中空主体41，或称为筒状元件，它具有圆柱形外表面43和圆柱形内表面45，以及两列42，44精心定位在螺旋路径上的、周向间隔开的锥形孔46，48。每个孔46，48用来保持单一(图2)球形滚珠26，于是滚珠的一部分伸到锥形孔下部的外面，以及滚珠26的上部伸出锥形孔的顶部；这就是说，孔的上部的直径大于滚珠轴承26的直径，以及锥口孔下部的直径小于滚珠轴承26的直径。图7所示的用于支承三列滚珠的保持架50具有类似的结构，即，孔52排成为一列54，孔56排成为一列58，孔60排成为一列62，它们都是锥形的和相同尺寸的，其较大的直径邻近于外表面，每列孔沿着螺旋路径进行定向，以使安装后的滚珠相互偏移。
由上所述，显而易见的是本发明的滚珠轴承当不使用其中一个或其他轴承圈时，只需要较小的壳体尺寸作为轴承容腔，以及与相同外径的现有技术的轴承相比，这种结构中的滚珠比较大，因此与相配合的元件之间就有较大的接触表面接触滚珠。由于本发明中的滚珠是偏移的，每个滚珠沿循着自己的轨迹，因此就改善了轴承的磨损特性。此外，特别是在两列、三列或多列滚珠的结构中，滚珠的承载能力得以提高，与现有的轴承相比，可以使用较小的轴承。
如前面段落中所述，本发明的滚珠轴承由于能够制造得非常小，比如千分之三十二英寸(0.032inch)，正负误差0.005英寸，所以就非常适合于医疗设备的应用场合。而且如前面所述，本发明的滚珠轴承易于组装。现有技术的滚珠轴承包括圆形的内圈和外圈，尺寸很严格，因此组件是被压配合安装到配合容腔和轴的表面上，而且滚珠必须相互间以及与轴之间精确对准。在本发明中，不存在干涉配合或类似配合，滚珠在轴上滚动并且被安装到管状或套筒状的壳体中，后者确定了易于轴承安装和拆卸的轴承容腔。这点清楚地表示在图8中，图8仅仅是表示了一个安装和使用这种轴承的实例。例如，旋转轴70可以是一个由本发明的滚珠轴承74支承在管件72中的刀具轴。这个实例有三列滚珠X，Y，Z，每列装有六个被保持在保持架84上的锥形孔82中的球形滚珠80。可以理解，滚珠80的滚动表面，也就是其上表面83和下表面85，它们分别向外伸出保持架84主体89的外表面91和向内伸出保持架84主体89的内表面93，并直接支承在轴70的外表面90和管件72和内表面92上，没有内圈和外圈。在这个实例中，轴70的直径大约是0.093英寸，管件72的外径和内径分别是0.237英寸和0.187英寸，以及滚珠直径大约是0.031英寸。这些尺寸显然是很小的，因此使得轴承74小型化。当各个元件被拆开后，组装轴承组件只需将保持架滑动到轴70上(如果轴不适于这样做，为此就需要使用一个圆柱形固定件起到与轴相同的作用，轴承一旦就位后再将它取下来)；施加少量的商品轻油脂，于是少量的轻油脂进入到每个孔82中；将滚珠80装到每个孔82中(滚珠如此之小，可能需要使用镊子以进行滚珠的操作)；将保持架滑入管件72(借助于轻油脂，滚珠将保持在各自的孔中)，由于滚珠在各个表面上滚动，这将是很容易的操作；然后，通过在一端设置凸肩94和在另一端设置锥形件96，使它们分别抵靠住保持架的一端，从而将滚珠轴承74固定就位。锥形件被压力装配到管件70的一端，从而不允许轴承发生移位。尽管本发明的细节是结合着不带内外圈的滚珠轴承组件而进行描述的，但本领域的技术人员能够理解，本发明所示内容可以被应用于带有内圈或外圈、或同时带有内外圈的轴承结构中。显然，在希望或者要求保持小型化，即要求较小外径的应用场合，本发明的滚珠轴承将构造成不带有内圈和外圈。
尽管以具体实施例的方式表示和描述了本发明，但本领域的技术人员将能够理解和懂得，在权利要求书所确定的本发明的精神和范围内，可以作出各种形式上和细节上的改变。

Claims (20)

1.一种滚珠轴承结构，包括一具有多个相互偏移安排的孔(46，48)的保持架(40)，多个球形滚珠(30，34)的每个分别安装在所述多个孔(46，48)的每个孔中，所述球形滚珠(46，48)中的每个球形滚珠包括一上滚动表面(47)和一下滚动表面(49)，其中所述多个球形滚珠(46，48)中的每个所述球形滚珠的上滚动表面(47)延伸在所述保持架(40)的上表面的上方，以及每个所述球形滚珠的下滚动表面(49)延伸在所述保持架(40)的下表面的下方。
2.如权利要求1所述的滚珠轴承结构，其中所述多个孔(46，48)周向上间隔开，并且被定向以确定一螺旋形式。
3.如权利要求2所述的滚珠轴承结构，其中所述每个孔(46，48)是锥形孔并且延伸穿过保持架(40)；所述锥形孔(46，48)的较大的开口大于每个所述球形滚珠(30，34)的直径，所述锥形孔(46，48)的较小的开口小于每个所述球形滚珠(30，34)的直径。
4.如权利要求3所述的滚珠轴承结构，其中所述锥形孔(46，48)的较大直径位于所述保持架(40)的外表面上，所述锥形孔(46，48)的较小直径位于保持架(40)的内表面上。
5.一种滚珠轴承结构，包括一具有管状主体的保持架(40)，所述主体(41)具有圆柱形上表面(43)和与所述圆柱形上表面(43)同心的圆柱形内表面(45)；多个成形在所述主体(41)上并延伸通过的周向间隔孔(46，48)，所述多个周向间隔孔(46，48)相互之间偏移并定向以确定一大致螺旋路径；多个球形滚珠(30，34)的每个分别安装在每个所述孔(46，48)中并被保持，所述多个球形滚珠(30，34)的每个具有上滚动表面(47)和下滚动表面(49)，从而所述上滚动表面(47)延伸出所述主体(41)的圆柱形上表面(43)，以及所述下滚动表面(49)延伸出所述的圆柱形内表面(45)。
6.如权利要求5所述的滚珠轴承结构，其中所述周向间隔孔(46，48)的每个是锥形孔，其较大直径位于圆柱形上表面(43)上，其较小直径位于圆柱形下表面(45)上。
7.如权利要求5所述的滚珠轴承结构，其中所述多个周向间隔孔(46，48)确定第一列孔(42)，成形在所述主体(41)中的多个周向间隔孔(46，48)的第二列孔(44)与第一列孔(42)轴向间隔开，并相互间偏移并定向，以确定一大致螺旋路径，另外的多个球形滚珠(30，34)的每个分别安装在第二列周向间隔孔(44)的每个孔中并被保持；所述另外的多个球形滚珠(30，34)的每个具有上滚动表面(47)和下滚动表面(49)，从而所述上滚动表面(47)延伸出所述主体(41)的圆柱形上表面(43)，下滚动表面(49)延伸出所述的圆柱形内表面(45)，以及所述第二列孔(44)具有与第一列孔(42)相同的数量和尺寸。
8.如权利要求7所述的滚珠轴承结构，其中所述第一列(42)中的多个周向间隔孔(46)与第二列(44)中的多个周向间隔孔(48)相互间径向偏移。
9.如权利要求7所述的滚珠轴承结构，其中还包括第三列(62)多个周向间隔孔(60)，它们成形在所述主体(41)上并且与所述第一列周向间隔孔(54)和第二列周向间隔孔(56)在轴向上间隔开，并且相互间偏移和定向，以确定一大致螺旋路径；另外的多个球形滚珠(30，34)的每个分别安装在所述第三列(62)的周向间隔孔(60)的每个孔中并且被保持，所述另外的多个球形滚珠(30，34)的每个具有上滚动表面(47)和下滚动表面(49)，从而所述上滚动表面(47)延伸出所述主体(41)的圆柱形上表面(43)，下滚动表面(49)延伸出所述的圆柱形内表面(45)，以及第二列孔(58)具有与第一列孔(54)相同的数量和尺寸。
10.如权利要求9所述的滚珠轴承结构，其中所述第二列(58)中的多个周向间隔孔(56)与所述第三列(62)中的多个周向间隔孔(60)相互间径向偏移。
11.一种组件，包括一旋转轴(70)，一围绕所述旋转轴(70)并且与其径向间隔的管件(72)，一安装在所述空间内的滚珠轴承(74)，所述滚珠轴承(74)包括一具有多个相互偏移安排的孔(82)的保持架(84)，这些孔(82)设置成相互间偏移，以及多个球形滚珠(80)的每个安装在所述多个孔(82)的每个孔中，所述多个球形滚珠(80)中的每个滚珠都包括上滚动表面(83)和下滚动表面(85)，从而多个球形滚珠(80)中的每个滚珠的上滚动表面(83)延伸在所述保持架(84)的上表面的上方，以及所述多个球形滚珠中(80)的每个滚珠的下滚动表面(85)延伸在所述保持架(84)的下表面的下方。
12.如权利要求11所述的组件，其中所述多个孔(82)周向间隔开，并且被定向以确定一大致螺旋形式。
13.如权利要求12所述的组件，其中所述孔(82)的每个是锥形孔并且延伸穿过保持架(84)；所述锥形孔的较大的开口大于每个所述球形滚珠(80)的直径，以及所述锥形孔的较小的开口小于每个所述球形滚珠(80)的直径。
14.如权利要求13所述的组件，其中所述锥形孔(82)的较大直径位于保持架(84)的外表面上，所述锥形孔(82)的较小直径位于保持架(84)的内表面上。
15.一种用于将旋转轴(70)支承到管件(72)的滚珠轴承，所述滚珠轴承(74)安装在所述旋转轴(70)和所述管件(72)之间的环形空间内，所述滚珠轴承(74)包括一具有管状主体(89)的保持架(84)，所述主体(89)具有圆柱形的上表面(91)和与所述圆柱形上表面(91)同心的圆柱形内表面(93)；多个由成形在所述主体(89)上并延伸通过的周向间隔孔(82)构成的孔列(X，Y，Z)，每个孔列(X，Y，Z)中的多个周向间隔孔(82)的每个相互间偏移并定向，以确定大致螺旋路径；多个球形滚珠(80)的每个安装在每个所述孔(82)中并被保持，所述多个球形滚珠(80)的每个具有上滚动表面(83)和下滚动表面(85)，从而所述上滚动表面(83)延伸出所述主体(89)的圆柱形上表面(91)，所述下滚动表面(85)延伸出所述主体(89)的圆柱形内表面(93)，所述上滚动表面(83)承靠所述管件(72)，下滚动表面(85)承靠所述轴(70)。
16.如权利要求15所述的滚珠轴承，其中所述多个孔列(X，Y，Z)中的每个中的每个周向间隔孔(82)都是锥形孔，其较大直径位于圆柱形上表面(91)上，其较小直径位于圆柱形下表面(93)上。
17.如权利要求16所述的滚珠轴承，其中所述孔列(X，Y，Z)中的至少一列(X)中的所述多个周向间隔孔(80)的每个与另一列(Y)中的周向间隔孔径向偏移，第二列(Y)中的孔成形在所述主体(89)上并且与第一列孔轴向间隔开，而且它们相互间偏移并定向以确定大致螺旋路径；另外的多个球形滚珠(80)的每个安装在多个孔列(X，Y，Z)中的每个周向间隔孔(82)中并被保持；所述另外的多个球形滚珠(80)的每个具有上滚动表面(83)和下滚动表面(85)，从而上滚动表面(83)延伸出所述主体(89)的圆柱形上表面(91)，下滚动表面(85)延伸出所述圆柱形内表面(91)，所述第二列(Y)的孔(82)具有与第一列(Z)的孔(82)相同的数量和尺寸。
18.如权利要求17所述的滚珠轴承，其中在所述孔列(Z)中的多个周向间隔孔(82)与所述另一列(X)中的多个周向间隔孔(82)径向偏移。
19.一种将在管件(72)内支承旋转轴(70)的滚珠轴承(74)安装到轴承容腔中的安装方法，该方法的步骤包括：
1)提供一保持架(84)，其具有围绕保持架同心设置的多个锥形孔(82)；
2)将保持架(84)安装到旋转轴(70)上；
3)在保持架(84)的锥形孔(82)中涂覆油脂；
4)将球形滚珠(80)插入到每个所述孔(82)中；
5)把带有球形滚珠(80)的保持架(84)插入到轴承容腔中，从而球形滚珠(80)的上滚动表面(83)承靠管件(72)，球形滚珠(80)的下滚动表面(85)承靠轴(70)。
20.如权利要求19所述的方法，其中用一与旋转轴(70)相同直径的固定件替代旋转轴，以及
将所述固定件取出并将旋转轴(70)插入滚珠轴承(74)。
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