CN1957515A - 具有防滑弹簧的轴承组件 - Google Patents

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Abstract

一种通过抑制磨损来延长轴承寿命的轴承系统。这种系统可用于机器例如电机中，该系统包括设置在轴承和容纳该轴承的孔的底面之间的弹性体弹簧。该弹簧部件向轴承施加轴向和周向的力以抵抗该轴承在孔中的旋转。所述弹簧部件呈环形，并具有多个沿周向间隔开的齿。

Description

具有防滑弹簧的轴承组件
技术领域
本发明总体上涉及滚动轴承，尤其涉及用于电机中轴承组件的弹性体弹簧，该弹簧可抑制磨损破坏并延长轴承的寿命。
背景技术
机器中主要关注的是磨损，磨损源自表面看起来相对固定的紧配合部件之间的微小的微机械相对运动。磨损是腐蚀和磨蚀的叠加，其常见于具有移动或振动部件的设备中。如果持续发展的话，磨损能导致接触面的点蚀和磨伤，以及振动、应力集中增大和寿命降低。
在电机中，磨损是轴承失灵的主要原因。如本领域技术人员已知的，电机具有安装在位置固定的组件或定子的中空芯部内的可旋转组件或转子，该位置固定的组件或定子上具有绝缘线绕组。当定子的绕组通入电流并且与旋转的转子互感时，电机将电能转换为机械扭矩。转动轴贯穿所述电机，并安装在位于两纵向端的前、后端盖处的轴承上。例如，具有柱形外表面的球轴承容纳在相应端盖的孔中。不幸的是，轴承的外表面相对于容纳该轴承的孔旋转。轴承的尺寸通常设定成与孔间隙配合，以方便组装并避免轴承受到径向载荷，但是这降低了轴承的柱形外侧部的摩擦阻力，因此容易发生相对运动。由于轴承和端盖的热膨胀不同，所以当外界温度变化时，即使过盈配合的轴承也易于松动。结果，在外轴承表面和孔之间出现微小的相对运动，其导致磨损破坏。
通常，在一个轴承的位置固定的端面和相应孔的底部台肩之间设置环形钢垫圈，以调节公差积聚和设计裕度。垫圈不是完全平坦的，而是具有“波形”圆周轮廓，该轮廓具有多个(例如，三个)高点，所述高点平滑地过渡到居间的低点。当在轴承和孔的端部之间受压时，该垫圈用作压缩弹簧，并沿轴向对轴承施加反作用力。弹簧垫圈有利于将轴和整个转子组件推向稳定位置，以“预载”转子并减少轴向运动，同时调节元件的公差。不幸的是，所述垫圈不能对轴承的旋转提供明显的阻力。这种限制来源于至少两个原因。首先，垫圈的轮廓仅在垫圈和轴承的端面之间提供了小的接触区域，具体为在三个高点处。其次，由于接触材料都是金属，所以接触区域处的表面粘附力(即，摩擦系数)较低。因此，轴承容易在弹簧垫圈上滑动(旋转)。
随着磨损继续，轴承最终沿径向移动，即本领域技术人员所称的轴承蠕变，这会导致转子冲击定子。那样，必须更换整个电机。几种现有的预防轴承转动的方法已经失败或者需要沿轴承的外侧部附加插入物或粘合剂，这增加了复杂性、降低了可靠性或者使组件的制造更困难。
发明内容
在本发明的示例性实施方式的几个目的和特点中，可以注意到，轴承系统的应用延长了可用寿命；示例性轴承系统的应用减弱了磨损和轴承蠕变；示例性轴承系统可用在电机中；示例性轴承系统易于组装；示例性轴承系统运行可靠；示例性轴承系统可抑制振动并减弱噪声级；并且该示例性轴承系统的生产经济。
大体上，根据本发明的轴承系统包括：轴承座，该轴承座包含沿纵轴线对齐的孔，所述孔具有处于孔内的柱形内侧壁以及底面，该底面限定孔的端部；容纳在所述轴承座的孔中以用于可旋转地支承一轴的轴承，所述轴承具有与孔的内侧壁相邻的柱形外侧部和大体与孔的底面相邻的端面；以及容纳在孔中并且插置在轴承的端面和孔的底面之间的防滑弹簧部件，该防滑弹簧部件构造成当在轴承和孔的端部之间受压时沿大致轴向的方向对轴承端面施力，还构造成沿平行于轴承端面的方向对该端面施力以抵抗轴承相对于孔的任何旋转运动，从而所述防滑弹簧部件迫使轴承保持在孔中的固定旋转位置，以防止轴承的外侧部相对于孔的内侧壁运动。
另一方面，根据本发明的电动机器包括：具有纵轴线的定子；转子，该转子安装成相对于定子旋转以与所述定子磁性互感，所述转子包括沿所述纵轴线延伸的轴；用于连接在所述定子的两纵向端的两个端盖，所述端盖中的至少一个具有带底面的孔；容纳在所述孔中以支承所述轴的轴承；以及位于轴承与孔的底面之间的弹簧部件。该弹簧部件由弹性体材料形成。
下面将部分说明并指出本发明的其它目的和特点。
附图说明
图1是本发明的轴承系统的一种实施方式的分解透视图；
图2是防滑弹簧部件的前视图；
图3是图2的防滑弹簧部件的侧视图；
图4是图3的局部放大图；
图5是包含所述轴承系统的电机的局部剖视侧视图；
图6是图5的局部放大图；
在所有的附图中，相应的附图标记指代相应的部件。
具体实施方式
现在参考附图尤其是图1，本发明的一种实施方式的轴承系统总体由10表示。轴承系统10包括轴承座15、可容纳在该座中的轴承20以及防滑弹簧部件30，该防滑弹簧部件抑制轴承在轴承座中的旋转并减弱因磨损导致的损坏。在一种实施方式中，轴承系统10用来安装在电动机器，例如电机40(图5)或发电机中。尽管这里的描述主要参考该实施方式，但是应该理解，该轴承系统应用广泛，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可用于其它工业领域的其它装置、机器或设备中。
参见图5，电机40包括具有中空内部的外壳42。位置固定的组件或定子(总体标记为44)和磁性联接到该定子的可旋转组件或转子(总体标记为46)都设置在所述外壳内。如现有技术中已知的，定子44的芯部上具有一个或多个绕线线圈或绕组(未示出)。绕组中通有电流，使得定子44与旋转的转子46磁性互感。转子46可绕轴48旋转，该轴48沿中心纵轴线A延伸并且装配在机器的两个轴承上，所述轴承包括前轴承20和后轴承50。定子44和转子46大体上沿轴线A同轴对齐。定子和转子的很多方面都是常规的，在这里不再深入描述。用于冷却电机40的通风系统包括风扇52和导流片54，导流片54用于引导空气流穿过外壳42以冷却零部件。多个排气孔56贯穿外壳的侧部，以用于将冷却空气从外壳内部排出。
在电机40的两纵向端部设置有前端盖58和后端盖60。端盖58、60通过多个(例如，三个)沿周向间隔开的螺栓紧固件(未示出)连接，所述螺栓紧固件穿过每个端盖的相应孔。每个端盖包括带有孔64的中心轮毂62，以用于容纳相应轴承20、50。所述孔64沿中心轴线A对齐，并且都具有柱形的内侧壁66(图6)。在一种实施方式中，各个孔64的台肩68(图1和图6)均限定作为轴承座的底面。应该理解，轴承座可以是其它构型，例如，位于孔的一个端部处的平坦的闭合端壁。在不脱离本发明的范围的情况下，轴承座可以设置在沿着端盖的中心轴线A的任意位置。轴承系统10可以与不同类型的轴承(例如，轴颈轴承)结合以形成所述的转子轴承系统。
可以在电机40的一端或两端使用本发明的轴承系统10。如附图及下面的说明所示，仅在电机一端的一个端盖-即前端盖58-中含有所述轴承系统。前端盖58的轮毂62包括前述轴承座15，并且其保持轴承20以便旋转支承轴48。如图1和6所示，轴承20包括内圈或滚道70以及同心的外圈或滚道72，所述滚道构造成通过在这两个滚道之间设置多个球状物74而以较低的摩擦相对转动。轴承的内滚道70联接到轴48上并随着该轴旋转，而外滚道72联接到轮毂62上且不转动。外滚道72具有与孔的内侧壁66相邻的柱形外表面或侧部76。轴承20的端面78朝向孔的台肩68(或底面)，并且大体上靠着该底面布置。应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以采用不同类型的轴承。
防滑弹簧部件30在介于轴承的端面78和孔的台肩68或孔的底面之间的位置处容纳在该孔64中。在一种实施方式中，防滑弹簧部件30具有一体、连续且为环形的形状，如图2和3所示。该弹簧部件的外径D与台肩68一致并且宽度W与该台肩的宽度大致相等。应该理解，在不脱离本发明范围的情况下，弹簧部件可以具有其它的大小或形状，包括不连续的形式或多部件的形式。
弹簧部件30构造成沿至少两个方向对轴承20的端面78施力。首先，当弹簧部件30在轴承20和孔的底面68之间受压时，该弹簧部件提供大致轴向的力。该轴向力将转子组件46推向外壳42中的稳定位置并且预防电机40运转过程中的振动和噪音。其次，弹簧部件30沿圆周方向提供与端面78平行的力，以抵抗轴承的外滚道72相对于孔64的任意旋转运动。该力由弹簧部件和相邻表面之间的静摩擦、弹簧部件的压缩及其具有带周向部分的区段的结构提供，如下面所述。因此，弹簧部件30对座15中的轴承20的外滚道72提供了旋转运动的摩擦阻力。
防滑弹簧部件30由合适的弹性和柔性材料形成，所述材料可提供对轴承的良好的表面粘附。优选地，所述材料也可耐高压和高温环境、可注射成形并且可回收。示例性的材料包括橡胶、灌注聚氨酯以及热塑性弹性体例如SANTOPRENE(Advanced Elastomer Systems of Akron，Ohio的注册商标)。当在轴承20和孔的底面68之间受压时，所述材料压缩，弹簧部件30根据它相对于无负载状态的变形来施加相应的反作用力。为了抵抗旋转，所述材料还优选具有对金属表面-例如典型的钢制的轴承20端面78和孔底面68-的良好表面粘附(即，静摩擦)。因此，该材料不易沿这些表面滑动，并且由弹性体弹簧部件30提供的抵抗轴承20的外滚道旋转的力比由现有技术的金属垫圈提供的力大。
在一种实施方式中，弹簧部件30具有多个沿周向间隔的接合区域，所述区域的形式为具有平坦接触面80的齿。所述齿包括第一组齿(每个齿都标记为82)以及第二组齿(每个齿都标记为84)。所述第一和第二组齿朝向相反的方向，以分别与轴承20的端面78和孔的底面(或台肩)68接合。每组中的齿82、84均由凹部86隔开，所示出的凹部具有轮廓平滑的边缘并总体为U形。但是，所述凹部86也可是其它形状，包括非平滑轮廓。第一和第二组齿以交替方式绕弹簧部件30沿周向布置，即，第一组的齿82与第二组的齿84沿周向偏移，从而一个组中的齿大致与另一组中的齿之间的凹部86对准。在附图所示的实施方式中，弹簧部件30上具有三十六个第一齿82和三十六个第二齿84。由于齿82与端面78之间以及齿84与底面68之间的总接合面积明显大于现有技术中金属垫圈提供的相应接触面积，因此，平坦的接触面80提供了有效的接合。与现有技术中在较小的区域或在几点接触轴承的“波形”金属垫圈不同，弹簧部件30的齿82、84在围绕轴承的较大区域上在许多点处提供了接触区域。在一种实施方式中，与轴承端面78接触的区域面积(即，第一组的所有齿82的总接触面积)约为弹簧部件30的表面积的50％。应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，弹簧部件可以具有不同的构型，包括光滑的O型环或者不同数量或布置的接合区域。
弹簧部件30构造成抵抗轴承20-尤其是其外滚道72-的旋转。如图4所示，弹簧部件30的连接每对相邻齿的部分限定一连接段90，该连接段位于第一组齿中的每个齿82和第二组齿中的相邻齿84之间。在一种实施方式中，每个连接段90具有位于相对的凹部86之间的较窄区域。每个连接段90具有大致在中心的相对于接触面80倾斜一角度C的轴线B。因此，每个连接段90都具有既沿轴向又沿周向的方向分量。如果轴承20要开始旋转，则第一齿82相对于相邻的第二齿84沿圆周方向移动。由于连接段90延伸为具有周向分量，所以连接段布置成拉伸或压缩状态，从而产生增大旋转摩擦阻力的力。在一种实施方式中，角度C小于80度，优选为大约45度。其它形状的连接段也不脱离本发明的范围。
这样，弹簧部件30迫使轴承20停留在孔64内的固定旋转位置，预防外滚道72相对于孔运动。弹簧部件30的几何结构及其所用的材料都有助于该弹簧沿两个方向(轴向和周向)施力的能力。应该理解，仅通过弹簧部件的几何结构或其材料中的一项提供这些优点也不脱离本发明的范围。例如，具有与附图所示的弹簧部件30相同的几何形状、但由金属例如钢形成的弹簧部件也可提供轴向力和周向力。凹部86和齿82、84的偏移使得该弹簧部件能够压缩。相似地，具有环形O型环形状(不带凹部，也不带齿)但由弹性体材料形成的弹簧部件也能提供轴向力和周向力。
需要注意的是，本发明的弹簧部件30使得轴承20的尺寸能设定成以滑动(间隙)配合的方式容纳在孔64中。这就避免需要用以将轴承20牢固保持在孔中的过盈配合，所述过盈配合会在轴承上产生径向载荷，这对轴承的运行是不利的。此外，弹簧部件30使得轴承的轴向外侧部76或表面能直接靠在孔的相邻内侧壁66上。这就避免需要任何为预防磨损而设置在外侧部76和内侧壁66之间的中间部件，例如插入件、容差环或粘合剂，设置中间部件会增加复杂程度、降低可靠性或者使组件更难制造。
上述弹簧部件30可通过传统的、低成本的注射成形法制造。在组装过程中，可在安装轴承之前简单地将弹簧部件30插入孔64中。弹簧部件30可直接取代现有技术中的“波形”垫圈，并可作为修理中的电机内的金属弹簧的替代物。在这点上，可以选择弹簧部件30的弹性体材料和几何构型，以便接近特定金属垫圈的轴向载荷特性(即，“弹簧常数”)。
根据上文，可实现本发明的多个目的并且达到其它的有利效果。
在说明本发明或其优选实施方式的元件时，词语“一”、“该”和“所述”是指存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”、“具有”是包含性的，并且指除了所列出的元件外还可以有另外的元件。
由于在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述方案进行各种改变，因此，包含在上述说明和图示中的内容应解释为示例性的而非限制性的。

Claims (17)

1.一种轴承系统，包括：
轴承座，该轴承座包含沿纵轴线对齐的孔，该孔具有处于孔内的柱形内侧壁和底面，该底面限定孔的端部；
容纳在所述轴承座的孔中以用于可旋转地支承一轴的轴承，该轴承具有与孔的内侧壁相邻的柱形外侧部和大体与孔的底面相邻的端面；以及
防滑弹簧部件，该弹簧部件容纳在所述孔中并且插置在所述轴承的端面和所述孔的底面之间；
其中，该防滑弹簧部件构造成当在所述轴承和所述孔的端部之间受压时沿大致轴向的方向对所述轴承端面施力，还构造成沿平行于所述轴承端面的方向对该端面施力以抵抗轴承相对于孔的任何旋转运动，从而所述防滑弹簧部件迫使轴承保持在孔中的固定旋转位置，以防止该轴承的外侧部相对于该孔的内侧壁运动。
2.如权利要求1所述的轴承系统，其特征在于：所述防滑弹簧部件是弹性和柔性的。
3.如权利要求2所述的轴承系统，其特征在于：所述防滑弹簧部件由弹性体材料形成。
4.如权利要求2所述的轴承系统，其特征在于：所述防滑弹簧部件是环形的。
5.如权利要求4所述的轴承系统，其特征在于：该轴承系统还包括在所述防滑弹簧部件上周向间隔开的多个齿。
6.如权利要求5所述的轴承系统，其特征在于：所述防滑弹簧部件上的齿包括朝向相反方向的第一组齿和第二组齿，以用于分别接合所述轴承的端面和所述孔的底面。
7.如权利要求6所述的轴承系统，其特征在于：所述齿均具有平坦的接合面。
8.如权利要求6所述的轴承系统，其特征在于：所述第一组齿和第二组齿沿所述防滑弹簧部件以交替的方式周向布置。
9.如权利要求8所述的轴承系统，其特征在于：该轴承系统还包括位于每对相邻的第一和第二齿间的连接段，各连接段都具有周向方向分量。
10.如权利要求1所述的轴承系统，其特征在于：所述轴承的尺寸设定成能以间隙配合容纳在所述孔中。
11.如权利要求10所述的轴承系统，其特征在于：所述轴承的外侧部与所述孔的内侧壁直接相邻，两者之间没有任何中间部件。
12.一种电动机器，包括：
具有纵轴线的定子；
转子，该转子安装成相对于定子旋转以与所述定子磁性互感，该转子包括沿所述纵轴线延伸的轴；
用于连接在所述定子的两纵向端的两个端盖，所述端盖中的至少一个具有带底面的孔；
轴承，该轴承容纳在所述孔中以支承所述轴；以及
弹簧部件，该弹簧部件位于所述轴承与所述孔的底面之间；
其中，所述弹簧部件由弹性体材料形成。
13.如权利要求12所述的电动机器，其特征在于：所述弹簧部件是环形的。
14.如权利要求13所述的电动机器，其特征在于：所述弹簧部件还包括在该弹簧部件上周向间隔开的多个齿。
15.如权利要求14所述的电动机器，其特征在于：所述弹簧部件上的齿包括朝向相反方向的第一组齿和第二组齿，以用于分别接合所述轴承和所述孔的底面。
16.如权利要求15所述的电动机器，其特征在于：所述齿均具有平坦的接合面。
17.如权利要求15所述的电动机器，其特征在于：所述第一组齿和第二组齿沿所述弹簧部件以交替的方式周向布置。
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