TW201704648A

TW201704648A - 摩擦力極小化軸承結構

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Publication number: TW201704648A
Application number: TW104123929A
Authority: TW
Inventors: 劉復建
Original assignee: 劉易昕; 劉易昀
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-02-01
Also published as: CN105937551A

Abstract

本發明提供一種摩擦力極小化軸承結構，利用相同速率相反轉向之方式，致使軸承的內環與外環，以相反的轉動方向及相同的轉動速率進行轉動，並在支撐齒輪組件上加裝滾桶，此滾桶與軸承外環接觸，兩者以相反的轉動方向及相同的轉動速率進行轉動，達到摩擦力極小化軸承結構。在軸承內部滾珠與內環的接觸點上，滾珠與內環以方向相同的切線速度轉動，且在滾珠與外環的接觸點上，滾珠與外環也以方向相同的切線速度行進轉動，相對速度為二者速度的差。本發明的軸承結構，可使滾珠與內環兩者間的相對速度為零或趨近零，亦使滾珠與外環，兩者間的相對速度即為零或趨近零。支撐齒輪組件上滾桶，與軸承外環兩者間的相對速度亦為零或趨近零。因而達到軸承內摩擦力極小化的目的。

Description

摩擦力極小化軸承結構

本發明係關於軸承，更特別地，係關於一種可將摩擦力極小化之軸承結構。

一般機構都是利用往復運動的原理運轉。在轉折處裝有軸承，作為轉軸或樞軸等旋轉部件與安裝基體之間的結合元件。

軸承(bearing)又稱培林、啤令(音譯)，一般係裝設於機器設備上，作為轉軸或樞軸等旋轉部件與安裝基體之間的結合元件，可藉其本身機械結構上的運作，降低旋轉部件在旋轉時所承受的摩擦阻力。

軸承的基本結構，一般而言包括有內環、外環以及位於內環與外環之間的多數滾珠。所述外環環設於內環之外；所述內環與外環都有溝槽，滾珠在溝槽內滾動。滾珠之間設有固定架，使滾珠只能滾動而不能滑動。；而所述多數滾珠一般為金屬材質(如鋼鐵)所製作而帶有剛性，其間隔設置於內環與外環之間，兩側抵靠於內環外壁溝槽(104)及外環內壁溝槽(106)。

在使用時，旋轉部件穿設於內環之穿孔內，而外環則套設於安裝基體(124)上。在旋轉部件進行旋轉時，通過所述多數滾珠的帶動及油脂潤滑，可使內環與外環之間，在承受較小磨擦力的情況下進行轉動。

請參考第12及13圖所示，其揭示現有技術之軸承的基本結構，如上所述，包括有內環(103)、外環(105)以及位於內環(103)與外環(105)之間的多數滾珠(108)。所述外環(105)環設於內環(103)之外，所述內環(103)形成有一穿孔可供一旋轉部件(100)穿設，其中前述內環(103)外壁及外環(105)內壁上，形成有內凹之溝槽(104)(106)。所述多數滾珠(108)帶有剛性，間隔設置於內環(103)與外環(105)之間，以兩側球面抵靠於內環(103)外壁及外環(105)內壁之溝槽(104)(106)之中，而嵌設於內環(103)及外環(105)之間。以上為滾珠軸承，其間滾動原件為滾珠。若將滾珠換成滾筒或滾針時，即為滾筒軸承或滾針軸承。包括各種不同滾動元件，其作用原理都相同。

惟，現有技術的軸承所得呈現的工作性能，端賴其內部滾珠狀態及其相應潤滑條件而定。而滾珠本身雖然具備剛性，但在長期承受摩擦力之下，往往因長期磨耗而逐漸產生變形，從而失去良好的傳動能力。

更須值得注意的是，現有技術的軸承，一般係在內環與外環間一方靜止而另一方相對旋轉的情況下進行作動。在此作動條件下，滾珠將無法避免其本身同時承受與內環外壁面之間以及與外環內壁面之間的靜摩擦力或者動摩擦力。

本發明將摩擦力極小化軸承結構利用同步反向傳動之方式，致使軸承的內環與外環，以相同的速率及相反的轉向進行轉動。在此情況下，當軸承轉動時，其內部滾珠一側與內環的接觸點上，滾珠與內環以方向相同的切線速度行進，因而兩者間的相對速度為滾珠與內環速度的相減，若滾珠與內環速度相等或者接近相等，則兩者間的相對速度即為零或趨近零。同樣地，在滾珠另一側與外環的接觸點上，滾珠另一側與外環以方向相同的切線速度行進，因而滾珠另一側與外環間的相對速度為兩者速度的相減，若滾珠另一側與外環速度相等或者接近相等，則兩者的相對速度即為零或趨近零。在上述情況下，由於滾珠與內環、外環之間的相對速度都為零或趨近於零，故滾珠與內環、外環三者之間的摩擦力將為零或者趨近於零。

本發明係通過由一傳動齒輪組及/或動力傳導組件(如齒輪、皮帶、棘輪、連桿…等單獨或者混和所構成之機械傳動結構)，令軸承的內環與外環能夠以轉動速率相同及轉向相反的方式進行轉動。前述之傳動齒輪組，包括有內環齒輪、第一傳動齒輪、第二傳動齒輪、外環齒輪、外環傳動座，其中：該內環齒輪套接固定於該轉軸上，而以與轉軸相同的轉向進行轉動；外環傳動座套設並固定於所述軸承之外環上，而得以相對該安裝基體轉動。

該第一傳動齒輪係設置於一齒輪基座上，其嚙合於該內環齒輪以及該第二傳動齒輪，而以與轉軸相反的轉向進行轉動，同時帶動該第二傳動齒輪以與轉軸相同的轉向進行轉動。

該外環齒輪固接於該外環傳動座而可帶動軸承之外環，且該外環齒輪嚙合於該第二傳動齒輪，從而以與該第二傳動齒輪相反的轉向，即，與該內環齒輪及轉軸相反的轉向，進行轉動。

藉由前述傳動齒輪組之結構及傳動方式，前述軸承之外環，即受到該外環齒輪通過該外環傳動座的帶動，以相對於軸承之內環相反的轉向進行轉動。

針對外環齒輪組件(134)的轉動面與其接觸的滾筒間的摩擦問題，說明如下：本發明包括二項實施例。第一較佳實施例如下：在本發明其接觸的支撐滾筒上增加一組齒輪，確保外環齒輪的轉動面與其接觸的支撐滾筒間摩擦力極小化。第二較佳實施例為在車輛上的應用。

本發明一個或一個以上實施例的細節將於所附圖式和以下描述中予以闡述。根據這些描述和圖式和申請專利範圍，將可容易地瞭解本發明的其他特徵、目的和優勢。由於本發明在於強調與傳統不同的結構及方法，故下文特別強調利用此結構及方法所具備的優點。並為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，特別舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明。

100‧‧‧轉軸

101‧‧‧主軸承

102‧‧‧副軸承

103‧‧‧內環

104‧‧‧溝槽

105‧‧‧外環

106‧‧‧溝槽

107‧‧‧固定架

108‧‧‧滾珠

109‧‧‧內環齒輪

110‧‧‧外環齒輪

111‧‧‧第一傳動齒輪

112‧‧‧第二傳動齒輪

113‧‧‧第一傳動齒輪基座

114‧‧‧第二傳動齒輪基座

115‧‧‧外環傳動座

116‧‧‧齒輪連接桿

117‧‧‧外環齒輪滾筒

118‧‧‧支撐齒輪滾筒

119‧‧‧墊片

120‧‧‧車毂

121‧‧‧螺帽

122‧‧‧電磁鐵活動桿

123‧‧‧輪胎

124‧‧‧軸承安裝基體

125‧‧‧懸掛系統

126‧‧‧車體支架

127‧‧‧垂直重力

128‧‧‧移動物A

129‧‧‧與移動物A接觸面

130‧‧‧基座

131‧‧‧支撐齒輪組件

132‧‧‧第一傳動齒輪組件

133‧‧‧第二傳動齒輪組件

134‧‧‧外環齒輪組件

135‧‧‧支撐齒輪

136‧‧‧支撐齒輪軸承

137‧‧‧支撐齒輪滾筒

138‧‧‧支撐齒輪組件固定軸

139‧‧‧第一傳動齒輪軸承

140‧‧‧第一傳動齒輪固定軸

141‧‧‧第二傳動齒輪軸承

142‧‧‧第二傳動齒輪固定軸

143‧‧‧內環轉速

144‧‧‧滾珠轉速

145‧‧‧內環與滾珠相對速度

146‧‧‧外環轉速

147‧‧‧外環與滾珠相對速度

148‧‧‧垂直支撐齒輪軸承

149‧‧‧左側支撐齒輪軸承

150‧‧‧右側支撐齒輪軸承

151‧‧‧轉軸負荷重力

152‧‧‧左側支撐齒輪軸承受力

153‧‧‧右側支撐齒輪軸承受力

154‧‧‧左側水平分力

155‧‧‧右側水平分力

156‧‧‧左側垂直分力

157‧‧‧右側垂直分力

158‧‧‧左側水平夾角

159‧‧‧右側水平夾角

第1圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的頂視圖

第2圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的側視圖

第3圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的基座頂視與側視圖第4圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的支撐齒輪組件頂視與側視圖

第5圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的第一傳動齒輪組件頂視與側視圖

第6圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的第二傳動齒輪組件頂視與側視圖

第7圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第一較佳實施例的外環齒輪組件頂視與側視圖

第8圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第二較佳實施例的轉動示意圖

第9圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第二較佳實施例的側面圖

第10圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第二較佳實施例的車輛應用正視圖

第11圖為本發明之摩擦力極小化軸承結構的第二較佳實施例的車輛應用側視圖

第12圖為現有技術之軸承的示意圖

第13圖為現有技術之軸承的側面剖視圖

第14圖為摩擦力說明示意圖

第15圖為軸承內環、外環與滾珠速度說明示意圖

第16圖為主軸承與支撐齒輪軸承受力說明示意圖

本發明之優點及特徵以及達到其方法將參照例示性實施例及附圖進行更詳細地描述而更容易理解。然而，本發明可以不同形式來實現且不應該被理解僅限於此處所陳述的實施例。相反地，對所屬技術領域具有通常知識者而言，所提供的此些實施例將使本揭露更加透徹與全面且完整地傳達本發明的範疇，且本發明將僅為所附加的申請專利範圍所定義。在圖中，成分或元件的尺寸及相對尺寸為了清晰易懂而以誇示方法表示。整篇說明書中，相同的元件符號指的是相同的元件。如本文中所使用的，術語「及/或」包含任何及所有一或多相關所列物件的組合。

除非另外定義，所有使用於本文的術語(包含科技及科學術語)具有與本發明所屬該領域的技術人士一般所理解相同的意思。將更可理解的是，例如於一般所使用的字典所定義的那些術語應被理解為具有與相關領域的內容一致的意思，且除非明顯地定義於本文，將不以過度理想化或過度正式的意思理解。

以下將配合圖式詳細敘述例示實施例。然而，這些實施例可以包含於不同的形式中，且不應被解釋為用以限制本發明之申請專利範圍。這些實施例之提供使得本發明之揭露完整與明暸，熟知此技術之人將能經由該些實施例了解本發明之範疇。

為有助於更方便地理解本發明之運作原理及實際功效，以下先就現有技術中關於「摩擦力」的相關知識，進行說明：摩擦力是一種阻止接觸物體間互相滑動的作用力。摩擦力的公式為f=-μN。

請參看第14圖所示，兩個接觸物A(128)及B(129)，接觸物A(128)在接觸物B(129)上的垂直重力為N(127)，兩個接觸物A(128)及B(129)之間的摩擦係數為μ。當摩擦力連續在距離d內發生，則功W為W=-μN‧d

其功率P為P=-μN．d/t=-μN．v

上述公式中的v是兩個接觸物A(128)及B(129)間的相對速度。

當相對速度v=0時，功率P等於0，即摩擦力不再作用。換句話說，兩個接觸物A(128)及B(129)間的相對速度為0時，既使兩個接觸物A(128)及B(129)仍在運動，此時接觸物A(128)及接觸物B(129)以相同的速度運動。接觸物A(128)及B(129)之間不會產生摩擦力。

本發明之摩擦力極小化軸承結構，由於通過簡單的原理以及結構達成將摩擦力極小化之目的，故提供了高適配性，在實際施用上相當方便，可方便地透過加裝或者改裝而方便地運用於現有的機器設備之中。

應用以上的原理，請參考第4圖，支撐齒輪組件(131)與第7圖，外環齒輪組件(134)。本發明在支撐齒輪組件(131)滾筒(118)上增加一組齒輪(135)，其齒數及滾筒(118)直徑與外環齒輪組件(134)的外環齒輪(110)的齒數及滾筒(117)的直徑計算式如下。

πD1/外環齒輪齒數=πD2/支撐齒輪齒數

D1：外環齒輪滾筒(117)直徑

D2：支撐齒輪滾筒(118)直徑故外環齒輪(110)每移動一齒其滾筒(117)移動的弧線距離與支撐齒輪滾筒(118)移動的弧線距離相等。因此兩個滾筒間的相對速度為零或趨近於零。故兩個滾筒間摩擦力極小化。

請參考第16圖，為主軸承與支撐齒輪軸承受力說明示意圖。此圖在說明主軸承與其支撐的數個支撐齒輪軸承受力分佈。故圖上省略各種附件，直接表示主軸承與支撐齒輪軸承受力。

主軸承(101)中間有轉軸(100)穿過，一般的應用將外環(105)的外壁固定，轉軸(100)的垂直負荷重力(151)造成主軸承(101)內環(103)、外環(105)與滾珠(108)間的摩擦力，此摩擦力依滾珠的實際位置分佈不同而大小不同。本發明將主軸承(101)的外環齒輪組件(134)放於數個用來支撐的支撐齒輪組件(131)之間。外環滾筒放置於數個支撐滾筒中間，且外環滾筒與各個支撐滾筒都接觸，每個支撐滾筒外緣都裝有支撐齒輪。外環齒輪與各個支撐齒輪都嚙合。經傳動齒輪組，包括有內環齒輪、第一傳動齒輪、第二傳動齒輪、外環齒輪及相關附件，使主軸承(101)外環(105)與內環(103)以相同速率相反方向轉動。故主軸承(101)內滾珠(108)與外環(105)及滾珠(108)與內環(103)間的相對速度為零或趨近於零。主軸承(101)內摩擦力極小化。

請參考第16圖，數個支撐軸承分佈位置可因實際應用而不同，為了便於說明，此處簡化為垂直支撐齒輪軸承(148)、左側支撐齒輪軸承(149)與右側支撐齒輪軸承(150)等三類。垂直支撐齒輪軸承(148) 位於轉軸(100)的垂直負荷重力(151)的正上方，因不受垂直負荷重力(151)影響，故其內摩擦力很小。主要的摩擦力來自左側支撐齒輪軸承(149)與右側支撐齒輪軸承(150)。其作用力分別為左側支撐齒輪軸承受力(152)與右側支撐齒輪軸承受力(153)。左側支撐齒輪軸承受力(152)是在沿著轉軸(100)中心與左側支撐齒輪軸(149)的中心線上，此力為F8。右側支撐齒輪軸承受力(153)是在沿著轉軸(100)中心與右側支撐齒輪軸(150)的中心線上，此力為F9。前者由左側水平分力(154)及左側垂直分力(156)組成其夾角(158)為θ1。後者由右側水平分力(155)及右側垂直分力(157)組成其夾角(159)為θ2。假設左側垂直分力(156)為F1夾角為θ1 F1=F8．Sinθ1右側垂直分力(157)為F2夾角為θ2 F2=F9．Sinθ2轉軸(100)的垂直負荷重力(151)為F3左側水平分力(154)為F4 F4=F8．Cosθ1右側水平分力(155)為F5 F5=F9．Cosθ2適當選用θ1與θ2可使左側垂直分力(156)與右側垂直分力(157)的合等於轉軸(100)的垂直負荷重力(151)。即F1+F2=F3此時θ1+θ2=θ3水平分力的合為F6 F4+F5=F6當θ1+θ2<θ3時左側垂直分力(156)與右側垂直分力(157)的合小於F3即F1+F2<F3而F4+F5>F6若逐漸移動減少左側水平夾角(158)與右側水平夾角(159)，而又不失系統穩定性時即θ1+θ2<<θ3則F1+F2<<F3而F4+F5>>F6然而左側水平分力(154)與右側水平分力(155)作用力方向相反，可互相抵銷。當夾角θ1與夾角θ2相等時，水平分力合等於零。故採用適當的夾角可減少作用於支撐軸承的外力，因而系統的垂直負荷重力(151)F3減少，達到系統摩擦力極小化的目的。假設當θ1與θ2上移至夾角為15°時，即θ1=θ2=15° F1=F2=1/2F3．Sin15° F1+F2=F3．Sin15°=0.259 F3左側水平分力與右側水平分力F4=-F5=1/2F3．Cos15°故系統承受的垂直負荷重力降至原來的25.9%，摩擦力與系統的垂直負荷重力成正比，因此摩擦力也降至25.9%，減少了約74%的軸承內摩擦能量。本發明並不限於此角度，可適用於各種角度，也不限於θ1=θ2的限制，可適用於各種不同的角度。

上述為本發明第一較佳實施例之摩擦力極小化軸承結構。

請參看第8、9、10及11圖所示，為本發明第二較佳實施例之摩擦力極小化軸承結構，本發明之摩擦力極小化軸承結構係以車輛做為安裝基體，其包括有：軸承，其包括有設置於該軸孔中的主軸承(101)及相鄰設置的副軸承(102)，該主軸承(101)與副軸承(102)各自包括有內環(103)、外環(105)以及位於內環(103)與外環(105)之間用以傳動的多數滾珠(108)，所述主軸承(101)與副軸承(102)之內環(103)皆與轉軸(100)緊固套合；其中前述內環(103)外壁及外環(105)內壁上，形成有內凹之溝槽(104)(106)。所述多數滾珠(108)帶有剛性，間隔設置於內環(103)與外環(105)之間，以兩側球面抵靠於內環(103)外壁及外環(105)內壁之溝槽(104)(106)之中，而嵌設於內環(103)及外環(105)之間；以及傳動齒輪組，其包括有內環齒輪(109)、該外環傳動座(115)、第一傳動齒輪(111)、第二傳動齒輪(112)、外環齒輪(110)，其中：該內環齒輪(109)套接固定於該轉軸(100)上，而以與轉軸(100)相同的轉速進行轉動；該外環傳動座(115)套設並固定於所述主軸承(101)之外環(105)上轉動。

該第一傳動齒輪(111)及該第二傳動齒輪(112)係樞設於一齒輪連接桿(116)，三者固定，其中第一傳動齒輪(111)及該第二傳動齒輪(112)可相對轉動，且該第一傳動齒輪(111)及該第二傳動齒輪(112)的半徑及齒數可與該內環齒輪(109)相同。其中該第一傳動齒輪(111)嚙合於該內環齒輪(109)以及該第二傳動齒輪(112)，且在該內環(103)轉動同時帶動該第二傳動齒輪(112)以與轉軸(100)相同的轉向進行轉動。

該外環齒輪(110)固接於該外環傳動座(115)而可帶動副軸承(102)之外環(105)，且該外環齒輪(110)嚙合於該第二傳動齒輪(112)，從而以與該第二傳動齒輪(112)相反的轉向，即與該內環齒輪(109)及轉軸(100)相同速率及相反的轉向，進行轉動。

須進一步說明的是，該內環齒輪(109)齒數與外環齒輪(110)齒數的比等於內環(103)半徑與外環(105)半徑及齒輪轉動速度之比如下：

當轉軸(100)轉動，副軸承(102)同步作動時，副軸承(102)之內環(103)與外環(105)以相反的轉向進行轉動。在此情況下，請配合參看第15圖所示，副軸承(102)內部滾珠(108)一側與內環(103)的接觸點上，滾珠(108)與內環(103)以方向相同的切線速度行進，因而兩者間的相對速度為滾珠(108)與內環(103)速度的相減，若滾珠(108)與內環(103)速度相等或者接近相等，則兩者間的相對速度即為零或趨近零。同樣地，在滾珠(108)另一側與外環 (105)的接觸點上，滾珠(108)另一側與外環(105)以方向相同的切線速度行進，因而滾珠(108)另一側與外環(105)間的相對速度為兩者速度的相減，若滾珠(108)另一側與外環(105)速度相等或者接近相等，則兩者的相對速度即為零或趨近零。在上述情況下，由於副軸承(102)內部的滾珠(108)與內環(103)、外環(105)之間的相對速度都為零或趨近於零，故副軸承(102)內部的滾珠(108)與內環(103)、外環(105)三者之間的摩擦力將為零或者趨近於零。

藉此，有效地將汽車運轉時，主軸承(101)因而同時產生相同的效果，將汽車負載所產生的摩擦力予以最小化。

請參考第11圖所示，該汽車上包括有一懸掛系統(125)，該連接一車體支架(126)；懸掛系統(125)側邊具有車穀(120)及設置於車穀(120)上的輪胎(123)；該車穀(120)內部具有一主軸承(101)，穿過主軸承(101)的是轉軸(100)，該轉軸(100)連接於引擎曲軸組件，可旋轉提供動能。所述車體的車毂外側之裝有傳動齒輪組，此傳動齒輪組的外環傳動座及外環齒輪固定於車毂上，剩餘傳動齒輪組部件包括有副軸承及裝於其上的內環齒輪、外環傳動座、第一傳動齒輪、第二傳動齒輪、外環齒輪及齒輪連接桿等與車毂分離。其中第一傳動齒輪、第二傳動齒輪與齒輪連接桿固定。當車輛行進中，裝於車體上的電磁鐵活動桿咬緊並固定齒輪連接桿。其中：該內環齒輪套接固定於該轉軸上，而以與轉軸相同的轉向進行轉動；該外環傳動座套設並固定於所述軸承之外環上，而得以相對該車體轉軸相反方向轉動；該第一傳動齒輪嚙合於該內環齒輪以及該第二傳動齒輪，而以與轉軸相反的轉向進行轉動，同時帶動該第二傳動齒輪以與轉軸相同的轉向進行轉動；該外環齒輪固接於該外環傳動座而可帶動軸承之外環，且該外環齒輪嚙合於該第二傳動齒輪，從而以與該第二傳動齒輪相反的轉向，即，與該內環齒輪及轉軸相反的轉向，進行轉動。

於煞車時電磁鐵活動桿放鬆並脫離齒輪連接桿。使第二傳動齒輪不再驅動外環齒輪。副軸承的外環空轉。主軸承的外環不受傳動齒輪組的影響。

以上電磁鐵活動桿及其附件，是利用電磁的特性控制活動桿及其附件開關。亦可用氣動方式取代電磁，控制活動桿及其附件開關，於煞車時氣動活動桿放鬆並脫離齒輪連接桿。當車輛行進中，此氣動活動桿咬緊並固定齒輪連接桿。

故此時副軸承(102)與主軸承(101)內摩擦力極小化。

上述為本發明第二較佳實施例之摩擦力極小化軸承結構。應用於車輛輪子上可將車輪軸承內摩擦力極小化。

請再參考第1圖，本發明進一步可包括有電磁鐵活動桿(122)，該電磁鐵活動桿(122)在車輛行駛時鎖住齒輪連接桿(116)，令各齒輪正常轉動，而在煞車時脫離於該齒輪連接桿(116)，使第二傳動齒輪不再驅動外環齒輪。目的為行駛時消除車輛車毂內軸承摩擦力，煞車時降低齒輪內應力。

所有揭露於本發明書之特徵係可使用任何方式結合。本說明書所揭露之特徵可使用相同、相等或相似目的的特徵取代。因此，除了特別陳述強調處之外，本說明書所揭露之特徵係為一系列相等或相似特徵中的一個實施例。

此外，依據本說明書揭露之內容，熟悉本技術領域者係可輕易依據本發明之基本特徵，在不脫離本發明之精神與範圍內，針對不同使用方法與情況作適當改變與修飾，因此，其它實施態樣亦包含於申請專利範圍中。