TW495590B - Hybrid ball bearing comprising ceramic balls and steel rings - Google Patents

Description

495590 6547pif.doc/008 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（I ) 本發明是關於一種深溝類型之滾珠軸承，其包括一個 鋼鐵內環及一個鋼鐵外環，內外環的材質皆是鋼鐵，且各 自有兩個彼此相對的滾動溝中，滾珠被放置在內外環之滾 動溝之間且與滾動溝接觸。滾珠有個外殼被放置在內外環 之間且藉以抓住滾珠。兩個環形密封墊徑向延伸於內外 環、滾珠和外殻的雙側邊，這兩環形密封墊可用以保住潤 滑劑在滾珠與外殻的空間中，且被限制在內外環及兩個密封 墊的範圍之內。 如上所述，本發明是特別關於一種滾珠軸承，其具有高 精密度和尤其是在航空工程方面的優質性，例如ABEC7 的水準。 在航空工程方面，特別是在直昇機的後傳動裝置中， 我們已使用如上所述之滾珠軸承，且滾珠軸承中的滾珠材質 爲鋼鐵。ia些滚珠可甩鋼鐵或複合材料作成的外殼從側面 抓住，這些已知的滾珠滾動於同樣用鋼鐵作成的內外環滾 動溝之間。 滾珠軸承的主要缺點是在潤滑過程之間表現出_種 太過於被限制的壽命狀態。此狀況是由於鋼鐵的滾珠與亦 是鋼鐵的內外環接觸而造成不良的摩擦效果，此效果造成X 量的發熱，使得潤滑油及潤滑脂接連的耗損。 滚珠軸承的爵命在潤滑過程之間皆被限制；一方面是因 爲在滾珠軸承運作時散發的熱導致潤滑劑自然的消失，且 被加熱的潤滑劑從環形密封墊自然地滲出。另外一方面， 滾珠軸承的壽命的限度亦由於這些已知的滾珠軸承的作用 4 本^張尺度適用中國國家標準（CNS)A4^格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) tfr ;線- 495590 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6547pif.doc/0〇8 五、發明說明（Ό 是在有害的環境中或在機匣保護的範圍之外。且由於維護 工作包含淸洗滾珠軸承之周圍部分，特別是在〜般直昇機的 後傳動裝置，這些淸洗的操作可能導致潤滑劑的損失，這 種現象是始於滾珠軸承迅速氧化的關係。 此項發明的主要問題是要解決那些缺點而_造出如上 所述之浪珠軸承’以使胃旨延長浪珠軸承在潤滑過程中的壽 命，及改進以前使用的密封墊，並因此而減少維修成本。 如上所述，此項發明之滾珠軸承以陶瓷燒接滾珠爲特徵。 依據此項發明，滾珠軸承最好是一種混合而成之深溝型滾 珠軸承，其中磨擦的狀態因是使用兩種不同材料作成的而 有所改善滾珠與內外環的接觸。它的材質即是鋼鐵的內外 瓌與陶瓷的滾珠。事實上，物體材質的接觸狀態（例如摩 擦、滑行尤其是剪應力）決定了滾珠軸承的磨耗與發熱， 而相較於上述傳統的滾珠軸承，這些接觸的狀態已獲得改 善，由於接觸時發熱變少了，因此使潤滑油脂連續性的耗 ^大大地減緩，這樣在潤滑過程中可增加滾珠軸承的壽 命，大約可增加傳統滾珠軸承壽命的三倍，同時減少密封墊 的損壞，亦可獲得大約10%的質量，這主要由於以陶瓷製 作滾珠的關係，這三項優點可使維修工作明顯地減少。 更甚者，滾珠陶瓷至少一部分是由包含氮化砂和/或碳化 銶所組成 、 在某些應用中，外環可以用是性能比內環低的鋼鐵作 成的，更甚者，內外環的鋼鐵是選自於下列的鋼鐵：傳統 滾珠軸承鋼鐵，更好的類型是Μ50或100C6、不銹鋼鐵， 5 標準YCNS)A4規格⑵〇 X 297公爱） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

495590 A7 6547pif.doc/008 B7 i、發明說明（j ) 更好的類型是440C或XD15N、滲氮或滲碳之結構鋼鐵， 更好的類型是32CDV13或M5〇NIL。 當內外環之鋼鐵非不銹鋼時，至少內外環其中之一， 但更好的是每一個鋼鐵環’都能以電解沈積形成之含鉻合 金表面覆蓋層而來保護著’尤其是對防止腐蝕特別有用。 然而，若內外環是不銹鋼，且爲增加其硬度我們於內外環之 滾動溝上進行滲碳的處理。在滾動溝中被損壞的不銹性可 在滾動溝中由以電解沈積形成之含鉻合金的表面覆蓋層來 補足。 因此，我們可保存外殼的傳統定義，其外殼包括兩個 半環形外殼，它們對稱地緊緊相倚靠在徑向的平面上，且藉 由一些軸向鉚釘在軸向上被接合起來，在兩個環形外殼補助 凹槽之間形成滾珠的座子，因此外殼是以內環爲中心。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) --線- 雖然滾珠的外殻，如在滾珠軸承的技術狀態中一樣，可用 綱鐵或是被合材料’例如叫做P.E.E.K^polyether-ether-cetone)的 材料用 合成樹 脂爲母 材料而 由碳的 短纖維 補強， 本發明之滾珠軸承的外殻以青銅形成的特別好，更佳的類 型是US3Zfe，它可提供最佳的機械狀態，尤其是在直昇 機上後傳動裝置軸桿的應用上。 另外’至少一個密封墊，但最好的是每一個密封墊， 包括一個環形的金屬側板，這個金屬環形側板被一個環形 墊在側邊朝向滾珠軸承內部加襯，及在徑向上往滾珠軸承的 軸心方向延伸’密封墊藉由外徑周邊被固定且用固圈來緊 靠著外環的肩凸部分，它被提升至外環中且緊緊地倚靠金 6 本紙張&度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 495590 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 6547pif.doc/008 J37 ____ 五、發明說明) 屬側板的外周邊，這是當密封墊的內徑周邊包括成V字形 有彈性可變形環形墊之橫截面的一個側邊，這個側邊以彈 性接觸緊靠內環之外部及圓柱形徑向的範圍內。故此’一 個優良的密封墊可保証防止潤滑劑滲出。 此外，爲顯著地改進維修過程，至少一個密封墊的側 板，但最好的是每一個密封墊的側板，能打至少一洞，而 洞被相對應的環形墊之彈性可變形材料之罩布封閉，從洞 的內部至少一個非必要疏通的裂縫被安置於該罩布內，這 是爲了方便注射器針將潤滑劑注入滾珠軸承中，其中潤滑 劑的注射針被插入上述的裂縫中。 在一項較爲人偏好的實驗中，在周圍方向上數個等距 離的洞被安置於密封墊之側板中’其側板是鋼鐵材質，而 且一個徑向裂縫被安置於以氟碳（fluocarbone)爲材料作成 的環形墊及上述側板之每一個軸向的。 我們明白如上所述的密封墊本身是一個獨立的發_，胃 爲解決曾提及的問題一種解決的辦法，撇開如上述所定_ 的外殼狀態與結構不談，這種辦法被使用在滾珠軸承中。 如上述所定義的，本發明是一種混合而成之滾珠軸承，^ 用在直昇機之後傳動裝置，尤其是應用後傳動裝竃箱 爲直昇機之後轉輪之旋轉方面的驅動裝置。 下列非限定的實例描述產生出本發明的其它優點 徵，我們將配合所附圖式說明如下： 1 第1圖是顯示滾珠軸承之透視圖； 第2圖是以較大比例繪示第1圖之滾珠軸承的徑向音^_ 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐) "^----_ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495590 五、發明說明（（ς ) 圖； 第3圖是以較大比例繪示第1圖及第2圖之滾珠軸承內外 環的橫切面圖； 第4圖是以中間比例來繪示第1圖及第2圖之滾珠軸承外 殼的徑向剖面圖； 第5圖是表示第4圖之外殼的側面垂直投影圖； 第6圖是表不第4圖和第5圖之外殼的一部分剖面圖；和 第7圖以其他的比例繪示第1圖和第2圖之滾珠軸承環形 密封墊之橫剖面圖。 圖號之簡單說明 外環1 內環2 浪珠3 環形外殼4 環形密封墊5 內滾動溝6 外滾動溝7 外殼8和9 軸向鉚釘10 徑向軸線之圓柱形座子11 憝孔13 環形墊14 氟碳膜層14a 罩布1 4b 8 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】0 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495590 A7 6547pif.doc/008 β7 五、發明說明（6 ) 唇形14c 環形側板15 外周邊部分15a 滾珠軸承之外部15b 徑向部分15c 滾珠軸承內封閉洞16 溝20 缺口 22 實施例說明 基本上，第1圖至第7圖所繪示的滾珠軸承包括外環1、 內環2、一些排列在與滾珠軸承之X-X軸相同軸之外環1 與內環2之間的滾珠3、同樣安置於外環1與內環2之間 的環形外殻4，這樣抓住側邊和周圍方向上的滾珠3、還 有兩個環形密封墊5，其每一個密封墊明顯地在徑向上延 伸於外環1和內環2之間及分別地延伸於外殻4與滾珠3 的雙側邊。在限定的體積中此，可保留潤滑劑（脂肪或油 脂）在由外殼4與滾珠3圍繞的外環1、內環2和雙密封墊 5所包圍空間之中。 此種深溝類型之滾珠軸承就是外環1和內環2分別地 鸟有相對照之內滾動溝6和外滾動溝7，其內滾動溝6和 外滾動溝7具有相對照的凹面、對滾珠軸承之徑向中心平 _ P-P來說，這兩個滾動溝是對稱的。而在此實施例子中， 滾珠軸承的全部元件相對於平面P-P均成對稱。 ___ 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

本紙張中國國家標準（CNS)A4規格⑵〇 X 297公爱) ^一~一 " 495590 A7 B7 6547pif.doc/008 五、發明說明（1) 滾珠3均排列於滾動溝6和7之間，且徑向滾動與滾 動溝6和7接觸。在此種滾珠軸承的設計主要是爲承受徑 向負荷和軸向少量負荷。 滾珠3皆以陶瓷燒結，例如用si3N4或TiC。 外環1和內環2皆是鋼鐵材質，例如傳統滾珠軸承M50 或100C6之鋼鐵，或者是440C或XD15N類型之不鏽鋼， 或滲氮結構之鋼鐵，如32CDV13，或滲碳結構之鋼鐵，如 M50NIL。 當外環1和內環2之鋼鐵非不鏽鋼，環1和2由一表 面覆蓋層保護，其表面覆蓋層是密度大的、非磁性、極硬、 富含鉻量之合金，以電化學式沈積，尤其以電解式之沈積。 其沈積之製作法最好是用眾所周知的商標如Electrozing之 製做法，其製作法由法國Delage Electrolizing S.A·公司硏 發出來。像這樣的鉻合金之電解沈積使所形成的表面覆蓋 層平滑、規則和均勻、非多細孔且無結核，而其中優點有 防腐蝕，抗磨損，尤其是減少摩擦。 如此之鉻金合密度大的覆蓋層同樣能以電解式沈積於 用不鏽鋼作成的外內環之滲碳的滾動溝中，此可補足因滲 碳處理而損壞的不鏽性。 外殼4由半個外殼8和9形成，其加工的材質是青銅’ 如US3Zfe，及由一些軸向鉚釘10而連接在一起◦在這項 例如中，使用九個裝滿自Z10至Z15 CNT18EA類型之鉚 釘。半個外殼8和9相對於滾珠軸承之徑向中心平面P-P 是對稱的，其平面是半個外殼8和9相倚靠之徑向平面（§靑 10 木纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A:1規格（210 X 297公爱） -J --If· — — — — — — — - I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495590 A7 6547pif.doc/008 qj 五、發明說明（¾ ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考第4圖和FIG6)。每一個半個外殼8或9具有一般傾 向半圓柱形的凹槽之圓環形狀，其凹槽成爲半個外殼9或 8具有同形狀之凹槽的輔助，此爲形成一些顯著的徑向軸 線之圓柱形座子11，皆均勻分佈於圓周方向的外殼4之 上。因此在這實施例子中，九個滾珠3之每一滾珠皆座落 九個座子11之每一座內。每個軸向鉚釘10軸向地連接相 對的半個外殼8與9，而每個軸向鉚釘1 〇穿過一個穿透於 外殼4之一部分的軸向鏜孔12，這個部分處於兩相鄰的座 子11之間，以及處於兩個在半個外殼8和9側面加工過 的態孔13，其半個外殻的側面軸向地轉向滾珠軸承的外 部，爲減少外殼4的重量，而外殼4被裝置爲內環2的中 心。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 每一個密封墊5包括一環形墊14，其顯著地在徑向上 延伸，而材質爲彈性可變形之材料（如在這氟碳例子中）， 它是被禱造於環形側板15構成之金屬骨架上。如在弟7 圖中所表現的，環形側板15含有一外周邊部分15a，它是 徑向且由一截圓錐形而側方會聚朝向滾珠軸承之外部 15b，而朝滾珠軸承之軸向X-X方向延長，圓錐形部分15b 亦由一徑向部分15c而往X-X方向延長而終止於朝滾珠軸 承側邊會聚之圓錐形內部周邊15d。此外，四個具有圓形 剖切面及對X-X軸向周圍等距離之圓柱形洞16被軸向地 安置鋼鐵側板15之徑向中心部分15c (請參考第1圖）。 氟碳環形墊14鑄造於骨架之側板15之上，以使在整個滾 珠軸承加襯側板15，此經由一層氟碳膜墊著，氟素膜層亦 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2.10 X 297公釐) " 一 一 495590 A7 6547pif.doc/008 β7 五、發明說明（q ) 覆蓋外周邊部分15a之外徑邊緣。環形墊14之氟碳亦覆 蓋每一洞16的隔板以及由一罩布Mb往滾珠軸承內封閉 洞16的底部。側板15之內周邊部分15d倒是埋入氟碳團 中，其氟碳團構成環形墊14與密封墊5的內徑周邊，而 型狀像一唇形14c，而唇形14c之側方橫切面呈V字形， 且從側面朝向滾珠軸承外部打開。其V字形唇Uc接觸內 環2之外側與圓柱形的倚靠面17(請參考第3圖），當密封 墊5是經由側板15之外徑周邊15a部分，及經由向內側 加襯的環形塾14之氟碳膜層14a部分而被保留著，此由 一金屬固圏19而緊靠著外環1之徑向和側方之肩部18。 其金屬固圈19例如以Z 10 CN 18-8材質作成的，它被裝 配及保留於溝20中，此溝20朝向徑向張開，且被安置在 外環1相對應的側方盡頭之內徑周邊裡（在側方肩部18 之外）。 相對於徑向平面P-P兩個密封墊5對稱地裝配著，借 助固圈19以氣密方式固定密封墊之外徑周邊於外環1的 肩部18，亦用V字形的唇部14c的密封式接觸來緊靠於 內環2之圓柱形倚靠面17。其圓柱形倚靠面17位於圓柱 形倚靠面21之雙邊，而滾動溝7位於其圓柱形倚靠面17 之間，外殼4則對準圓柱形倚靠面17。故此，優良密封性 是爲防止潤滑劑因滲出而流失。仍然，爲補足可能流失的 潤滑劑，在用於封閉側板15中的每個洞16之氟碳環形墊 14的罩布14b中開一缺口 22。其開缺口 22來自洞16內 部。這個缺口 22更是徑向地，而並非一定可透過罩布14b 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公爱） C請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 訂 --線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 495590 A7 B7 6547pif.doc/008 五、發明說明（ 來疏通。故此，以一支含有潤滑劑之注射器’將它插入於 缺口 22的邊緣之間，爲射入潤滑劑於滾珠軸承裡，可能 將缺口底部穿個孔，以及將針通過罩布14b，而完成之後 可從罩布14b和缺口 22上拔出注射器針，缺口 22彈性地 自動封閉，以防止潤滑劑於缺口 22及洞16往滾珠軸承外 流失。 故此，可給滾珠軸承加脂肪或潤滑劑，而不會撕裂或 損壞密封墊5的環形墊14。 本發明之滾珠軸承的利用特別適合於直昇機之後傳動 裝置中，尤其是傳動直昇機之後傳動裝置盒，此是爲了直 昇機後轉輪之驅動。在這種利用的情況下，依照直昇飛機 之操作循環，使用本發明之滾珠軸承可達到1200小時不 需加油的運轉。因此，本發明之滾珠軸承比傳統的一般滾 珠軸承之壽命增加了約三倍，此外經由氟碳罩布14b中的 缺口 22，封閉密封墊5之骨架側板15的洞16，簡化了滾 珠軸承的加油過程 在這情況下，可降低很多維修過程之成本。 要注意到外殼4在滾珠軸承中最好是用青銅材質，亦可用 鋼鐵或複合材料，如碳短纖維埋入於一種合成樹脂如所習 知的 P.E.E.K。 要注意到如密封墊5可裝置於一個滾珠軸承中，其中 滾珠軸承的滾珠和/或內外環和/或外殻可與上所述有著不 同的結構和/或不同的性質，且密封墊本身是一個獨立性 發明，可應用於所習知的滾珠軸承。 13 本紙張&度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

LlIU-------- n ϋ n — ϋ n 1 ον I (I —mme I 1 an an I (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

Claims (1)

1. 495590 6547pifl.doc/013 爲第89118305號專利範圍修正本 ABCD 修正日期：民國91年3月丨2日 申請專利範圍 1· 一種滾珠軸承，包括： 一內環(2)和一外環（1)，其內環（2)和外環（1)是鋼鐵材質 且各自有兩個彼此相對的滾動溝（6,7)，滾珠（3)由陶瓷 儘·結且被放置於外內環(1，2)之滾動溝（6,7)之間，一 滾珠籠子（4)裝置於外內環（之間藉以抓住滾珠（3)， 兩個環形密封墊（5)明顯地朝徑向延伸於外內環（1，2) 之間、及滾珠（3)和滾珠籠子（4)的雙側、爲保留潤滑 劑於滾珠（3)、滾珠籠子、外內環（1，2)及兩密封墊 (5)包圍的空間之內，該滾珠軸承之特徵在於該些滾珠 係接觸一由含高鉻成分之密致合金製成的表面塗層，其中 該表面塗層係由電解沈積方法形成，用以保護鋼鐵內外環 上1，2)其中至少一個的至少滾動溝（6,7)部份。 2·如申請專利範圍第1項所述之滾珠軸承，其中滾珠 (3)之陶瓷至少一部分是由Si3N4或TiC組織成的。 請 先 閲 讀 背 意 事 項 再 裝 頁 訂 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 3_如申請專利範圍第1及2項所述之滾珠軸承，其中內 環（2)和外環（1)之鋼鐵係選自於：傳統滾珠軸承之鋼 鐵，最好的類型是M50或100C6、不鏽鋼鐵，最好的類型 是440C或XD15N、滲氮或滲碳之結構鋼鐵，最好的類型 是 32CDV13 或 M50NIL。 4.如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承其中之 ，其中的滾珠籠子(4)以兩個半gj(8,9)所構成，其形狀爲 14 線 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Μ規格（210X29*7公嫠） 495590 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 6547pifl.doc/013 申請專利範圍 環形狀。半籠·（ 8,9)對稱地緊緊相倚靠在徑向的平面（p_ P)上，且藉由一些軸向鉚釘（10)在軸向上被接合起來，在兩 個環形生_霞(8,9)補助凹槽之間形成滾珠（3)的座子（11)，因 此滾珠籠子(4)是以內環(2)爲中心。 5·如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承，其中 滾珠籠子(41之材料是青銅，最好的材質是US3ZFe。 6·如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承其中之 一，其中至少一密封墊（5)包括一環形金屬側板（15)， 經由材質是有彈性可變形材料作成的環形墊（U)，它側邊 地朝滾珠軸承之內部加襯以及徑向地往滾珠軸承之軸向 (X-X)方向延伸，之側方地墊著往滾珠軸承內，因密封 墊之外徑向周邊（15a，14a)，密封墊（5)被保留，此由 一金屬固圏（19)而緊靠著外環（1)之側方的肩部（18)，及被 提升至外環（1)且倚靠金屬側板（15)之外邊周（ba)，而 當密封墊（5)之內徑周邊包括一唇部（14c)，其係是彈 性可變形材料之環形墊（14)呈V字形的橫切面，該唇部 (14c)彈性接觸內環（2)之外側及圓柱形之倚靠面（17)。 7·如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承，其中一 密封墊（5)之側板（15)至少打一個洞（16)，由環形墊 (14)的彈性可變形材料之罩布（14b)來封閉，以及至 少一個不一定可疏通的缺口（22)被裝置於該罩布（14b) ____ 15___ 本紙張尺度適用巾賴家轉丁⑽）A4g ( 21QX297公f " 一

   495590 ABCD 6547pin.doc/013 六、申請專利範圍 裡，而從該洞（16)內部，由一注射器將針插入於該缺口 (22)，此簡化了潤滑劑注射在滾珠軸承中的過程。 8. 如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承，在周圍 方向等距離的一些洞（16)被軸向地裝置於上述密封墊（5) 之鋼鐵側板（15)之中，一徑向缺口（ 22)被裝置於氟碳 環形墊（I4)裡，在上述側板（15)之每一洞（16)之中。 9. 如申請專利範圍第1或2項所述之滾珠軸承，它應用 在直昇機之後傳動裝置中，尤其是用在後傳動裝置盒中。 (請先閲讀背面之注意事項再頁) •裝· ,?τ -線 經濟部中央標準局貝工消費合作社印褽 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）