TWM573802U - 高速滾珠軸承及其滾珠保持器 - Google Patents

Abstract

本創作實施例提供一種高速滾珠軸承，其中包括：一外環、一內環、多個滾珠、及一滾珠保持器，滾珠保持器上設有多個囊袋孔，用以容納多個滾珠，且多個囊袋孔的內周面形成和滾珠同心的球面部；其中，滾珠保持器的外周面和外環內周面之間的間隙定義為第一間隙，囊袋孔和滾珠之間的間隙定義為第二間隙，第一間隙和第二間隙存在下列關係：W2=(W1-r’)×A；其中：W1為所述第一間隙的寬度；W2為所述第二間隙的寬度；r’為當所述滾珠軸承以一預定轉速運轉時所述滾珠保持器半徑的膨脹變量；A為一放大係數，所述放大係數介於1.2至1.5倍之間。

Description

高速滾珠軸承及其滾珠保持器

本創作為一種高速滾珠軸承及其滾珠保持器，特別是指一種使用於高速轉軸上的高速滾珠軸承及其滾珠保持器。

由於滾珠軸承具有高負荷、低摩擦阻力、旋轉偏擺量小及剛性高等良好運轉性能，因此高速旋轉系統大多採用滾珠軸承作為轉軸的支撐元件，以防止高速對旋轉系統所產生的大量溫升與磨耗。

隨著機械、航空等相關工業的快速發展，提高旋轉系統的轉軸轉速，增加工作效率是目前發展的趨勢之一，而且由於機械精密加工技術發展，對於轉軸精密度的要求也日漸提高，因此使得滾珠軸承的高速性能以及精密度也必須隨著機械轉軸的轉速及精密度的要求而不斷提升。

滾珠軸承的高速性能及精密度，除了受到軸承本身的材質，以及加工精密度的影響外，軸承的結構設計也會產生重大的影響。滾珠軸承的結構中，大致上包含了外環、內環、滾珠、以及一滾珠保持器。其中滾珠保持器的作用為用以將各個滾珠分隔開來，使得多個滾珠能夠以等角度間隔方式排列於內環與外環的滾珠軌道之間。滾珠保持器的結構大致上呈環狀，且沿著圓週方向等角度間隔設置多個囊袋孔，用以容置滾珠。為使滾珠能夠在保持器的囊袋孔中自由滾動，因此保持器的囊袋孔直徑需大於滾珠的外徑，然而如此將會使得滾珠保持器的囊袋孔和滾珠之間保留有間隙，而使得滾珠軸承運轉時，滾珠保持器和滾珠之間仍可相 對位移。

現有滾珠軸承採用的滾珠保持器，使用上主要有兩種導引模式，一種為鋼珠導引，一般並未考量到滾珠軸承高速運轉時的需求，在滾珠軸承以高速運轉時，容易產生偏擺，以及和滾珠產生干涉的現象，另一種為外環導引，使用在高速運轉下能穩定平衡減少偏擺產生，但是在低速運轉時，保持器與外環會產生碰撞，因此兩種導引模式均都會而導致滾珠軸承運轉時的阻力增加，並產生額外的振動，故影響到了滾珠軸承運轉的穩定性及精密度。

由於以上因素，使得現有的滾珠軸承存有相當多缺點，故，如何藉由結構設計的改良，來克服上述的缺失，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。

本創作主要目的為結合鋼珠導引及外環導引的設計解決現有滾珠軸承在高速運轉時，滾珠保持器容易偏擺產生振動，以及在低速運轉時，保持器與外環的異常碰撞，所造成的阻力增加及額外的振動的問題。

本創作實施例提供一種高速滾珠軸承，其中包括：一外環，所述外環的內周面具有一外環軌道面，所述外環的內周面沿著軸向的一側具有一外環肩部，所述外環肩部的內周面的直徑小於所述外環軌道面的內周面的直徑；一內環，所述內環的外周面具有一內環軌道面；多個滾珠，多個滾珠以相等角度間隔的方式且以滾動接觸方式容設於所述外環軌道面和所述內環軌道面之間；及一滾珠保持器，所述滾珠保持器容設於所述外環的內周面和所述內環的外周面之間，所述滾珠保持器具有：一第一環部及一第二環部，所述第一環部及所述第二環部沿著所述滾珠軸承的中心軸方向排列，且所述第一環部的外周面的直徑大於所述第二環部的外周面的直徑，且所述第一環部的內周面的直徑大於或等於所述第二環部的外周面的直徑，及多個囊袋孔，多個所述囊袋孔以沿 著所述滾珠保持器的圓週方向等角度間隔地設置於所述滾珠保持器上介於所述第一環部和第二環部之間的位置，多個所述囊袋孔的位置和直徑和多個所述滾珠相互對應，用以容納多個所述滾珠，並使多個所述滾珠在所述外環軌道面和所述內環軌道面之間滾動時得以保持相等角度間隔；其中，所述滾珠保持器的所述第一環部的外周面鄰近所述外環肩部的內周面，所述第一環部和所述外環肩部的內周面之間的間隙定義為第一間隙；每一所述囊袋孔的內周面和每一所述滾珠之間的間隙定義為第二間隙，所述第一間隙和所述第二間隙存在下列關係：W2=(W1-r’)×A；其中：W1為所述第一間隙的寬度；W2為所述第二間隙的寬度；r’為當所述滾珠軸承以一預定轉速運轉時所述滾珠保持器半徑的膨脹變量；A為一放大係數，當所述高速滾珠軸承的節圓直徑Dm與預定容許轉速N的乘積DmN值為1,600,000時，所述放大係數介於1.2至1.5倍之間。

本創作一優選實施例，其中每一所述囊袋孔由一位於所述第一環部一側的第一凹部及一位於所述第二環部的第二凹部共同構成，所述第一凹部的內周面和所述第二凹部的內周面彼此相對，且所述第一凹部的內周面形成一第一球面部，所述第二凹部的內周面形成一第二球面部，所述第一球面部和所述第二球面部位於和所述滾珠的中心同軸心的一假想球面上，且所述假想球面的直徑大於所述滾珠的直徑。

本創作一優選實施例，其中所述第二間隙的寬度W2介於0.3mm至0.5mm之間。

本創作一優選實施例，其中所述滾珠保持器及多個所述滾珠在運轉時含浸於潤滑油脂中。

本創作一優選實施例，其中所述放大係數為1.4倍。

本創作一優選實施例，其中所述滾珠保持器為樹脂材料或尼龍材料製成的滾珠保持器。

本創作實施例還提供一種用於所述高速滾珠軸承上的滾珠保持器。

本創作有益效果，在於能夠有效降低高速運轉時滾珠保持器對滾珠的干涉，並且避免滾珠保持器偏擺以提高滾珠軸承高速運轉的穩定性。

為使能更進一步瞭解本創作的特徵及技術內容，請參閱以下有關本創作的詳細說明與附圖，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

1‧‧‧高速滾珠軸承

10‧‧‧外環

11‧‧‧外環軌道面

12‧‧‧外環肩部

20‧‧‧內環

21‧‧‧內環軌道面

30‧‧‧滾珠

40‧‧‧滾珠保持器

41‧‧‧第一環部

42‧‧‧第二環部

43‧‧‧囊袋孔

431‧‧‧第一凹部

432‧‧‧第二凹部

433‧‧‧第一球面部

434‧‧‧第二球面部

P‧‧‧假想球面

G1‧‧‧第一間隙

G2‧‧‧第二間隙

D1‧‧‧假想球面直徑

D2‧‧‧滾珠直徑

Dm‧‧‧節圓直徑

圖1為本創作高速滾珠軸承的立體組合圖。

圖2為本創作高速滾珠軸承沿著橫斷面方向所取的組合剖面圖。

圖3為本創作高速滾珠軸承沿著縱斷面方向所取的組合剖面圖。

圖4為本創作採用的滾珠保持器的立體圖。

圖5為本創作採用的滾珠保持器設置的囊袋孔的局部放大剖面圖。

圖6為本創作高速滾珠軸承的局部放大剖面圖，用以揭露本創作採用的滾珠保持器的結構特徵。

本創作提供一種高速滾珠軸承及其滾珠保持器。如圖1至圖3所示，本創作高速滾珠軸承1主要包括：一外環10、一內環、多個滾珠30，及一滾珠保持器40。

其中所述外環呈圓環狀，如圖3所示，外環10的內周面具有一外環軌道面11，且所述外環10的內周面還具有一外環肩部12。該實施例中，外環肩部12形成於外環10的內周面於縱軸方向的一側邊，且所述外環肩部12的內周面的直徑小於所述外環10以及所述外環軌道面11的內周面的直徑。

所述內環20的外周面直徑小於所述外環肩部12的內周面直徑，所述內環20的外周面形成一內環軌道面21，所述外環軌道面11和所述內環軌道面21彼此相對，多個所述滾珠30容置於外環 10和內環20之間，且以滾動接觸方式容設於所述外環軌道面11和所述內環軌道面21之間。所述滾珠保持器40容設於外環10的內周面和內環20的外周面之間，且透過所述滾珠保持器40用以將多個滾珠30以相等角度間隔排列設置於所述外環軌道面11和所述內環軌道面21之間。

如圖4及圖5所示，本創作的滾珠保持器40較佳者為採用樹脂或尼龍材料製成，該實施例中，滾珠保持器40概略呈環形，所述滾珠保持器40具有一第一環部41及一第二環部42，所述第一環部41及所述第二環部42為沿著滾珠軸承的縱軸方向一前一後地排列並連接在一起。且所述第一環部41的外周面的直徑大於所述第二環部42的外周面的直徑，且第一環部41的內周面的直徑大於或等於所述第二環部42的外周面的直徑。該實施例中，所述第一環部41的內周面和第二環部42的外周面的直徑相等，因此使得第一環部41的內周面和第二環部42的外周面相互銜接在一起。

滾珠保持器40上沿著圓週方向以等角度間隔設置有多個囊袋孔43，每一個囊袋孔43的直徑和位置和多個滾珠30相互配合，且能夠供多個滾珠30可滾動地容置於各個囊袋孔43中，藉以使得各個滾珠30能夠保持滾動且以等角度間隔方式保持於外環軌道面11和內環軌道面21之間。

該實施例中，多個所述囊袋孔43位於滾珠保持器40上介於所述第一環部和第二環部之間的位置，且每一個囊袋孔43分別由一位於所述第一環部41一側的第一凹部431，及一位於所述第二環部42的第二凹部432共同構成。該實施例中，所述第一凹部431的內周面和所述第二凹部432的內周面彼此相對，且所述第一凹部431和第二凹部432共同界定出一圓孔狀的囊袋孔43，用以供多個所述滾珠容納於每一個囊袋孔43中。

如圖5所示，從滾珠保持器40的斷面觀察，所述第一凹部431 的內周面形成一第一球面部433，且所述第二凹部432的內周面形成一第二球面部434，所述第一球面部433和所述第二球面部434彼此相對，而且共同位於一和所述滾珠30的中心同軸心的假想球面P上，且所述第一球面部433和第二球面部434所在的假想球面P的直徑D1大於滾珠30的直徑D2，因此使得多個所述滾珠30容置於囊袋孔43內時，囊袋孔43的第一球面部433和第二球面部434和滾珠30之間能夠保持一間隙，並且容許滾珠30於囊袋孔43內保持滾動。

如圖6所示，本創作的高速滾珠軸承1組裝完成後，所述滾珠保持器40的第一環部41的外周面鄰近於外環10的外環肩部12的內周面，而且第一環部41的外周面和外環肩部12的內周面之間形成一第一間隙G1，且所述滾珠保持器40的囊袋孔43內周面的第一球面部433和第二球面部434與滾珠30之間也形成一第二間隙G2。所述第一間隙G1和第二間隙G2的尺寸存在有一特定比例，用以使得滾珠軸承在一預定容許轉速運轉時，滾珠保持器40和滾珠30之間的干擾能夠降低，且減少滾珠保持器40於高速運轉時的震動及不平衡狀態，藉以提高本創作的高速滾珠軸承1高速運轉的穩定性。

本創作所述第一間隙G1及第二間隙G2的關係能夠以下列關係式表示：W2=(W1-r’)×A。上述關係式中，W1為所述第一間隙G1的寬度；W2為所述第二間隙G2的寬度；r’為當所述高速滾珠軸承1以一預定容許轉速N運轉時，所述滾珠保持器40的膨脹變量；A為一放大係數，所述放大係數介於1.2至1.5倍之間。

上述關係式中，首先需確定所述第二間隙G2的寬度W2的尺寸，所述第二間隙G2的寬度W2較佳者為0.3mm至0.5mm的範圍。本創作的高速滾珠軸承1在使用時，能夠採用油脂浸潤、噴霧、油氣等類型的潤滑手段，因此使得滾珠保持器40及多個所述滾珠30皆能夠含浸潤滑油脂，且當所述高速滾珠軸承1將所述第 二間隙G2的寬度W2設計為0.3mm至0.5mm的範圍時，將可使得滾珠30在高速旋轉時，和滾珠保持器40的囊袋孔43的內周面(即所述第一球面部433及第二球面部434)之間有足夠的空間儲存潤滑油脂，因此使得滾珠保持器40的囊袋孔43不會直接接觸干涉，並且使得囊袋孔43內周面和滾珠30之間能夠透過潤滑油脂產生緩衝作用。

當決定好所述第二間隙G2的寬度W2以後，接著需確定膨脹變量r’的數值，所述膨脹變量r’的定義，為當所述滾珠保持器40以一預定容許轉速N運轉時，所述滾珠保持器40外周面的半徑因離心力作用以及震動等因素造成的膨脹變形量，所述膨脹變量r’的計算方式可以由下列公式取得：r’=(r2-r1)，其中r1為滾珠保持器40在運轉前的原始半徑，而r2為滾珠保持器40在所述高速滾珠軸承1在達到預定容許轉速N運轉狀態下的半徑。

在此特別說明，所述預定容許轉速N為本創作滾珠軸承設計時所能夠承受的最高運轉轉速，而所述預定容許轉速N會隨著滾珠軸承的節圓直徑Dm(如圖2及圖3所標示)而變動。本創作的高速滾珠軸承1為在所述預定容許轉速N與節圓直徑Dm的乘積DmN值為1,600,000的條件下計算所述滾珠保持器40的膨脹變量r’，亦即在進行量測或計算所述膨脹變量r’前，能夠先行透過Dm×N=1,600,000的關係式取得預定容許轉速N的數值範圍，再以預定容許轉速N的數值範圍進行膨脹變量r’的量測或計算。

所述滾珠保持器40的膨脹變量r’可以透過實際量測，或者是以電腦模擬方式獲得，當以實際量測方式測量膨脹變量r’時，為先行製作出一滾珠保持器40的測試樣品，接著將滾珠保持器40的測試樣品和所述外環10、內環20、滾珠30組裝成一所述高速滾珠軸承1的測試樣品後，再透過一測試機台測試所述高速滾珠軸承1以預定容許轉速N運轉時，所述滾珠保持器40測試樣品於高速運轉狀態下的實際外徑，並量測得到所述滾珠保持器40測試 樣品於高速運轉狀態下的半徑r2，接著再減去滾珠保持器40測試樣品的原始半徑r1，便能夠得到所述膨脹變量r’。

當然，所述膨脹變量r’也可以透過電腦模擬的方式來取得，當以電腦模擬的方式計算膨脹變量r’時，為利用一模擬軟體，並將所述滾珠保持器40的各部位尺寸、材料重量、彈性係數、以及滾珠30的直徑及數量等參數輸入到所述模擬軟體內，以計算出所述滾珠保持器40以預定容許轉速N高速運轉時產生的膨脹變量r’。

當決定第二間隙G2的寬度W2，並且計算出滾珠保持器40的膨脹變量r’後，便能夠透過所述W2=(W1-r’)×A的公式計算出滾珠保持器40的外周面和外環肩部12的內周面之間的第一間隙G1的寬度W1，接著再透過外環肩部12內周面的直徑減去第一間隙G1的寬度W1的方式計算出滾珠保持器40的外周面的直徑。其中，所述公式中A為一放大係數，當所述預定容許轉速N與節圓直徑Dm的乘積DmN值為1,600,000的狀態下，所述放大係數A介於1.2至1.5之間的範圍，而所述放大係數A優選者為1.4。

本創作透過上述設計方式決定了滾珠保持器40的外周面直徑，以及和外環肩部12的內周面之間的第一間隙G1的寬度，將能夠使得滾珠保持器40的外周面直徑達到一個能夠形成動態平衡狀態的最佳化尺寸。

在此特別說明，本創作所謂滾珠保持器40高速運轉時動態平衡狀態，是指當滾珠軸承以高轉速運轉時，滾珠保持器40隨著滾珠30一起旋轉時，滾珠保持器40能夠以懸浮方式保持在外環10的內周面與內環20的外周面之間位置的狀態。本創作的滾珠保持器40能夠達成所述動態穩定狀態的原因簡單說明如下：所述滾珠保持器40在受到滾珠30帶動而以滾珠軸承的中心軸線為中心旋轉時，滾珠保持器40雖然會在外環10的內周面之間產生不特定方向的彈跳，然而當滾珠軸承的轉速提高後，滾珠保持器40在外 環10內周面之間的彈跳頻率將會隨著轉速增加而提高，而滾珠保持器40外周面直徑會隨著轉速增加而變大，而外環肩部12的內周面之間的第一間隙G1的寬度會隨著縮小，因此當滾珠軸承的轉速達到高速狀態後，滾珠保持器40將會在外環10的內周面之間以密集而快速的頻率滾珠保持器40可以穩定地懸浮在外環10的內周面與內環20的外周面之間，而形成所述動態平衡狀態。

本創作的有益效果，在於能夠使得本創作的高速滾珠軸承1透過特殊設計的滾珠保持器40，使得所述高速滾珠軸承1在高速運轉時，能夠在囊袋孔43內周面與滾珠30之間有足夠的空間儲存潤滑油脂，且使得滾珠保持器40在高速運轉時能夠穩定地懸浮狀態保持在外環10內周面與內環20外周面之間的空間內的方式，因此使得滾珠保持器40和滾珠30之間的干涉減少，並且避免滾珠保持器40偏擺，進而達到提高本創作的高速滾珠軸承1於高速運轉時穩定性的目的。

以上所述僅為本創作的較佳可行實施例，非因此侷限本創作的專利範圍，故舉凡運用本創作說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本創作的保護範圍內。

Claims (11)

1. 一種高速滾珠軸承，其中包括：一外環，所述外環的內周面具有一外環軌道面，所述外環的內周面沿著所述滾珠軸承的中心軸方向的一側具有一外環肩部，所述外環肩部的內周面的直徑小於所述外環軌道面的內周面的直徑；一內環，所述內環的外周面具有一內環軌道面；多個滾珠，多個滾珠以相等角度間隔且以滾動接觸方式容設於所述外環軌道面和所述內環軌道面之間；及一滾珠保持器，所述滾珠保持器容設於所述外環的內周面和所述內環的外周面之間，所述滾珠保持器具有：一第一環部及一第二環部，所述第一環部及所述第二環部沿著所述滾珠軸承的中心軸方向排列，且所述第一環部的外周面的直徑大於所述第二環部的外周面的直徑，且所述第一環部的內周面的直徑大於或等於所述第二環部的外周面的直徑，及多個囊袋孔，多個所述囊袋孔以沿著所述滾珠保持器的圓週方向等角度間隔地設置於所述滾珠保持器上介於所述第一環部和第二環部之間的位置，多個所述囊袋孔的位置和直徑和多個所述滾珠相互對應，用以容納多個所述滾珠，並使多個所述滾珠在所述外環軌道面和所述內環軌道面之間滾動時得以保持相等角度間隔；其中，所述滾珠保持器的所述第一環部的外周面鄰近所述外環肩部的內周面，所述第一環部和所述外環肩部的內周面之間的間隙定義為第一間隙；每一所述囊袋孔的內周面和每一所述滾珠之間的間隙定義為第二間隙，所述第一間隙和所述第二間隙存在下列關係：W2=(W1-r’)×A；其中：W1為所述第一間隙的寬度；W2為所述第二間隙的寬度；r’為當所述滾珠軸承以一預定轉速運轉時所述滾珠保持器半徑的膨脹變量；A為一放大係數，當所述高速滾珠軸承的節圓直徑Dm與預定容許轉速N的乘積DmN值為1,600,000時，所述放大係數介於1.2至1.5倍之間。
2. 如請求項1所述的高速滾珠軸承，其中每一所述囊袋孔由一位於所述第一環部一側的第一凹部及一位於所述第二環部的第二凹部共同構成，所述第一凹部的內周面和所述第二凹部的內周面彼此相對，且所述第一凹部的內周面形成一第一球面部，所述第二凹部的內周面形成一第二球面部，所述第一球面部和所述第二球面部位於和所述滾珠的中心同軸心的一假想球面上，且所述假想球面的直徑大於所述滾珠的直徑。
3. 如請求項2所述的高速滾珠軸承，其中所述第二間隙的寬度W2介於0.3mm至0.5mm之間。
4. 如請求項3所述的高速滾珠軸承，其中所述滾珠保持器及多個所述滾珠在運轉時含浸於潤滑油脂中。
5. 如請求項3所述的高速滾珠軸承，其中所述放大係數為1.4倍。
6. 如請求項3所述的高速滾珠軸承，其中所述滾珠保持器為樹脂材料或尼龍材料製成的滾珠保持器。
7. 一種滾珠保持器，用以安裝於一滾珠軸承內，所述滾珠軸承具有一外環及一內環，所述外環的內周面具有一外環軌道面，所述外環的內周面軸向的一側邊具有一外環肩部，所述外環肩部的內周面的直徑小於所述外環軌道面的內周面的直徑，所述內環的外周面具有一內環軌道面，及多個滾珠以相等角度間隔的方式且以滾動接觸方式容設於所述外環軌道面和所述內環軌道面之間；所述滾珠保持器具有：一第一環部及一第二環部，所述第一環部及所述第二環部沿著所述滾珠軸承的中心軸方向排列，且所述第一環部的外周面的直徑大於所述第二環部的外周面的直徑，且所述第一環部的內周面的直徑大於或等於所述第二環部的外周面的直徑；及多個囊袋孔，多個所述囊袋孔以沿著所述滾珠保持器的圓週方向等角度間隔地設置於所述滾珠保持器上介於所述第一環部和第二環部之間的位置，多個所述囊袋孔的位置和直徑和多個所述滾珠相互對應，用以容納多個所述滾珠，並使多個所述滾珠在所述外環軌道面和所述內環軌道面之間滾動時得以保持相等角度間隔；其中，所述滾珠保持器的所述第一環部的外周面鄰近所述外環肩部的內周面，所述第一環部和所述外環肩部的內周面之間的間隙定義為第一間隙；每一所述囊袋孔的內周面和每一所述滾珠之間的間隙定義為第二間隙，所述第一間隙和所述第二間隙存在下列關係：W2=(W1-r’)×A；其中：W1為所述第一間隙的寬度；W2為所述第二間隙的寬度；r’為當所述滾珠軸承以一預定轉速運轉時所述滾珠保持器的膨脹變量；A為一放大係數，當所述高速滾珠軸承的節圓直徑Dm與預定容許轉速N的乘積DmN值為1,600,000時，所述放大係數介於1.2至1.5倍之間。
8. 如請求項7所述的滾珠保持器，其中每一所述囊袋孔由一位於所述第一環部一側的第一凹部及一位於所述第二環部的第二凹部共同構成，所述第一凹部的內周緣和所述第二凹部的內周面彼此相對，且所述第一凹部的內周面形成一第一球面部，所述第二凹部的內周面形成一第二球面部，所述第一球面部和所述第二球面部位於和所述滾珠的中心同軸心的一假想球面上。
9. 如請求項8所述的滾珠保持器，其中所述第二間隙的寬度W2介於0.3mm至0.5mm之間。
10. 如請求項8所述的滾珠保持器，其中所述放大係數為1.4倍。
11. 如請求項8所述的滾珠保持器，其中所述滾珠保持器為樹脂材料或尼龍材料製成的滾珠保持器。