一種分體式直線分離軸承設(shè)計

田啟文，張靜，王全任

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

一種分體式直線分離軸承設(shè)計

田啟文，張靜，王全任

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海 201201)

介紹一種分體式直線軸承，應(yīng)用于需要相對轉(zhuǎn)動同時也需要作往復(fù)直線運動的兩個零件之間。分體式直線軸承由外圈、保持架和滾珠、軸組成，保持架的托架根據(jù)運動形式選擇在軸上或在軸承外圈。當(dāng)保持架和滾珠在外力作用下移動到某一端時，分體式軸承仍然保證保持架有運動空間，軸和外圈之間相對運動的摩擦力比較小。

直線軸承；分體式軸承；低摩擦力

0 引言

直線軸承應(yīng)用比較廣[1-2]，應(yīng)用于需要相對轉(zhuǎn)動同時也需要作往復(fù)直線運動的兩個零件之間。直線軸承一般是標(biāo)準(zhǔn)件或通用件。設(shè)計人員從軸承廠選擇合適尺寸規(guī)格的軸承，用于機構(gòu)的設(shè)計和裝配。軸承廠生產(chǎn)的直線軸承，一般包括軸承外圈、保持架和滾珠，保持架托架在軸承外圈上。這種結(jié)構(gòu)形式比較簡單[3]，但是在某些使用情況下，某些狀態(tài)下，軸承運動不理想，會使兩個運動零件之間的運動不順暢，甚至?xí)ㄗ　?/p>

1 分體式直線分離軸承設(shè)計

1.1 常用直線軸承工作原理介紹

直線軸承的型式主要有：直線運動球軸承，直線運動滾子軸承，直線運動球?qū)к壷С校本€運動滾子導(dǎo)軌支承，直線運動滾針導(dǎo)軌支承[4-5]。直線軸承有摩擦力小[6-8]、壽命長的特點[9]。常見直線軸承結(jié)構(gòu)[10-12]如圖1所示，一般由軸承外圈2(軸承外圈兩端面有托架，以保證保持架和滾珠的運動范圍)、保持架3和滾珠4三個部分組成。外圈一般通過過盈配合裝配到其他零件的孔上，和孔之間無相對運動。保持架主要起固定和支持滾珠的作用。滾珠在軸1和外圈之間滾動，從而實現(xiàn)軸和帶孔零件之間的相動運動，包括直線運動和轉(zhuǎn)動。

1.2 問題提出及分析

如果保持架和滾珠在外力作用下移動到最下面，此時軸相對于外圈的運動方式是向下，出現(xiàn)圖2所示情況。此時，如果軸相對于外圈的運動方式是向下的，保持架和滾珠被下面的外圈的托架部分擋住，沒有空間可以移動，滾珠只能在原位置轉(zhuǎn)動。以其中的一個滾珠為例進行受力分析，如圖3所示。

滾珠受到自身的重力G、軸給它的一個向下的摩擦力f1、保持架提供的向上的正壓力N、軸承外圈提供的摩擦力f2，這4個力的合力可能是零，滾珠受到一個平衡力系。根據(jù)加減平衡力系原理：在一個力系中加上或減去任何一個平衡力系，并不改變原力系對剛體的運動效應(yīng)[13]。也就是說，物體受到平衡力系相當(dāng)于沒有受到外力。根據(jù)牛頓第一定律即慣性定律，每個物體都保持靜止或勻速直線運動狀態(tài)，除非有外力作用于它，迫使它改變那個狀態(tài)[14]。滾珠受到一個平衡力系,就會保持原有的慣性狀態(tài)，即靜止?fàn)顟B(tài)。軸向下運動，而滾珠處在靜止?fàn)顟B(tài)，所以軸和滾珠就可能是滑動摩擦，摩擦力增大，軸和外圈之間的相對運動會不順暢。

1.3 新方案提出

對可能會引起軸和外圈之間的相對運動不順暢情況進行分析，主要是保持架和滾珠受到軸承外圈的下托架阻擋引起的。應(yīng)用TIZ的空間分離的創(chuàng)新方法[15]，將軸承外圈轉(zhuǎn)移到軸上，提出一種新的直線軸承設(shè)計理念，不再把直線軸承作為標(biāo)準(zhǔn)件或通用件，而是把軸承外圈、保持架和滾珠、軸看作一個整體部件，作為一個廣義直線軸承。新設(shè)計的直線軸承結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括軸1(托架在軸上)、外圈2、保持架3和滾珠4。

如圖4所示：當(dāng)保持架和滾珠在外力作用下移動到最下面，此時，軸相對于外圈的運動方式是向下。新設(shè)計的軸承中，保持架和滾珠不管是和軸承外圈保持相對靜止，還是和軸保持相對靜止，都有空間可以移動，不會被托架或其他部分擋住。受力分析如圖5所示，滾珠受到自身的重力G、軸給它的一個向下的摩擦力f1、軸承外圈提供的摩擦力f2。根據(jù)力的平移定理：作用在剛體上的力，可等效地平移到指定點，但必須在該力與指定點所確定的平面內(nèi)附加一個力偶，附加的力偶矩等于原力對指定點的力矩[16]。將力f1平移到質(zhì)心，等效于f1加T1,f2平移到質(zhì)心，等效于f2加T2，如圖5(b)所示。

滾珠受到扭矩，所以轉(zhuǎn)動。軸和外圈之間是滾子的滾動摩擦，從而使運動件之間的相對運動很順暢。

1.4 方案擴展

根據(jù)新方案的受力分析，只要使保持架和滾子有運動空間，不被托架或其他部分擋住，滾珠就不會受到來自保持架的正壓力，滾珠就會因為受到扭矩而轉(zhuǎn)動，軸和外圈之間就是滾子的滾動摩擦，從而使運動件之間的相對運動很順暢。根據(jù)實際運動情況，選擇保持托架布置。

圖6是保持架在外力作用下，移動到如圖所示的最下面，軸相對于外圈的運動方式是向下，這種情況下的軸承設(shè)計方案圖。

圖7是保持架在外力作用下，移動到如圖所示的最上面，軸相對于外圈的運動方式是向上，這種情況下的軸承設(shè)計方案圖。

圖8是保持架在外力作用下，移動到如圖所示的最上面，軸相對于外圈的運動方式是向下，這種情況下的軸承設(shè)計方案圖。

圖9是保持架在外力作用下，移動到如圖所示的最下面，軸相對于外圈的運動方式是向上，這種情況下的軸承設(shè)計方案圖。

2 應(yīng)用與驗證

某汽車公司某型號手變速箱換擋系統(tǒng)選用了直線軸承，安裝形式是近似豎直安裝，汽車在行駛過程中有晃動，保持架和滾珠在重力的作用下很容易落到最下面，此時，軸對的運動形式是向下。傳統(tǒng)直線軸承有時候就會有相對運動不順暢的問題，整車表現(xiàn)是選擋力大，應(yīng)用新設(shè)計的直線軸承，可以明顯減少選擋力。

2.1 GSQA測試數(shù)據(jù)

在排擋位置，用GSQA儀器，測量選換擋力，結(jié)果如圖10所示：新設(shè)軸承選擋力從20.78 N減少到19.02 N，選擋力減少了8.5%；從選擋力曲線上也可以看出，新設(shè)計軸承的選擋力比原軸承有減少。

2.2 變速箱位置的測量數(shù)據(jù)

在變速箱上，用簡易測力設(shè)備測量的結(jié)果如表1所示。新設(shè)計軸承選擋力從36.22N減少到30.53N，選擋力減少了15.7%。

表1 變速箱處選擋力測量結(jié)果 N

3 結(jié)論

直線軸承應(yīng)用比較廣，應(yīng)用于需要相對轉(zhuǎn)動同時也需要作往復(fù)直線運動的兩個零件之間。文中提出一種新的直線軸承設(shè)計理念，不再把直線軸承作為標(biāo)準(zhǔn)件或通用件，而是把軸承外圈、保持架和滾珠、軸看作一個整體部件，作為一個廣義直線軸承，保持架的托架根據(jù)運動形式進行選擇，在軸上或在軸承外圈。當(dāng)保持架在外力作用下移動到某一端時，分體式軸承仍然保證軸和外圈之間的相對轉(zhuǎn)動和移動，摩擦力比傳統(tǒng)直線軸承下降。該設(shè)計已經(jīng)申請專利，專利號201420307681.1。

【1】 王劍.直線軸承在立式真空爐中的應(yīng)用[J].熱處理技術(shù)與裝備,2012,33(3):44-47.

【2】 Stüber Volker,Suerob Eduardo M,Hüfner Tobias,et al.Linear bearing deice as a solution for optical navigation of fine needle procedures[J].Technology & Health Care,2010,18(4/5)：267-273.

【3】 劉曉初，葉邦彥，黃運堯,等.一種新型的直線運動球軸承[J].軸承，2003(7)：9-10.

【4】 全國滾動承標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.JB/10335-2002直線運動滾動支承分類及代號方法[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

【5】 張松林.軸承手冊[M].南昌：江西科學(xué)出版社,2005:618-620.

【6】 Yusaku Fujii.Fritional charateristics of an aerostatic linear bearing [J].Ribology International,2006,39(9):888-896.

【7】 Yusaku Fujii.Measurement of force acting on a moving part of pneumatic linear bearing [J].Review of Scientific Instruments,2003,74(6)：3137-3142.

【8】 Yusaku Fujii.An optical method for evaluating frictional characteristics of linear bearing [J].Optics & Lasers in Engineering,2004,42(5):493-501.

【9】 Higeo Shimizu,Hirokazu Shimoda,Katsuji Tosha.Study on the Life Distribution and Reliability of Roller-Based Linear Bearing [J].Tribology Transactions,2008,54(4).

【10】 楊德緒.直線軸承止動槽位置測量方法分析及改進[J].軸承，2009(7):49-50.

【11】 劉俊麗，賈培剛.直線軸承保持架沖壓成形的計算機仿真[J].機械工程與自動化，2008(1):42-44.

【12】 趙雪妮，任威，馬濤.直線軸承外骨架的生產(chǎn)[J].制造技術(shù)與機床，2006(3):90-91.

【13】 武清璽，馮奇.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003:10.

【14】 沈惠川，李書民.經(jīng)典力學(xué)[M].合肥:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2006:13.

【15】 楊清亮.發(fā)明是這樣誕生-TRIZ理論全接觸[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:81-82.

【16】 武清璽，馮奇.理論力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2003:38-39.

DesignofaNewSeparatedLinearBearing

TIAN Qiwen,ZHANG Jing,WANG Quanren

(Pan Asian Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201,China)

A new separated linear bearing was introduced.It was applied in two parts which have related rotation and movement.The components of the separated linear bearing included outer ring,cage and steel ball,shaft.Pallet of cage was located differently based on different dynamic type,on outer ring or on shaft.When case and steel ball were moved in one side,the separated linear bearing still provided space for cage,so the friction between outer ring and shaft was low.

Linear bearing;Separated type bearing;Low friction

2014-09-22

田啟文，工程師，主要從事手動變速箱的設(shè)計應(yīng)用工作。E-mail:tianqiwen@126.com。