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(jì)

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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也需要作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)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(yùn)動(dòng)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(dòng)到某一端時(shí)，分體式軸承仍然保證保持架有運(yùn)動(dòng)空間，軸和外圈之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也需要作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)零件之間。直線軸承一般是標(biāo)準(zhǔn)件或通用件。設(shè)計(jì)人員從軸承廠選擇合適尺寸規(guī)格的軸承，用于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jiǎn)單[3]，但是在某些使用情況下，某些狀態(tài)下，軸承運(yùn)動(dòng)不理想，會(huì)使兩個(gè)運(yùn)動(dòng)零件之間的運(yùn)動(dòng)不順暢，甚至?xí)ㄗ　?/p>

1 分體式直線分離軸承設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)球軸承，直線運(yùn)動(dòng)滾子軸承，直線運(yùn)動(dòng)球?qū)к壷С?，直線運(yùn)動(dòng)滾子導(dǎo)軌支承，直線運(yùn)動(dòng)滾針導(dǎo)軌支承[4-5]。直線軸承有摩擦力小[6-8]、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)[9]。常見(jiàn)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(yùn)動(dòng)范圍)、保持架3和滾珠4三個(gè)部分組成。外圈一般通過(guò)過(guò)盈配合裝配到其他零件的孔上，和孔之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軸和帶孔零件之間的相動(dòng)運(yùn)動(dòng)，包括直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 問(wèn)題提出及分析

如果保持架和滾珠在外力作用下移動(dòng)到最下面，此時(shí)軸相對(duì)于外圈的運(yùn)動(dòng)方式是向下，出現(xiàn)圖2所示情況。此時(shí)，如果軸相對(duì)于外圈的運(yùn)動(dòng)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(méi)有空間可以移動(dòng)，滾珠只能在原位置轉(zhuǎn)動(dòng)。以其中的一個(gè)滾珠為例進(jìn)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(gè)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(gè)力的合力可能是零，滾珠受到一個(gè)平衡力系。根據(jù)加減平衡力系原理：在一個(gè)力系中加上或減去任何一個(gè)平衡力系，并不改變?cè)ο祵?duì)剛體的運(yùn)動(dòng)效應(yīng)[13]。也就是說(shuō)，物體受到平衡力系相當(dāng)于沒(méi)有受到外力。根據(jù)牛頓第一定律即慣性定律，每個(gè)物體都保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，除非有外力作用于它，迫使它改變那個(gè)狀態(tài)[14]。滾珠受到一個(gè)平衡力系,就會(huì)保持原有的慣性狀態(tài)，即靜止?fàn)顟B(tài)。軸向下運(yùn)動(dòng)，而滾珠處在靜止?fàn)顟B(tài)，所以軸和滾珠就可能是滑動(dòng)摩擦，摩擦力增大，軸和外圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)不順暢。

1.3 新方案提出

對(duì)可能會(huì)引起軸和外圈之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不順暢情況進(jìn)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(jì)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(gè)整體部件，作為一個(gè)廣義直線軸承。新設(shè)計(jì)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(dòng)到最下面，此時(shí)，軸相對(duì)于外圈的運(yùn)動(dòng)方式是向下。新設(shè)計(jì)的軸承中，保持架和滾珠不管是和軸承外圈保持相對(duì)靜止，還是和軸保持相對(duì)靜止，都有空間可以移動(dòng)，不會(huì)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(gè)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(diǎn)，但必須在該力與指定點(diǎn)所確定的平面內(nèi)附加一個(gè)力偶，附加的力偶矩等于原力對(duì)指定點(diǎn)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(dòng)。軸和外圈之間是滾子的滾動(dòng)摩擦，從而使運(yùn)動(dòng)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很順暢。

1.4 方案擴(kuò)展

根據(jù)新方案的受力分析，只要使保持架和滾子有運(yùn)動(dòng)空間，不被托架或其他部分擋住，滾珠就不會(huì)受到來(lái)自保持架的正壓力，滾珠就會(huì)因?yàn)槭艿脚ぞ囟D(zhuǎn)動(dòng)，軸和外圈之間就是滾子的滾動(dòng)摩擦，從而使運(yùn)動(dòng)件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)很順暢。根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，選擇保持托架布置。

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

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

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

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

2 應(yīng)用與驗(yàn)證

某汽車公司某型號(hào)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(guò)程中有晃動(dòng)，保持架和滾珠在重力的作用下很容易落到最下面，此時(shí)，軸對(duì)的運(yùn)動(dòng)形式是向下。傳統(tǒng)直線軸承有時(shí)候就會(huì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)不順暢的問(wèn)題，整車表現(xiàn)是選擋力大，應(yīng)用新設(shè)計(jì)的直線軸承，可以明顯減少選擋力。

2.1 GSQA測(cè)試數(shù)據(jù)

在排擋位置，用GSQA儀器，測(cè)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(jì)軸承的選擋力比原軸承有減少。

2.2 變速箱位置的測(cè)量數(shù)據(jù)

在變速箱上，用簡(jiǎn)易測(cè)力設(shè)備測(cè)量的結(jié)果如表1所示。新設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)也需要作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)零件之間。文中提出一種新的直線軸承設(shè)計(jì)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(gè)整體部件，作為一個(gè)廣義直線軸承，保持架的托架根據(jù)運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)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(dòng)到某一端時(shí)，分體式軸承仍然保證軸和外圈之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，摩擦力比傳統(tǒng)直線軸承下降。該設(shè)計(jì)已經(jīng)申請(qǐng)專利，專利號(hào)201420307681.1。

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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(dòng)變速箱的設(shè)計(jì)應(yīng)用工作。E-mail:tianqiwen@126.com。