純滾動軸承幾種方案的優(yōu)劣對比

純滾動軸承幾種方案的優(yōu)劣對比滾動軸承是機械設備中不可或缺的核心部件之一，其主要作用就是減少相對運動部件之間的摩擦。因此，長期以來，科技人員努力通過各種手段減少滾動軸承的摩擦，特別是為減少甚至消除滑動摩擦，發(fā)明設計了許多技術(shù)方案，其中最主要的手段就是取消保持架，實現(xiàn)滾動軸承的純滾動工作方式。就目前而言，實現(xiàn)這一技術(shù)目標的方案主要有3種：1.通過設置輔助滾動體取消保持架；2.通過在滾動體上設置永磁體或滾動體本身就是永磁體取消保持架；3.滾動體本身是軟磁材料或軟磁材料與其他材料的組合體組成，滾動體依靠內(nèi)外圈上的磁體磁化取消保持架（申請?zhí)?01910757011.7）。在上述3種方案中，方案1是通過機械方式實現(xiàn)取消保持架的，與后兩個區(qū)別較大，在此不作討論。本文主要對后兩個方案的優(yōu)劣進行對比。以下是方案3與方案2的本質(zhì)區(qū)別1.工作原理的本質(zhì)區(qū)別方案3的工作原理是利用軟磁材料與磁體之間的相互作用保持滾動體的間距。方案2的工作原理是利用設置在圓柱形滾動體兩端的永磁體之間的排斥作用保持滾動體的間距。2.滾動體結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別方案3的滾動體是由軟磁材料或軟磁材料與其他非磁性材料組成的。實際上本方案在實際應用中，滾動體一般是由單一的軟磁材料組成，比如現(xiàn)在使用的軸承滾動體大部分是屬于軟磁材料的軸承鋼，除非是在特殊的應用環(huán)境中，比如耐腐蝕、耐高溫等特殊條件下，才需要在軟磁材料滾動體外層結(jié)合相應特殊材料滿足相應的特殊要求。這種滾動體是沒有磁場的普通滾動體。方案2的滾動體是由永磁體或永磁體與其他材料組成的，是帶磁場的磁性滾動體。3.內(nèi)外圈結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別方案3的內(nèi)外圈是由磁體或磁體與其他材料組成。方案2的內(nèi)外圈是由其他材料或軟磁材料與其他材料組成。4.磁體功能的本質(zhì)區(qū)別方案3的磁體是用來為滾動體中的軟磁材料提供磁化磁場從而使?jié)L動體保持間距的，不是直接使?jié)L動體保持間距，同時能夠約束滾動體。方案2是直接利用永磁體的同極性相互排斥保持滾動體間距的。5.軟磁材料功能的本質(zhì)區(qū)別方案3的軟磁材料功能是接受外部磁場磁化作用而成為磁場的載體，通過被磁化為磁體而保持滾動體間距。方案2的軟磁材料功能是接受滾動體上永磁體磁場的吸引作用，把滾動體固定在預定的軌道上。6.磁體位置的本質(zhì)區(qū)別方案3的磁體位于內(nèi)外圈至少其中之一之上。方案2的磁體位于圓柱形滾動體的兩個端面上。以下是方案3相對于方案2有益的技術(shù)效果1.方案3工作原理可以使軸承滾動體保持間距的能力穩(wěn)定可靠，不需要輔助措施；方案2需要借助輔助手段才能保證滾動體間距穩(wěn)定，并且當滾動體間距太近時，或者軸承負載方向變化，由于永磁體之間排斥的不穩(wěn)定性，會導致滾動體錯位或聚集在一起，使軸承不能正常工作。2.方案3的滾動體結(jié)構(gòu)簡單可靠，生產(chǎn)工序少，成本低；滾動體是軸承部件中工作環(huán)境最復雜惡劣的部件，其可靠性決定了軸承的可靠性，滾動體結(jié)構(gòu)越簡單，軸承的可靠性越高。方案3的滾動體可由單一的軟磁材料組成，如現(xiàn)有的屬于軟磁材料滾動體的軸承鋼滾動體，實踐已證明了其可靠性。方案2是在每個圓柱滾動體兩端設置兩塊永磁體，部件的數(shù)量成倍增加，增加了結(jié)構(gòu)的復雜性，降低了軸承的可靠性。部件增加，生產(chǎn)工序增加，成本提高。3.方案3可較快形成成熟產(chǎn)品方案3可以直接使用結(jié)構(gòu)簡單成熟的軸承鋼滾動體，既可以利用現(xiàn)有的設備資源，也可以使本技術(shù)方案快速實施成熟；方案2滾動體和內(nèi)外圈都需要重新設計生產(chǎn)，周期長，成本高。4.方案3可直接形成成熟產(chǎn)品方案3可直接改造現(xiàn)有的有滾道軸承鋼球形滾動體軸承，使其成為不用保持架而保持間距的滾動軸承在徑向軸承的應用中，其內(nèi)外圈永磁體設置的位置可以參見申請文件附圖29，附圖30，附圖45，也可以是這幾個附圖方案的拆分組合或其他合適的結(jié)構(gòu)，并且這種磁體的設置方式，軸承的內(nèi)外圈采用的材料不受限制。當然通過在內(nèi)外圈適當位置設置磁體而用于球形角接觸軸承，也可以用于滿球軸承鋼滾動體軸承，這時永磁體應設置在沒有裝球口的一端。在軸向軸承的應用中，永磁體設置在上下座圈與滾動體接觸的平面的任意一面或兩面的軌道附近，可以在滾道內(nèi)側(cè)、外側(cè)或兩側(cè)都可以，永磁體形狀與滾道相同，并且這種磁體的設置方式，軸承上下座圈的材料不受限制。這兩種方案只需要定制形狀合適的永磁體，就可以直接利用現(xiàn)有的球形軸承鋼軸承，使本方案直接成為成熟的產(chǎn)品。方案2沒有直接利用現(xiàn)有軸承的能力。5.方案3可適應各種形狀的滾動體方案3的軟磁材料滾動體主要是應用成熟的軸承鋼滾動體，結(jié)構(gòu)簡單，通過適當方式與內(nèi)外圈上設置的磁體的配合，能夠適應各種形狀的軸承鋼滾動體。方案2只能較好適應圓柱滾動體軸承，由于其滾動體上設置了永磁體，不能很好地適應錐形滾動體，完全不能適應球形滾動體。6.方案3可采用電磁體方案3的磁體除了可以采用永磁體之外，還可以采用電磁體或永磁體與電磁體的組合體，這時磁體設置在軸承內(nèi)外圈不轉(zhuǎn)動的部分，并且電磁體的磁場強弱可調(diào)，技術(shù)上也非常容易實現(xiàn)，這樣可以實現(xiàn)一些特殊場合的應用，比如強烈振動、高溫環(huán)境等。方案2的磁體只適合采用永磁體，如果采用電磁體，無法通過常規(guī)手段實現(xiàn)，會存在較大的技術(shù)障礙，而且會使軸承變得非常復雜。7.解決了長期未解決的純滾動軸承結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、實用性強，使用壽命長的難題在滾動軸承領(lǐng)域，為了杜絕滑動摩擦，實現(xiàn)軸承的純滾動工作方式，減少甚至不用潤滑劑，出現(xiàn)了各種技術(shù)方案，但始終沒有完美解決這個問題。方案3則完美解決了這個問題在方案3的申請文件附圖50的結(jié)構(gòu)中，當軸承沒有滾道、內(nèi)外圈是非鐵磁性材料且磁體形狀隨內(nèi)外圈形狀調(diào)整的情況下，可以實現(xiàn)圓柱形滾動體軸承和球形滾動體軸承穩(wěn)定的純滾動工作。為保證這種純滾動軸承的可靠性，內(nèi)外圈的最邊緣一般要設置擋邊，以防止?jié)L動體意外脫落。在方案3申請文件附圖52的結(jié)構(gòu)中，在沒有滾道且上下座圈是非鐵磁性材料的情況下，可以實現(xiàn)球形滾動體的純滾動工作。這種推力軸承沒有滾道時，球形滾動體在兩個平面之間轉(zhuǎn)動。由于慣性作用，滾動體隨著轉(zhuǎn)速的提高，會偏離被固定的位置，轉(zhuǎn)速越快，偏離的距離越遠。即這種軸承在變速轉(zhuǎn)動時沒有固定的滾道，這種滾道不固定的工作方式可以延長軸承使用壽命。為了防止?jié)L動體脫離或意外脫落，軸承座圈的外邊緣和內(nèi)孔邊緣都要設置擋邊。8.本技術(shù)方案的滾動體和內(nèi)外圈在較大的偏離范圍之內(nèi)都有自穩(wěn)定的功能方案3申請文件附圖52的推力軸承，在沒有滾道且上下座圈是非鐵磁性材料時，上下座圈在外力的作用下，可在較大范圍內(nèi)措位，全部球形滾動體可整體偏離滾道而正常工作。當外力消失時，球形滾動體全部自動恢復正常滾道，座圈也自動恢復正常位置。當上下座圈只有其中之一設置磁體時，滾動體的偏離范圍可以更大，滾動體也能自動恢復正常滾道，但座圈之間則不能自動恢復正常位置。當上下座圈的磁體一強一弱時，不但滾動體的偏離范圍大，而且滾動體和上下座圈也都能自動恢復正常位置。另外，方案3附圖52的推力軸承的磁體，也可以設置在上下兩部分與滾動體接觸平面的任意部分。如設置在內(nèi)孔的最邊緣，則滾動體集中在內(nèi)孔邊緣，軸承轉(zhuǎn)動時，滾動體會逐漸向外邊緣偏離，在一定范圍內(nèi)座圈也可以實現(xiàn)偏離；如設置在外邊緣，則滾動體只能固定在外邊緣。這種設置磁體的方式可以使內(nèi)外圈選擇材料的范圍不受限制。方案3附圖50，在與上述有益技術(shù)效果7結(jié)構(gòu)相同的情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)軸承在軸向方向上較大的偏離范圍。方案2由于工作原理和結(jié)構(gòu)的原因，偏離范圍非常有限，不能適應推力軸承和球形軸承。9.方案3附圖52的結(jié)構(gòu)，在沒有滾道的情況下，能夠傳遞不同軸的推力當附圖52沒有滾道時，座圈上下兩部分與滾動體接觸的部分都是平面，座圈的轉(zhuǎn)軸可以錯位傳遞推力，即轉(zhuǎn)軸平行但不在同一條直線上。這種情況下，座圈上下兩部分的轉(zhuǎn)軸可以沿著與上下相對平面平行的任意方向，在一定范圍內(nèi)平行移動。其實際工作情況可以參考嗶哩嗶哩、抖音、快手上“純滾動軸承的工作原理”的視頻。以下是方案3解決的技術(shù)難題1.不需要輔助手段保持滾動體間距的穩(wěn)定方案3不需要其他任何輔助手段，也不管有沒有擋邊或滾道，或者滾動體之間間距的大小，都不影響滾動體穩(wěn)定保持間距的能力，并且滾動體之間的間距越小，其保持間距穩(wěn)定的能力越強。方案2在沒有滾道或擋邊的情況下，需要采取輔助手段才能保持滾動體間距穩(wěn)定，并且滾動體之間的間距不能太近，否則，由于滾動體兩端永磁體之間排斥的不穩(wěn)定性，當軸承在軸向方向上出現(xiàn)移動，就會出現(xiàn)滾動體之間相互措位，甚至滾動體聚在一起的情況，對于增加滾動體數(shù)量，提高軸承承載能力不利。即使有擋邊或滾道，滾動體之間的排斥作用也不穩(wěn)定。方案2的圓柱滾動體兩端加永磁體或圓柱滾動體本身為永磁體的方案雖然從理論上解決了圓柱滾動體保持間距的技術(shù)問題，但實際上在沒有擋邊或滾道的情況下，由于永磁體之間排斥力的不穩(wěn)定性，還需要利用滾動體上的永磁體與內(nèi)圈外表面或外圈內(nèi)表面的軟磁材料相互吸引才能保持穩(wěn)定，否則，這種方案的圓柱滾動體之間無法保持穩(wěn)定的間距。這也是軟磁材料與磁體之間相互作用的真正目的，兩者之間的作用與本申請方案的作用完全不同。2.使所有形狀的滾動體保持穩(wěn)定間距方案3保持滾動體間距的方式可以適應所有形狀滾動體軸承。方案2則只能適應圓柱滾動體軸承，不能適應其他形狀滾動體軸承的應用，特別是球形滾動體軸承，這也是對方案2始終以圓柱滾動體為例，而沒有涉及其他形狀滾動體例子的原因。3.解決上述有益技術(shù)效果7的問題4.解決了推力軸承在不同軸情況下傳遞推力的問題軸承中除了普通的只提供旋轉(zhuǎn)功能的軸承外，還有一些特殊軸承，比如調(diào)心軸承可以實現(xiàn)內(nèi)外圈軸心線存在一定夾角的情況下工作。而方案3附圖52的結(jié)構(gòu)在沒有滾道的情況下，可以實現(xiàn)上下座圈軸心線平行但不同軸的情況下傳遞推力。5.解決了徑向軸承在軸向方向較大范圍偏移的問題上述有益效果7中方案3附圖50的方案解決了這個問題。6.解決了方案2可靠性差、滾動體的形狀只能局限于圓柱滾動體的難題7.解決了滾動體在較寬的滾道范圍內(nèi)正常工作的問題方案2滾動體必須與其設置的軟磁材料滾道相結(jié)合，并且軟磁材料滾道的寬度必須與結(jié)合永磁體的圓柱滾動體的寬度相同，才能實現(xiàn)滾動體保持間距的穩(wěn)定性。而方案3則對滾道的寬度不敏感，不需要滾道或可以在較寬的滾道范圍內(nèi)正常滾動工作。方