一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系的製作方法
2024-02-26 12:18:15
一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系的製作方法
【專利摘要】一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，包括傳動主軸(1)、兩個軸承外套(6)、兩個密珠式軸承(7)，傳動主軸(1)的兩端由兩個密珠式軸承(7)共同支撐，每一個密珠式軸承(7)的外側均配置有一個軸承外套(6)，軸承外套(6)的外部進行固定。密珠式軸承(7)包括保持架(8)及滾珠(9)，整體為多珠密排結構，保持架(8)為具有一定厚度的圓環套構型，圓環套的套壁上加工有多個通透的軸瓦形孔槽，孔槽為外開放內收緊構型，開放型開口部分為圓柱面，內收緊部分為球形弧面，兩部分型面為相切關係，滾珠(9)裝配在孔槽內，滾珠(9)與傳動主軸(1)的外圓柱面以及軸承外套(6)的內圓柱面間隙配合。
【專利說明】一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系
【技術領域】
[0001]本發明屬於機械領域，涉及一種滾動軸系。
【背景技術】
[0002]目前，只有美國的APOLLO系列探測器及前蘇聯的LUNA系列探測器實現了月球樣品採集並返回地球，它們都採用了鑽取式的採樣方式。可見對於月球採樣任務來說，鑽取方式是經過實踐證明的最為有效的手段。進一步分析可知，無論APOLLO載人登月採樣還是LUNA無人自主採樣，都採用了迴轉與衝擊複合鑽進的方式，這樣更有利於排粉鑽進及解決故障。
[0003]月面採樣時，鑽具2的鑽進示意圖如圖1所示。圖中方框所示部分為傳動軸系，它由傳動主軸1及支撐軸承3組成，鑽具2通過聯軸器4與傳動軸系連接，對負載5進行操作。通過分析可知，鑽具2的鑽進具有以下特點:月面環境具有高真空、高低溫差大等特點，鑽具2需保證能在該環境中可靠鑽進；為了實現迴轉與衝擊複合鑽進，要求鑽具2在鑽進時具有雙向迴轉與軸向直線往復雙自由度；由於負載5的不確定性及鑽具2的長懸臂結構，鑽具2的鑽進具有彎矩大、扭矩大等特點；為保證實現既定的科學目標，鑽具2的鑽進以高可靠性及高傳動效率為首要目標，在保證上述性能的前提下實現儘可能高的傳動精度。由於鑽具2僅為末端執行器，其支撐及傳動均依賴於傳動軸系，因此傳動軸系的設計是保證月面採樣任務順利完成的關鍵。
[0004]現有的傳動軸系主要採用如下兩種設計:
[0005](1)單層滑動支撐軸系
[0006]在APOLLO及LUNA探測器所採用的鑽進採樣設備中，傳動軸系均採用滑動軸承進行支撐，為了滿足使用需求它們分別採用了油潤滑和脂潤滑，前者為此配有專門的供油系統及密封結構，後者雖不用供油系統但同樣需要密封結構以保證潤滑脂不在高真空環境中揮發。這種滑動軸承支撐方式雖然結構簡單，但承載能力差、可靠性低、傳動效率低，在月球取樣這種大彎矩、大扭矩應用工況下極易發生磨損，且其所需配套提供的供油系統及密封結構等也會給系統設計帶來很大的麻煩。
[0007](2)嵌套式複合軸系
[0008]由於單軸承僅能實現單自由度支撐，為了實現上述迴轉與往復雙自由度，可通過軸系嵌套方式來實現，即迴轉與往復自由度各由一套軸系實現，兩套軸系再相互嵌套成為一個複合軸系。例如，迴轉自由度可通過一對角接觸球軸承或深溝球軸承來實現，也可以通過一對滑動軸承實現；軸嚮往復自由度可通過直線軸承或滑動軸承實現；軸系嵌套時既可以迴轉嵌套軸嚮往復也可以軸嚮往復嵌套迴轉。若兩套軸系都採用滾動支撐，則可以實現純滾動的複合軸系。這種軸系嵌套的方式雖然能夠實現既定的功能，但結構相對比較複雜，且具有較大的體積與質量，與太空飛行器所追求的小型化、輕量化相矛盾。
【發明內容】
[0009]本發明解決的技術問題是:克服現有嵌套式複合軸繫結構複雜、體積大、重量重及單層滑動支撐軸系承載能力差、可靠性低、傳動效率低的問題，提供了一種結構簡單、體積小、重量輕、承載能力強、可靠性高、傳動效率高的，採用密珠式軸承實現迴轉與往復雙自由度滾動支撐的滾動軸系。
[0010]本發明的技術解決方案是:一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，包括傳動主軸、兩個軸承外套、兩個密珠式軸承，傳動主軸的兩端由兩個密珠式軸承共同支撐，每一個密珠式軸承的外側均配置有一個軸承外套；所述的密珠式軸承包括保持架及滾珠，整體為多珠密排結構，保持架為具有一定厚度的圓環套構型，所述圓環套的套壁上加工有多個通透的軸瓦形孔槽，所述軸瓦形孔槽為外開放內收緊構型，開放型開口部分為圓柱面，內收緊部分為球形弧面，兩部分型面為相切關係，滾珠裝配在所述的孔槽內，滾珠與傳動主軸的外圓柱面以及軸承外套的內圓柱面間隙配合。
[0011]所述的軸承外套沿傳動主軸軸向的兩端面具有限位面，所述的限位面與保持架的兩個圓環形端面之間有一定的間隙，兩側間隙之和不小於傳動主軸軸嚮往復位移的1/2。
[0012]所述的與滾珠相配合的傳動主軸的外圓柱面以及軸承外套的內圓柱面濺射有MoS2固體潤滑薄膜。
[0013]所述的保持架的材料為LW-2材料。
[0014]所述的傳動主軸、軸承外套以及滾珠的材料為9Crl8材料。
[0015]所述的孔槽在保持架上採用斜向90°交叉方式均勻排布。
[0016]所述的孔槽與滾珠之間留有間隙，所述間隙以在最低溫度工作時孔槽與滾珠不發生抱死的最小間隙為最優值。
[0017]本發明與現有技術相比的優點在於:
[0018](1)密珠式軸承實現空間環境雙自由度支撐。本發明獨特地採用密珠式軸承來解決雙自由度支撐問題，這在迴轉衝擊鑽進領域尚屬首次。本發明的密珠式軸承成對使用，共同形成傳動軸系，可實現雙自由度支撐，通過間隙配合實現高可靠傳動，防止大溫差下的熱變形引起卡死等故障；
[0019](2)單層支撐實現雙自由度滾動支撐。本發明的軸系整體特徵為採用單層支撐實現了雙自由度支撐，且為滾動支撐。密珠式軸承的特殊結構形式使得滾珠可在驅動下做任意方向的滾動，當滾動軸系同時做迴轉與往復運動時，各滾珠的滾動軸線沿迴轉軸線與往復軸線的矢量合成方向，從而使該軸系可實現迴轉與往復的傳動需求。該軸系相對單層滑動支撐軸系最大的優勢是用滾動摩擦代替了滑動摩擦，由於滾珠和內外滾珠滾動面為滾動損失最小的點接觸，並且滾珠在保持架孔槽中被分隔保持，這使得整個軸系能以極低的摩擦係數進行滾動運動，從而克服了滑動摩擦的諸多弊端，具有承載能力強、可靠性高、傳動效率高等優點；而相對嵌套式複合軸系，在保證同為滾動摩擦的前提下，其結構大為簡化，具有結構簡單可靠、體積小、重量輕等優點；
[0020](3)間隙配合、雙支撐跨距拉開實現高可靠、高精度及高承載。在月面高低溫差大、真空散熱難的惡劣環境中極易引起軸系的熱機耦合問題，設計中將每一支撐處相配合的傳動主軸、密珠式軸承滾珠、軸承外套採用同種材料製造，以保證相同的熱膨脹係數，同時將三者的配合設計成間隙配合，以保證運動中不發生熱機耦合卡死現象。由於單個軸承處均為間隙配合，勢必影響軸系的迴轉精度，設計中通過採用雙支撐及跨距儘量拉開的方式來彌補，這樣在兩軸承的共同幾何約束下，可保證在單個軸承都為間隙配合的情況下仍能實現較高的迴轉精度，同時拉大跨距也能大大提高軸系的承載能力；
[0021](4)多珠密排結構及高精度滾珠實現載荷均化。密珠式軸承在設計時採用了多珠密排結構形式，在承載時每一支撐處實際是由某一區域的多個滾珠來共同承載，從而起到了載荷均化的效果。保持架採用LW-2材料製造，為圓環套構型，並在套壁上加工出多個軸瓦形孔槽，用於鑲嵌滾珠。孔槽為外開放內收緊構型，開放性開口便於滾珠裝配，內收緊部分可防止滾珠從內側脫出。孔槽與滾珠之間留有間隙，防止低溫下由於熱膨脹係數不同導致孔槽與滾珠抱死。滾珠在排布時米用了斜向90°交叉排布方式，該方式相對縱橫交叉排列方式能夠排布更多的滾珠數量，且在進行迴轉與衝擊運動時在周向及軸向的理論接觸軌跡數量也要多於縱橫交叉排列方式，因此具有更好的載荷均化效果，能夠承受的載荷也要大得多；
[0022](5)固體潤滑體系實現簡單可靠的空間潤滑。為滿足月面高真空環境使用要求，軸系採用固體潤滑方式，即在與密珠式軸承相配合的傳動主軸外圓柱面及軸承外套內圓柱面濺射MoS2固體潤滑薄膜，同時由於LW-2保持架具有自潤滑功能，可在工作中形成轉移膜，因此三者共同形成該軸系的固體潤滑體系。相對於APOLLO及LUNA探測器所採用的油潤滑及脂潤滑方式，固體潤滑無需配備專門的供油系統或密封結構，結構形式大大簡化，對系統資源的需求要少得多。同時固體潤滑可忽略蒸汽壓的影響並具有極高的溫度適應性，相對油潤滑和脂潤滑具有結構簡單、環境適應性好、可靠性高等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為鑽具鑽進不意圖；
[0024]圖2為本發明滾動軸系的結構示意圖；
[0025]圖3為本發明密珠式軸承構型圖；
[0026]圖4為本發明密珠式軸承的截面圖；
[0027]圖5為本發明滾珠周向及軸向布局示意圖；
[0028]圖6為本發明滾珠排布展開示意圖。
【具體實施方式】
[0029]如圖2所示，本發明的密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系包括傳動主軸1、兩個軸承外套6及兩個密珠式軸承7。
[0030]傳動主軸1採用9Crl8材料製造，這種材料為航天軸承常用材料，具有很好的防鏽性能。傳動主軸1的末端與鑽具2連接，鑽進採樣時迴轉與衝擊驅動動力會通過傳動主軸1傳遞至鑽具2上，同時鑽具2工作時所產生的扭矩及彎矩也會回傳至傳動主軸1上，由滾動軸系承受。傳動主軸1的兩端由兩個密珠式軸承7共同支撐，每一個密珠式軸承7的外側均配置有一個軸承外套6。
[0031]如圖3、圖4所示，密珠式軸承7由保持架8及滾珠9構成，整體為多珠密排結構。保持架8採用LW-2材料製造，為具有一定厚度的圓環套構型，並在圓環套的套壁上加工有多個軸瓦形孔槽，用於鑲嵌滾珠9。孔槽為外開放內收緊構型，開放型開口部分為圓柱面，便於滾珠9的裝配，內收緊部分為球形弧面，可防止滾珠9從內側脫出，兩部分型面為相切關係。孔槽與滾珠9之間留有間隙，防止低溫下由於熱膨脹係數不同導致孔槽與滾珠9抱死。具體間隙視最低溫度而定，以在最低溫度時孔槽與滾珠9不發生抱死的最小間隙為最優值。
[0032]如圖5、圖6所示，滾珠9在保持架8上採用斜向90°交叉排布方式。該方式相對縱橫交叉排列方式能夠排布更多的滾珠9數量，且在進行迴轉與衝擊運動時在周向及軸向的理論接觸軌跡數量也要多於縱橫交叉排列方式，因此具有更好的載荷均化效果，能夠承受的載荷也要大得多。
[0033]滾珠9的材質為9Crl8，選用G10以上級精度，並成批篩選使用，這對於保證軸系精度及承載能力至關重要。
[0034]密珠式軸承7的上述結構型式使得滾珠9可在驅動下做任意方向的滾動，當滾動軸系做迴轉運動時，各滾珠9的滾動軸線過直徑並平行於傳動主軸1的軸線；當滾動軸系做往復運動時,各滾珠9的滾動軸線過直徑並垂直於傳動主軸1的軸線；當滾動軸系同時做迴轉與往復運動時，各滾珠9的滾動軸線過直徑並沿迴轉軸線與往復軸線的矢量合成方向，從而使滾動軸系可實現迴轉與往復的傳動需求。
[0035]軸承外套6採用9Crl8材料製造，其外部進行固定，內圈與密珠式軸承7的滾珠9進行配合。軸承外套6的兩端面具有限位面，其一方面對密珠式軸承7進行軸向限位，防止其軸向位移不受控制；另一方面限位面與保持架8兩端面之間有一定的間隙，允許密珠式軸承7在軸向有一定的位移。
[0036]由理論力學推導可知，在純滾動情況下，傳動主軸1軸向移動距離是滾珠9軸向移動距離的2倍，而滾珠9軸向移動距離與保持架8軸向移動距離一致，因此為滿足軸嚮往復傳動需求，需保證保持架8與軸承外套6兩端限位面的間隙之和不小於傳動主軸1軸嚮往復位移的1/2。
[0037]為滿足月面高真空環境使用要求，軸系採用固體潤滑方式，即在與密珠式軸承7相配合的傳動主軸1的外圓柱面及軸承外套6的內圓柱面濺射MoS2固體潤滑薄膜，同時由於LW-2保持架8具有自潤滑功能，可在工作中形成轉移膜，因此三者共同形成該軸系的潤滑體系。
[0038]由於滾珠9和滾動面為滾動損失最小的點接觸，並且滾珠9在保持架8的孔槽中被分隔保持，這使得整個軸系能以極低的摩擦係數進行滾動運動。
[0039]為解決月面溫差大、真空散熱難等引起的軸系熱機耦合問題，相配合的傳動主軸1、滾珠9、軸承外套6均採用同種材料製造，以保證相同的熱膨脹係數，同時將三者的配合設計成間隙配合，以保證運動中不發生熱機耦合卡死現象。配合間隙視整個過程中的最高溫度和最低溫度而定，以在最高溫度與最低溫度時傳動主軸1及軸承外套6不與滾珠9發生卡死的最小間隙為最優值。
[0040]由於採用了間隙配合，勢必影響軸系的迴轉精度，因此可以在支承時儘量拉大兩個密珠式軸承7之間的跨距，由此可保證在單個密珠式軸承7都為間隙配合的情況下仍能實現較高的迴轉精度。同時拉大跨距對於提高軸系的承載能力也很有幫助。
[0041]密珠式軸承7的特殊結構形式可同時支持傳動主軸1的雙向迴轉與軸向直線往復雙自由度需求。由於採用了多珠密排結構形式，並嚴格把控了同批次滾珠的精度等級，因此可保證在承載時有多個滾珠9同時受力，從而大大提高了承載能力，並避免了單個滾珠9受力過大引起的應力集中風險。該軸係為滾動摩擦，摩擦係數相對滑動摩擦要小的多，傳動效率也要高的多。
[0042]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於包括:傳動主軸(I)、兩個軸承外套(6)、兩個密珠式軸承(7)，傳動主軸⑴的兩端由兩個密珠式軸承(7)共同支撐，每一個密珠式軸承(7)的外側均配置有一個軸承外套￠);所述的密珠式軸承(7)包括保持架(8)及滾珠(9)，整體為多珠密排結構，保持架(8)為具有一定厚度的圓環套構型，所述圓環套的套壁上加工有多個通透的軸瓦形孔槽，所述軸瓦形孔槽為外開放內收緊構型，開放型開口部分為圓柱面，內收緊部分為球形弧面，兩部分型面為相切關係，滾珠(9)裝配在所述的孔槽內，滾珠(9)與傳動主軸(I)的外圓柱面以及軸承外套(6)的內圓柱面間隙配合。
2.根據權利要求1所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的軸承外套(6)沿傳動主軸(I)軸向的兩端面具有限位面，所述的限位面與保持架(8)的兩個圓環形端面之間有一定的間隙，兩側間隙之和不小於傳動主軸(I)軸嚮往復位移的1/2。
3.根據權利要求1或2所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的與滾珠(9)相配合的傳動主軸(I)的外圓柱面以及軸承外套(6)的內圓柱面濺射有MoS2固體潤滑薄膜。
4.根據權利要求3所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的保持架(8)的材料為LW-2材料。
5.根據權利要求3所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的傳動主軸(I)、軸承外套￠)以及滾珠(9)的材料為9Crl8材料。
6.根據權利要求3所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的孔槽在保持架(8)上採用斜向90°交叉方式均勻排布。
7.根據權利要求3所述的一種密珠式迴轉與往復雙自由度滾動軸系，其特徵在於:所述的孔槽與滾珠(9)之間留有間隙，所述間隙以在最低溫度工作時孔槽與滾珠(9)不發生抱死的最小間隙為最優值。
【文檔編號】F16C19/02GK104265779SQ201410469588
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】尹忠旺, 殷參, 劉曉慶, 莫桂冬, 曾婷, 王國欣, 韓建超 申請人:北京衛星製造廠