滾珠軸承組件的製作方法

2023-06-18 03:20:36 6

本發明涉及軸承技術領域，尤指具有可持續潤滑與球體優異滾動機制的新穎軸承結構，通過至少一組多個滾珠徑向支承軸芯，大幅提升軸承性能與軸向負載止推能力，且適合長期穩定操作於嚴苛運轉條件下的滾珠軸承組件。

背景技術：

滑動軸承在高負載、高轉速、高振動等嚴苛運轉條件下，通常在短時間內即可能因整體結構弱、耐磨耗能力不足及潤滑介質耗盡，導致磨潤界面被破壞，造成軸芯直接與軸孔發生高頻率的敲擊與碰撞引發過度的磨耗與發熱，而使該軸承的接觸壓力與速度極限值(PV limit)急速下降，終將出現噪音、刮傷、擴孔及卡軸等異常現象而損毀；尤其在啟動初期常易造成過度磨耗，軸向負載止推能力不足及軸芯的竄動等，是現有滑動軸承所急待解決的技術問題。

球軸承一般是由多個球體間隔環設在內環與外環間塗有潤滑脂的軌道槽內承載與傳輸負荷，在運作過程中，由於軌道槽間距會出現不同程度的縮小，形成對輪流承力的各球體產生摩擦力，帶動該多個球體沿所述軌道槽自轉與公轉，長期在上述運動機制下運作易造成球體與軌道槽間局部過度磨損、潤滑脂受擠壓脫離球體而出現噪音甚至鬆脫，終將導致性能與壽命的惡化，此外，受限於放入球體的數目缺乏彈性、止推能力有限及結構較弱等缺點，因此欲長期在上述嚴苛運轉條件下操作將受到嚴峻的挑戰。

US 3933396 A提出一種球軸承，該軸承包括設在一中空外套管內比鄰排列並貼附於軸芯的多個球體，與穿設在該外套管與該多個球體之間由弧形彈性件製成的一軌道，該軌道的凸面朝向軸芯凹面朝向該外套管，通過該多個球體將徑向負載均布在整個外套管長度的軸芯上。

US 825956 A提出一種設在一端封口圓筒內的滾子軸承，使軸芯由另一端伸出，在該圓筒的內壁面與軸芯間的環狀空間內設置多個圓柱體，在各相鄰圓柱體間設置一隔離件，該隔離件縱向兩側內凹的曲率與該圓柱體的曲率相匹配，當軸芯旋轉時通過環抱於該軸芯的該多個可轉動圓柱體以降低摩擦阻力。

但是，上述軸承均無可持續的潤滑機制與強化球體或柱體的轉動性機制，難以長期維持低摩擦的穩定運轉，也未揭示啟動初期運行不良、軸向負載止推能力不足以及軸芯竄動等問題的解決方案，而複雜的結構除使成本增加且不利於散熱，更弱化實用性與量產性；因此，欲將其操作於上述嚴苛運轉條件，尤其在PV極限值大於500 MPa‧m/min時將受到嚴峻的挑戰。

技術實現要素：

為克服上述現有技術的缺點，乃提出一種具有新穎結構與功能的滾珠軸承組件，包括由至少兩個單元件沿軸向對接及在其中的至少一相鄰兩個單元件間設置的至少一組多個滾珠組成，使穿設於該滾珠軸承組件的軸芯由該多個滾珠沿徑向支承。

本發明滾珠軸承組件至少具有下列優點：

提供一種具有可持續性潤滑機制的滾珠軸承組件，達到在對接凹座與儲存室中發揮充分供應與循環回收潤滑介質的功效。

提供一種使支撐軸芯的多個滾珠具有優異滾動性的滾珠軸承組件，達到有效防制啟動初期過度磨耗並提升軸承性能與使用壽命的功效。

提供一種具有微型化結構與精簡構件數目的滾珠軸承組件，達到直接應用於微型精密馬達以支承高轉速微細軸芯與優化導熱性能的功效。

提供一種具有模塊化的單元件並適合以精密模具使該單元件一次成形的滾珠軸承組件，達到簡化量產工藝與降低成本的功效。

提供一種具有軸向對接的至少兩個單元件及至少一組多個滾珠的滾珠軸承組件，達到調變負載長度以均布負載與磨潤界面的功效。

提供一種具有強固結構的對接凹座並在其中設有降低滾珠磨潤面積與強化潤滑的滾珠軸承組件，達到提升滾珠滾動性與優化磨潤軸芯的功效。

提供一種具有在對接凹座中樞軸抱持滾珠實現優異運動機制的滾珠軸承組件，達到提升滾珠的滾動自由度與均勻承載負荷的功效。

提供一種具有強固整體結構與組裝精準定位的滾珠軸承組件，達到降低噪音並增強負載能力與抗振能力的功效。

提供一種具有搭配三段式創新軸芯的滾珠軸承組件，達到同步解決業界長期關注的軸向負載止推能力不足與軸芯竄動問題的功效。

附圖說明

圖1為本發明第一實施例滾珠軸承組件的立體圖；

圖2為本發明第一實施例單元件(裝設部分滾珠)的立體圖；

圖3為本發明第一實施例滾珠軸承組件裝入馬達外殼一端的剖視圖；

圖4為本發明第二實施例單元件(裝設部分滾珠)的立體圖；

圖5為本發明第二實施例滾珠軸承組件(裝設軸芯)的俯視圖；

圖6為本發明第二實施例朝圖5中A-A方向的剖視圖(未裝設軸芯)；

圖7為本發明第三實施例滾珠軸承組件的剖視圖；

圖8為本發明第四實施例中一單元件(裝設部分滾珠)的剖視圖；

圖9為本發明第五實施例單元件(裝設部分滾珠)的立體圖；

圖10為本發明第五實施例滾珠軸承組件裝入馬達外殼一端的剖視圖。

具體實施方式

圖1至圖3為本發明第一實施例，該滾珠軸承組件包括一軸承組1，由緻密或多孔隙材質製成的兩個單元件10沿軸向對接及在其間設置的多個球形滾珠16所組成，本發明各附圖中均以八個滾珠為例；各單元件10包括由外周面形成的一裝配部13和由兩端面形成的兩個連接部14，沿軸向貫穿該兩個連接部14形成的一圓形中心通孔12，及凹設在一連接部14圍繞於該中心通孔12的一同心圓上的多個半球形凹座15，該多個半球形凹座15用於放置該多個滾珠16，各凹座15的曲率與該滾珠16相匹配，並使設置在各凹座15內的滾珠16以部分球面凸出於該中心通孔12的壁面，由該兩個單元件10間的相鄰兩個連接部14上對應設置的該多個凹座15經對接形成多個對接凹座25以容置該多個滾珠，從而使穿設於該組件中的軸芯6由該多個滾珠16的多個凸出球面所支承；顯然，即便該軸芯6在旋轉初期與該多個易滾動的滾珠16直接接觸，其摩擦阻力也遠低於該軸芯6直接與軸孔壁面磨耗的滑動軸承，因此本發明可有效避免啟動初期的過度磨耗問題。

該滾珠軸承組件可廣泛應用於不同器械，以下僅以馬達為例作說明；本實施例的該組件可充分利用該裝配部13分別緊配裝入設在馬達外殼5兩端中央的腔室7中，使馬達的軸芯6可穿設於馬達兩端的兩組件，並支承於對應的兩組件的多個滾珠16中；尤其對於供高轉速微細軸芯6使用的微型軸承而言，本發明提供一種具有微型化結構的滾珠軸承組件，特別適用於安裝於僅能提供狹小安裝截面的微型精密馬達的腔室7內，相較於現有滑動軸承組件需要外殼以維持結構的整體性，本實施例更適合無需外殼、精簡構件數目、且呈緊實組配狀態的該模塊化單元件10所形成的微型滾珠軸承組件，除可強化散熱與結構，在後面的實施例中還可提供儲放更多潤滑介質的儲存室35，以增強負載能力與簡化工藝。

該單元件10的中心通孔12的壁面還設有徑向高度低於該多個凸出球面頂點的一凸環19，較佳的方式是將兩個凸環19設置在該組件的兩端，以防止外來物質進入與潤滑介質甩出，該凸環19可以和該單元件10一體成形或分開設置，所述潤滑介質泛指潤滑油與黏稠性較高的潤滑脂和含固態潤滑粒子的潤滑劑等。

該模塊化單元件10最可能的量產工藝是以粉末冶金燒結技術，通過精密衝壓模具進行成形、精整及組裝製成，該工藝除能形成良好滲透性的多孔隙結構外，並可確保該單元件10與該組件尺寸的精準度和所需的結構密度，通過以一次成形的構件達到簡化工藝、降低成本及提升質量的功效；本實施例供應潤滑介質的方法除可將單元件10真空含浸潤滑油外，也可將潤滑劑直接塗布在該凹座15中。

當軸芯6旋轉時，該潤滑介質吸收源自於軸芯6與各滾珠16間的磨潤點30及各滾珠16與對接凹座25間的磨潤界面所產生的熱量而膨脹，使黏稠性降低並且流動性增加，連同多孔隙結構中的毛細力和旋轉軸芯6產生的離心力使潤滑介質滲流至對接凹座25內，通過各滾珠16的滾動將潤滑介質以油膜的形式帶至該凸出球面，使該磨潤點30持續獲得潤滑介質的供應，並同時將該凸出球面上的部分多餘油膜回收至該對接凹座25內；再由於滾珠16的良好滾動性，使得該磨潤點30形成在該凸出球面的位置不停地更換，以均勻分擔該軸芯6的負載，有效克服現有球軸承常發生的局部球面磨損問題；上述滾珠16在結構強固的該對接凹座25內優異的運動機制除供強力支承旋轉軸芯6負荷外，還具有自動補充與循環回收潤滑介質的可持續性潤滑機制，從而大幅延長使用壽命。

圖4至圖6為本發明第二實施例，該滾珠軸承組件包括一殼體11與一軸承組1a；該殼體11為由緻密或多孔隙材質製成並沿軸向貫穿形成一空腔20的管體，該空腔20的壁面還設有沿軸向延伸的至少一凸肋24；該軸承組1a由緻密或多孔隙材質製成，該軸承組1a由沿軸向對接的兩個單元件10a及在其間設置的多個滾珠16所組成。

該單元件10a與前述單元件10的主要區別在於：該單元件10a在設有該多個凹座15的連接部14上還分別凹設一腔槽17與多個凹溝18，其中，該腔槽17自該連接部14朝穿通至該裝配部13所形成，該多個凹溝18連通該多個凹座15與該腔槽17，因此該連接部14形成多個隔牆21以隔離鄰近的兩個凹座15，該連接部14形成多個背牆22以隔離各凹座15與該腔槽17；組裝時，先將該多個滾珠16裝入該多個凹座15內，再將該兩個單元件10a沿軸向對接，使其間對應相鄰的兩個隔牆21和兩個背牆22分別相互貼合即形成該軸承組1a，同時由其間對應相鄰的兩組多個凹座15與兩組多個凹溝18分別形成多個對接凹座25與多個流道36。

該裝配部13的形狀和尺寸與該空腔20相匹配，以便將該軸承組1a緊配裝入該殼體11中；此外，該裝配部13還設置至少一凹槽26，以便與該殼體11對應設置的至少一凸肋24相互卡合，上述凹槽26也可設置在該殼體11內以便與對應設置在該裝配部13的凸肋24相互卡合，進一步優化組裝精準定位與結構強度；並由該殼體11的該腔室20與相鄰兩個腔槽17合圍形成儲放潤滑介質的一儲存室35，使該多個流道36連通該儲存室35與該多個對接凹座25，因此，具有該儲存室35的該滾珠軸承組件提供一種更有效實現自動供應與循環回收潤滑介質的可持續性潤滑機制，從而大幅延伸使用壽命與強化軸芯6的承載能力。

該潤滑機制也可由設置多個對接凹座25的兩個相鄰連接部14的至少一個上凹設至少一組多個凹溝18及朝遠離該裝配部13的任何處凹設至少一腔槽17形成，其中，該至少一組多個凹溝18連通該組多個凹座15與該至少一腔槽17；從而由該至少一腔槽17形成一儲存室35，並由該至少一組多個凹溝18形成連通該儲存室35與該多個對接凹座25的一組多個流道36；因此，相似於第一實施例的該滾珠軸承組件不需要該殼體11時仍能具有所述可持續性的潤滑機制。

圖7為本發明第三實施例，旨在說明該滾珠軸承組件的負載長度延伸性；該組件的軸承組1b由兩種單元件10a，10b形成兩組相鄰兩個單元件(10a，10b)與(10b，10a)，並在其間分別裝入一組多個滾珠16所組成，該軸承組1b緊配裝入一殼體11內即形成該組件，該中間單元件10b的兩個連接部14結構和上、下兩個單元件10a相鄰的連接部14結構相同，因此該組件具有分開支承該軸芯6的兩組多個滾珠16和兩組潤滑機制，使儲放在兩個儲存室35中的潤滑介質分別通過兩組多個流道36輸送至兩組多個對接凹座25內，以潤滑該兩組多個滾珠16與旋轉軸芯6；相較於前述實施例，負載長度的延伸可使該兩組多個滾珠16分擔較大的負載與倍增的潤滑介質儲存容量及使分布於軸芯6的磨潤點30更均勻。

以下再以四單元件10，10a，10b依不同的堆疊方式進一步舉例說明滾珠軸承組件的負載長度延伸性；例如：以兩種單元件10a，10b採用如圖7所示的堆疊方式，在該組件中的三組相鄰兩個單元件(10a，10b)，(10b，10b)及(10b，10a)間設置三組潤滑機制；又例如：只需將單元件10的裝配部13設置成和單元件10b一致的凹槽26或將該凹槽26自單元件10b去除，以兩種單元件10， 10b仍可採用如圖7所示的堆疊方式，在該組件中的三組相鄰兩個單元件(10，10b)，(10b，10b)及(10b，10)間設有三組潤滑機制，其與前例的區別在於：與單元件10相鄰的各儲存室35容量和各組多個流道36的等效水力直徑均縮小一半。

基於以上說明，不論該滾珠軸承組件是否具有該殼體11，實現其負載長度延伸性顯然適用於沿軸向對接的至少兩個由本發明所揭示的任何單元件，作各種可能的排列組合達成，包括具有不同形狀、大小、數目及位置的該腔槽17、凹溝18、凸肋24及凹溝26等差異結構特徵的組合，且適用於如第一實施例所揭示不具有腔槽17與凹溝18的該單元件10結構特徵。

圖8為本發明第四實施例，旨在說明提升滾珠16的滾動性方案；其與前述實施例的主要區別在於：該單元件10c的各凹座15僅保留一部分表面的曲率與該滾珠16相匹配並設置成帶狀間隔分布的多個球面區15b，其餘部分則設置成徑向尺寸大於該多個球面區15b的多個凹面區15a的徑向尺寸，通過降低該滾珠16和該凹座15間的磨潤界面面積，以降低該滾珠16的滾動摩擦阻力，同時使潤滑介質更易駐留在所述各球面區15b附近的凹面區15a內，以便及時潤滑滾動中的滾珠16而提升其在對接凹座25中的滾動性，達到降低馬達功耗與溫升的功效。

圖9與圖10為本發明第五實施例，旨在進一步說明提升滾珠16的滾動性方案，並揭示一種搭配該滾珠軸承組件的創新三段式軸芯9，以解決業界長期關注的現有馬達軸芯6穿設於傳統軸承出現軸向負載止推能力不足與軸芯6的軸向竄動問題；本實施例與前述實施例的主要區別說明如下：

首先，本實施例中單元件10d的腔槽17中設置至少一加強筋38，以強化該單元件10d的結構，並將該腔槽17分隔成多個較小腔槽17。另外，在各鄰近的兩個凹座15間設置至少一通道28，使該多個凹座15間成為互通；因此，潤滑介質可同時儲放在儲存室35與該通道28內，以就近提供對接凹座25的潤滑而強化滾珠16的滾動性，還能增加潤滑介質的總量而延長該組件的使用壽命。

並且，該單元件10d的各凹座15中僅保留設置在其底部表面的至少一較小球面區15b，且其表面小於該凹座15總表面積的20%，其餘表面則設置成一凹面區15a；因此在各對接凹座25中的滾珠16是由兩個球面區15b形成的樞軸所抱持，並通過一中心軸32自由地滾動；所謂「抱持」是指滾珠16的任一球面位置相對於固定的該兩個球面區15b是隨時變動的，由於該中心軸32為對準該兩個球面區15b中心的樞軸，以致各滾珠16的運動模式始終能自動保持著使其自身的旋轉軸與該中心軸32重合；以下先以單一直徑的傳統軸芯6為例說明各滾珠16的運動機制，基於軸芯6的旋轉軸與該中心軸32平行，因此隨著軸芯6的旋轉能輕易地使該滾珠16繞著該中心軸32轉動，特別對於軸芯6施加於各磨潤點30(參見圖3)的切向力始終垂直於各滾珠16的旋轉軸，使得該滾珠16的運動不僅僅只是二維的旋轉，而是三維的滾動；此乃由於「抱持」在該對接凹座25中的滾珠16並非如地球儀上的轉軸已被固定在南、北極上，以致只能繞著該轉軸進行轉動，然而該滾珠16則是以球體自身隨時自由變換的無限多個通過球心的旋轉軸，自動對準該中心軸32進行滾動，從而在該滾珠16與軸芯6間形成最低摩擦阻力的磨潤點30；依據上述針對該滾珠軸承組件中的滾珠16具有優異滾動性的創新運動機制，可以理解該磨潤點30可能發生在該滾珠16球面的任何位置，因此可提升滾動自由度、均勻分擔負載及大幅降低磨耗率。

最後，如圖10所示，該三段式軸芯9穿設於已分別固裝在馬達外殼5兩端的各滾珠軸承組件中，該組件具有一組多個滾珠16，該三段式軸芯9包括：一較粗段9a、兩個較細段9b及分別設置在該較粗段9a與各較細段9b間的兩個圓弧段9ab；其中，該較粗段9a設置在該兩個組件的兩組多個滾珠16間，且無法穿過由各組多個滾珠16的該多個凸出球面所形成的一通孔；該兩個圓弧段9ab抵靠在該兩組多個滾珠16間的側表面，其曲率和該多個凸出球面相匹配以形成兩組磨潤弧線31；該兩個較細段9b由該兩個圓弧段9ab各端沿軸向延伸，且恰可以以其圓徑穿過該通孔。同樣可將該軸芯9的該兩個較細段9b分別穿設於已固裝在馬達外殼5各端具有兩組多個滾珠16的滾珠軸承組件中(參見圖7)，直到該兩個圓弧段9ab抵靠在最接近的兩組多個滾珠16間，該最接近的兩組多個滾珠16分別屬於各組件，使該較粗段9a設置在該兩個組件中該最接近的兩組多個滾珠16間。

當該三段式軸芯9旋轉時，通過該兩個圓弧段9ab分別抵靠並切向施力於該兩組磨潤弧線31，從而有效消除該軸芯9的軸向竄動間隙，並同時達到使施加於該軸芯9的軸向負荷被該最接近的兩組多個滾珠16的多個凸出球面所承載；另外，相較於由軸芯6形成的磨潤點30，該磨潤弧線31使滾珠16的滾動角度更易產生變化，從而該軸芯9提供各滾珠16更大的滾動自由度與更靈活轉換該滾珠16的磨潤位置，達到進一步優化滾珠16的滾動性與大幅降低磨耗率。

基於以上說明，該三段式軸芯9顯然適用於匹配本發明所揭示沿軸向對接的至少兩個單元件10，10a，10b，10c，10d間設置至少一組多個滾珠16所組成任何形式的滾珠軸承組件，從而本發明同步有效解決業界長期關注的初始運行不良所引發的過度磨耗，以及欠缺軸向負載的止推能力與軸向竄動問題。

該滾珠軸承組件也可將該單元件10，10a，10c，10d的其中之一以該多個凹座15朝向該空腔20，再將該單元件10，10a，10c，10d的該裝配部13與該殼體11一端的內壁面接合併一體成形，然後進行組裝，即可形成與前述完全相同的滾珠軸承組件，達到精減構件數目、強化組件結構及簡化量產工藝的功效。

以上已將本發明做一詳細說明，該說明所述僅為本發明的優選實施例而已，當不能視為限定本發明的專利保護範圍；即凡依本發明權利要求書所作的等效變化與修飾，都應仍屬本發明權利要求書所涵蓋的範圍之內。