一種分體式直線分離軸承設計

田啟文，張靜，王全任

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

一種分體式直線分離軸承設計

田啟文，張靜，王全任

(泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201201)

介紹一種分體式直線軸承，應用于需要相對轉動同時也需要作往復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，保持架的托架根據運動形式選擇在軸上或在軸承外圈。當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

直線軸承應用比較廣[1-2]，應用于需要相對轉動同時也需要作往復直線運動的兩個零件之間。直線軸承一般是標準件或通用件。設計人員從軸承廠選擇合適尺寸規格的軸承，用于機構的設計和裝配。軸承廠生產的直線軸承，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。這種結構形式比較簡單[3]，但是在某些使用情況下，某些狀態下，軸承運動不理想，會使兩個運動零件之間的運動不順暢，甚至會卡住。

1 分體式直線分離軸承設計

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，直線運動球導軌支承，直線運動滾子導軌支承，直線運動滾針導軌支承[4-5]。直線軸承有摩擦力小[6-8]、壽命長的特點[9]。常見直線軸承結構[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，從而實現軸和帶孔零件之間的相動運動，包括直線運動和轉動。

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[13]。也就是說，物體受到平衡力系相當于沒有受到外力。根據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，除非有外力作用于它，迫使它改變那個狀態[14]。滾珠受到一個平衡力系,就會保持原有的慣性狀態，即靜止狀態。軸向下運動，而滾珠處在靜止狀態，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。應用TIZ的空間分離的創新方法[15]，將軸承外圈轉移到軸上，提出一種新的直線軸承設計理念，不再把直線軸承作為標準件或通用件，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。新設計的直線軸承結構如圖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平移到質心，等效于f1加T1,f2平移到質心，等效于f2加T2，如圖5(b)所示。

滾珠受到扭矩，所以轉動。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計方案圖。

2 應用與驗證

某汽車公司某型號手變速箱換擋系統選用了直線軸承，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。傳統直線軸承有時候就會有相對運動不順暢的問題，整車表現是選擋力大，應用新設計的直線軸承，可以明顯減少選擋力。

2.1 GSQA測試數據

在排擋位置，用GSQA儀器，測量選換擋力，結果如圖10所示：新設軸承選擋力從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據

在變速箱上，用簡易測力設備測量的結果如表1所示。新設計軸承選擋力從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果 N

3 結論

直線軸承應用比較廣，應用于需要相對轉動同時也需要作往復直線運動的兩個零件之間。文中提出一種新的直線軸承設計理念，不再把直線軸承作為標準件或通用件，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，保持架的托架根據運動形式進行選擇，在軸上或在軸承外圈。當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動和移動，摩擦力比傳統直線軸承下降。該設計已經申請專利，專利號201420307681.1。

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【16】 武清璽，馮奇.理論力學[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計應用工作。E-mail:tianqiwen@126.com。