一种分体式直线分离轴承设计

田启文，张静，王全任

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

一种分体式直线分离轴承设计

田启文，张静，王全任

(泛亚汽车技术中心有限公司，上海 201201)

介绍一种分体式直线轴承，应用于需要相对转动同时也需要作往复直线运动的两个零件之间。分体式直线轴承由外圈、保持架和滚珠、轴组成，保持架的托架根据运动形式选择在轴上或在轴承外圈。当保持架和滚珠在外力作用下移动到某一端时，分体式轴承仍然保证保持架有运动空间，轴和外圈之间相对运动的摩擦力比较小。

直线轴承；分体式轴承；低摩擦力

0 引言

直线轴承应用比较广[1-2]，应用于需要相对转动同时也需要作往复直线运动的两个零件之间。直线轴承一般是标准件或通用件。设计人员从轴承厂选择合适尺寸规格的轴承，用于机构的设计和装配。轴承厂生产的直线轴承，一般包括轴承外圈、保持架和滚珠，保持架托架在轴承外圈上。这种结构形式比较简单[3]，但是在某些使用情况下，某些状态下，轴承运动不理想，会使两个运动零件之间的运动不顺畅，甚至会卡住。

1 分体式直线分离轴承设计

1.1 常用直线轴承工作原理介绍

直线轴承的型式主要有：直线运动球轴承，直线运动滚子轴承，直线运动球导轨支承，直线运动滚子导轨支承，直线运动滚针导轨支承[4-5]。直线轴承有摩擦力小[6-8]、寿命长的特点[9]。常见直线轴承结构[10-12]如图1所示，一般由轴承外圈2(轴承外圈两端面有托架，以保证保持架和滚珠的运动范围)、保持架3和滚珠4三个部分组成。外圈一般通过过盈配合装配到其他零件的孔上，和孔之间无相对运动。保持架主要起固定和支持滚珠的作用。滚珠在轴1和外圈之间滚动，从而实现轴和带孔零件之间的相动运动，包括直线运动和转动。

1.2 问题提出及分析

如果保持架和滚珠在外力作用下移动到最下面，此时轴相对于外圈的运动方式是向下，出现图2所示情况。此时，如果轴相对于外圈的运动方式是向下的，保持架和滚珠被下面的外圈的托架部分挡住，没有空间可以移动，滚珠只能在原位置转动。以其中的一个滚珠为例进行受力分析，如图3所示。

滚珠受到自身的重力G、轴给它的一个向下的摩擦力f1、保持架提供的向上的正压力N、轴承外圈提供的摩擦力f2，这4个力的合力可能是零，滚珠受到一个平衡力系。根据加减平衡力系原理：在一个力系中加上或减去任何一个平衡力系，并不改变原力系对刚体的运动效应[13]。也就是说，物体受到平衡力系相当于没有受到外力。根据牛顿第一定律即惯性定律，每个物体都保持静止或匀速直线运动状态，除非有外力作用于它，迫使它改变那个状态[14]。滚珠受到一个平衡力系,就会保持原有的惯性状态，即静止状态。轴向下运动，而滚珠处在静止状态，所以轴和滚珠就可能是滑动摩擦，摩擦力增大，轴和外圈之间的相对运动会不顺畅。

1.3 新方案提出

对可能会引起轴和外圈之间的相对运动不顺畅情况进行分析，主要是保持架和滚珠受到轴承外圈的下托架阻挡引起的。应用TIZ的空间分离的创新方法[15]，将轴承外圈转移到轴上，提出一种新的直线轴承设计理念，不再把直线轴承作为标准件或通用件，而是把轴承外圈、保持架和滚珠、轴看作一个整体部件，作为一个广义直线轴承。新设计的直线轴承结构如图4所示，主要包括轴1(托架在轴上)、外圈2、保持架3和滚珠4。

如图4所示：当保持架和滚珠在外力作用下移动到最下面，此时，轴相对于外圈的运动方式是向下。新设计的轴承中，保持架和滚珠不管是和轴承外圈保持相对静止，还是和轴保持相对静止，都有空间可以移动，不会被托架或其他部分挡住。受力分析如图5所示，滚珠受到自身的重力G、轴给它的一个向下的摩擦力f1、轴承外圈提供的摩擦力f2。根据力的平移定理：作用在刚体上的力，可等效地平移到指定点，但必须在该力与指定点所确定的平面内附加一个力偶，附加的力偶矩等于原力对指定点的力矩[16]。将力f1平移到质心，等效于f1加T1,f2平移到质心，等效于f2加T2，如图5(b)所示。

滚珠受到扭矩，所以转动。轴和外圈之间是滚子的滚动摩擦，从而使运动件之间的相对运动很顺畅。

1.4 方案扩展

根据新方案的受力分析，只要使保持架和滚子有运动空间，不被托架或其他部分挡住，滚珠就不会受到来自保持架的正压力，滚珠就会因为受到扭矩而转动，轴和外圈之间就是滚子的滚动摩擦，从而使运动件之间的相对运动很顺畅。根据实际运动情况，选择保持托架布置。

图6是保持架在外力作用下，移动到如图所示的最下面，轴相对于外圈的运动方式是向下，这种情况下的轴承设计方案图。

图7是保持架在外力作用下，移动到如图所示的最上面，轴相对于外圈的运动方式是向上，这种情况下的轴承设计方案图。

图8是保持架在外力作用下，移动到如图所示的最上面，轴相对于外圈的运动方式是向下，这种情况下的轴承设计方案图。

图9是保持架在外力作用下，移动到如图所示的最下面，轴相对于外圈的运动方式是向上，这种情况下的轴承设计方案图。

2 应用与验证

某汽车公司某型号手变速箱换挡系统选用了直线轴承，安装形式是近似竖直安装，汽车在行驶过程中有晃动，保持架和滚珠在重力的作用下很容易落到最下面，此时，轴对的运动形式是向下。传统直线轴承有时候就会有相对运动不顺畅的问题，整车表现是选挡力大，应用新设计的直线轴承，可以明显减少选挡力。

2.1 GSQA测试数据

在排挡位置，用GSQA仪器，测量选换挡力，结果如图10所示：新设轴承选挡力从20.78 N减少到19.02 N，选挡力减少了8.5%；从选挡力曲线上也可以看出，新设计轴承的选挡力比原轴承有减少。

2.2 变速箱位置的测量数据

在变速箱上，用简易测力设备测量的结果如表1所示。新设计轴承选挡力从36.22N减少到30.53N，选挡力减少了15.7%。

表1 变速箱处选挡力测量结果 N

3 结论

直线轴承应用比较广，应用于需要相对转动同时也需要作往复直线运动的两个零件之间。文中提出一种新的直线轴承设计理念，不再把直线轴承作为标准件或通用件，而是把轴承外圈、保持架和滚珠、轴看作一个整体部件，作为一个广义直线轴承，保持架的托架根据运动形式进行选择，在轴上或在轴承外圈。当保持架在外力作用下移动到某一端时，分体式轴承仍然保证轴和外圈之间的相对转动和移动，摩擦力比传统直线轴承下降。该设计已经申请专利，专利号201420307681.1。

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【15】 杨清亮.发明是这样诞生-TRIZ理论全接触[M].北京:机械工业出版社,2006:81-82.

【16】 武清玺，冯奇.理论力学[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

田启文，工程师，主要从事手动变速箱的设计应用工作。E-mail:tianqiwen@126.com。