CN106489035B - 滚动轴承的保持架和制造该保持架的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种滚动轴承的保持架(1)，其中所述保持架(1)具有基本环形形状的、具有多个用于容纳滚动体的兜孔(2)的座体。为了获得轻的但足够坚硬的保持架，本发明提出所述基体由两个侧环(3、4)构成，所述侧环(3、4)以定义的轴向距离设置，及所述基体由多个兜孔构件(5)构成，所述兜孔构件(5)位于所述侧环之间，其中每个兜孔构件具有两个被设计成用于接触滚动体的端面(6、7)，其中所述兜孔构件和每个侧环之间的连接由至少一个梁(8)建立，所述梁为将所述侧环中的一个和所述兜孔构件结合的刚性体，且至少一个梁在垂直于梁的纵向延伸的截面中具有环形或椭圆形横截面。

Description

滚动轴承的保持架和制造该保持架的方法
技术领域
本发明涉及一种滚动轴承的保持架，其中所述保持架具有基本为环形形状的、具有多个用于容纳滚动体的兜孔的基体。此外，本发明涉及一种制造该保持架的方法。
背景技术
滚动轴承的保持架通常是旋转对称的部件，对于中高产量来说通常通过冲压或注射成型进行制造，对于小批量生产或如果需要高强度和/或特殊材料来说通常通过车削(turning)和铣削(milling)进行制造。在后一种情况下，制造通常用管材开始，然后将其车削成适当的尺寸。然后再机加工保持架的容纳兜孔。
然而，这种经典的生产技术意味着，对于保持架的强度而言不需要的任何额外的材料去除(例如以减少重量)增加了生产时间和成本。如果材料位于车削或铣削工具无法到达的位置，则无法将其去除。
尽管事实上这种材料是不需要的并且要随后被去除，但是仍然需要为其支付费用并由此导致成本增加。因此，原材料成本高于获得保持架的所要求强度必需的材料成本。
因此，对于对重量不敏感的应用，加工时间被缩减至最小并且可接受额外的重量。
本发明的目的是开发一种保持架和一种制造可克服上述缺点的保持架的方法。因此，应当能够以节省成本的方式获得保持架，所述保持架不仅轻而且具有所需的强度和刚度。当然，所需的材料的用量应最小化，并且仅位于需要承载负载而没有相关的保持架变形的区域。
发明内容
根据本发明的解决方案的特征在于，保持架的基体通过以下组件形成：两个侧环，所述两个侧环以定义的轴向距离设置；以及，多个兜孔构件，所述多个兜孔构件位于所述侧环之间，其中每个兜孔构件具有两个被设计成用于接触滚动体的端面(face side)。
在兜孔构件和每个侧环之间的连接仅由至少一个梁建立，所述梁为将侧环中的一个和兜孔构件结合的刚性体(positive substance)。至少一个梁在垂直于所述梁的纵向延伸的截面中具有环形或椭圆形横截面。在所述兜孔构件和每个侧环之间不存在其它连接。
优选地，设置四个或六个梁以建立在所述兜孔构件和每个侧环之间的连接。
至少一个梁可以具有最小直径，该最小直径在滚动体的直径的10％至20％之间，优选15％。梁还可以在其与侧环或兜孔构件合并的位置处具有扩大的直径，其中在该位置的直径为梁的最小直径的值的两倍。
至少一个梁还可以在其与侧环或兜孔构件合并的位置处具有以下倒圆半径(rounding radius)，该倒圆半径为0.2mm至0.3mm或者滚动体的直径的2.0％至3.0％中较大的一个。至少一个梁优选被设计为杆状构件。
两个侧环优选以一轴向距离间隔开，其中所给出的用于滚动体的径向外开口在球轴承的情况下为滚动体直径的92.5％至97.5％之间，在滚子轴承的情况下为滚动体长度的92.5％至97.5％之间。
侧环还可以在端面处具有凹形。
侧环优选在内半径和外半径之间径向延伸，所述内半径对应于滚子轴承的节圆(pitch circle)，所述外半径对应于节圆加上滚动体直径的一半。
面对滚动体的侧环表面可以包括垂直于该表面看到的、实质上在径向外侧的矩形部分和紧邻的在径向内侧的梯形部分。
兜孔构件的端面优选具有凹形表面，其中凹形表面为球面形的且具有在滚动体的直径的105％至115％之间的半径。
一种制造上述类型的保持架的方法，其特征在于，保持架的制造通过增材制造的方式进行。这里，可非强制性地将塑料材料用于保持架的制造。
保持架的制造优选通过3D打印的方式进行。此外，金属激光烧结工艺、金属激光熔化工艺或塑料激光烧结工艺可以被采用。此外，立体光刻工艺也是可以的。
优选地，与根据现有技术的保持架设计相比，实现了保持架的基本几何形状的体积的至少10％，特别优选为体积的至少30％。相应制造的保持架可具有比传统保持架少例如60％的体积和重量。
保持架的基本形状优选为空心圆柱。
根据一种可能性，如所述的，保持架由塑料材料制造。在采用3D打印工艺制造保持架时，尤其如此。
此外，保持架可以由金属材料制造。这里，尤其考虑轻金属，如钛、铝或镁。此外，也可以采用钢。
因为具有更高的强度储备(strength reserve)，金属保持架可能是特别合适的，其允许高程度的材料去除(与根据现有技术的传统保持架相比)并且在使用3D打印技术时具有相对更高的精度。
通过所提出的方法，获得了比具有在工艺开始时给出的基本几何形状的保持架显著更小重量的轻量保持架。尽管如此，获得了相当稳定和刚性的保持架，其能承载产生的负载而没有相应的变形。
典型的轴承保持架对于冲压、车削、铣削和/或注射成型进行了优化。如3D打印保持架材料之类的增材制造方法允许容易地且节省成本地生产保持架的几何形状，这是传统制造技术所不可能的或至少非常费力从而昂贵的。
一种可选方案是使用消失模(lost foam)或失蜡(lost wax)工艺生产保持架。
通过所提出的保持架概念，保持架的几何形状可以关于重量和强度问题得到优化。
所提出的保持架适用于许多应用；优选的应用为在航空航天和有利地需要轻量设计或低惯性的其他领域中。关于这一点应该提到如超精密轴承、航空航天和赛车的特殊应用。
对于重量敏感的应用，如航空航天或赛车，归因于本发明，在保持架的重量、强度和生产时间之间找到了理想的折衷方案。
所述保持架可以被设计成轻30％到70％之间，同时保持其功能并减少所需的原材料的用量，从而潜在地降低原材料成本。在增材制造中，原材料成本问题比传统制造更突出，这是因为粉末比块体钢更昂贵。
减小的惯性在具有高加速度和减速度的应用中为进一步的优点。在一些应用中，刚度降低也可能是有利的，这是因为轴承能以更灵活的方式关于不对中和加速/减速进行反应。
附图说明
附图示出本发明的实施方式。
图1示出了滚动轴承的普通保持架的立体图，其中示出了所使用的坐标系CS(保持架系)和PS(兜孔系)，
图2示出了根据本发明的保持架的立体图，
图3示出了在PS的x-z平面中看到的、保持架侧环中一部分的用于滚动体的接触表面的形状，
图4示出了在PS的x-y平面中看到的、兜孔构件的用于滚动体的接触表面的形状，
图5示出了在PS的x-y平面中看到的、通过侧环中一部分的截面，
图6示出了在PS的x-y平面中看到的、兜孔构件的用于滚动体的接触表面的形状，
图7示出了在保持架中一部分上的和在两个侧环之间的兜孔构件上的、在径向R上的视图，
图8示出了两个侧环之间的兜孔构件在PS的z方向上的视图，
图9示出了保持架的一部分在距保持架的端面约25％的位置处的横截面，示出了连接侧环与兜孔构件的三个梁，以及
图10示出了其中一个梁的横截面，该横截面根据梁的方向定向。
具体实施方式
图1示出了根据现有技术的保持架1，其具有中空圆柱形的基本几何形状。保持架1具有用于容纳滚动体的多个兜孔2；兜孔2形成用于接触滚动体(未示出)的表面。因此，保持架1包括多个兜孔，每个兜孔提供滚动体用空间。
在图1中示出了用于进一步解释根据本发明的保持架的设计的坐标系。为了定义，使用两个坐标系。
全局圆柱坐标系CS(保持架系)被定义为径向R垂直于轴承的外圈的外表面，轴向z是轴承的孔的中轴线。
笛卡尔坐标系PS(兜孔系)置于滚动体的中心，其中x方向指向滚动体的***方向，垂直于外圈的外表面，y方向指向轴承的轴向，z方向指向滚动体的运动的主方向。
使用这些定义，如图2所示的轻量保持架可以通过以下方式实现：
保持架1通常包括两个侧环3和4(保持架的骨干)和多个兜孔构件5，所述兜孔构件5是通过梁8、9、10连接到侧环3、4的部件(具体参见图7和图8)。兜孔构件5实现了与公知的保持架中的保持架杆相同的功能。
侧环3、4具有的内径是轴承的节圆直径(pitch diameter)，外径是节圆直径加上滚动体直径的50％。环3、4具有的最小厚度是大约0.25mm和滚动体直径的2.5％中的较大者。
图5中示出侧环3、4在PS的x-y平面中的径向截面。这里，示出了侧环的横截面视图。在该图中示出了一些优选的几何数据：e是0.25mm和滚动体直径的0.05％中的最大值。b＝2e，d＝1.5e，a＝4e，c＝4e。因此，形成设置在侧环3的端面上的凹部11。
在图2中，还示出了OP，其是在保持架1的径向外侧上用于***滚动体的开口。更具体地，两个侧环3、4被放置成，在球轴承的情况下具有约为滚动体直径的95％的轴向间隙、在滚子轴承的情况下具有约为滚动体长度的95％的轴向间隙。
兜孔构件5具有两个端面6和7，其被设计成用于与设置在兜孔2中的滚动体接触。兜孔的圆周方向上的两个表面为滚动体提供适形(conformal)接触表面。所有表面的中心是滚动体的中心。对于球轴承(例如对于深沟球轴承DGBB或角接触球轴承ACBB)的保持架，这些表面是球面形的，具有比滚动体直径的一半大10％左右的半径。
在将兜孔构件5的接触表面投影在PS的x-z平面上时(参见图3和图6中的图示)，该表面具有将矩形12与梯形13合并的形状，并且位于该坐标系的具有正x值的两个象限内。梯形的短底a(参见图3)比长底更接近坐标系的z轴。短底a的宽度约为滚动体直径的25％。长底b的宽度(参见图3)约为滚动体直径的75％。高度H1、H2(参见图3)约为滚动体直径的12.5％。
兜孔表面的厚度为0.25mm和滚动体直径的2.5％中最大的值。
兜孔的轴向上的两个表面提供适形接触表面以轴向地引导滚动体。对于球轴承，该表面是侧环(骨干)表面的、半径比滚动体的半径大10％左右的球面形凹口。
如能够在图7中看到的，中心径向接触表面位于相切的(tangential)接触表面之间。由于接合到相邻的相切的滚动体接触表面的径向末端并且轴向宽度朝向其中心减小，中心径向接触表面具有X形。中心处的轴向宽度约为在与相切的滚动体接触表面的接合位置处的轴向宽度的50％至75％。
侧环(骨干)轴向接触表面位于侧环的顶部，并确保与外圈的平滑接触。
本发明的一个重要方面是以下事实：兜孔构件5在两侧通过梁8、9和10与侧环3、4连接。
因此，在所示实施例中，每个相切的球接触表面(即，兜孔构件5)通过六个梁8、9和10连接到两个侧环3、4。参考图7和图8。
根据图9和10限定梁8。梁8的横截面为椭圆形，其中长轴根据PS的x方向定向，短轴根据PS的y方向定向，被围绕PS的x轴旋转约25度。梁8的方向是PS的y方向，围绕PS的x轴旋转约25度。梁的厚度为变化的。在最薄的位置处，长轴的长度约为滚动体直径的15％，短轴的长度约为滚动体直径的10％。在到表面的接合点处，这些值接近翻倍。侧环3、4上的接合点在侧环的顶部，延长了滚动体接触表面，即，约为在PS的y方向上约为的滚动体直径的10％。在滚动体接触表面(即兜孔构件5)处的接合点，即，在兜孔构件5处，延伸了该表面，即，在滚动体接触表面的顶部约为在PS的z方向上约为的滚动体直径的25％。
梁9的方向可以在图9中看到。梁9的横截面是椭圆形的，并且当投影在PS的x-y平面上时，长轴在PS的y方向上定向，并且长度约为滚动体直径的15％，短轴在PS的x方向上定向，长度约为滚动体直径的10％，二者都在梁的中点测量。在到各个表面的接合点处，这些值接近翻倍。梁9在PS的y方向上在侧环3、4上的接合点位于距离滚动体的中心大约为滚动体直径的一半处，在相切的表面和滚动体之间的接触点的位置处。在PS的x方向上，接合点位于滚动体的半径的75％处。在到兜孔表面和中心径向接触表面的接合点在该表面的最大和最小轴向宽度之间的中点。梁9在PS的z方向上定向，围绕PS的y方向旋转约+45°，使得梁9指向离开保持架的中心的方向。
梁10的方向也在图9中示出。梁10的横截面是椭圆形的，并且当投影在PS的x-y平面上时，长轴在PS的y方向上定向，长度约为滚动体直径的15％，短轴在PS的x方向上定向，长度约为滚动体直径的10％，两者都在梁的中点测量。在到各个表面的接合点处，这些值接近翻倍。梁10在PS的y方向上在侧环3、4上的接合点位于距离滚动体的中心大约为滚动体直径的一半处，在相切的表面和滚动体之间的接触点的位置处。在PS的x方向上，接合点位于滚动体的半径的50％处。在到兜孔表面和中心径向接触表面的接合点在该表面的最大和最小轴向宽度之间的中点。梁10在PS的z方向上定向，围绕PS的y方向旋转约-30°，使得梁10指向保持架中心的方向。
由于它们的直径和位置，梁8、9、10可以彼此相交。如果是这种情况，则它们以0.25mm和滚动体直径的2.5％中最大的为倒圆半径进行结合。
这些梁以0.25mm和滚动体直径的2.5％中最大的为倒圆半径被连入到它们所接合的表面上。
参考标记
1 保持架
2 兜孔
3 侧环
4 侧环
5 兜孔构件
6 端面
7 端面
8 梁
9 梁
10 梁
11 凹部
12 矩形部分
13 梯形部分
OP 开口

Claims (18)

1.一种滚动轴承的保持架(1)，其中所述保持架(1)具有基本环形形状的、具有多个用于容纳滚动体的兜孔(2)的基体，
其特征在于，
所述基体由两个侧环(3、4)构成，所述侧环(3、4)以定义的轴向距离设置，以及
所述基体由多个兜孔构件(5)构成，所述多个兜孔构件(5)位于所述侧环(3、4)之间，其中每个兜孔构件(5)均具有被设计用于接触滚动体的两个端面(6、7)，
其中所述兜孔构件(5)和每个所述侧环(3、4)之间的连接由至少一个梁(8、9、10)建立，所述梁(8、9、10)为将所述侧环(3、4)中的一个和所述兜孔构件(5)结合的刚性体，除了所述至少一个梁(8、9、10)以外，在所述兜孔构件(5)和每个所述侧环(3、4)之间不存在其它连接，所述至少一个梁(8、9、10)在垂直于所述梁(8、9、10)的纵向延伸的截面中具有环形或椭圆形横截面。
2.根据权利要求1所述的保持架，其特征在于，设置四个或六个梁(8、9、10)以建立所述兜孔构件(5)和每个所述侧环(3、4)之间的连接。
3.根据权利要求1所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)具有在所述滚动体的直径的10％至20％之间的最小直径。
4.根据权利要求1所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)具有在所述滚动体的直径的15％。
5.根据权利要求2所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)具有在所述滚动体的直径的10％至20％之间的最小直径。
6.根据权利要求2所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)具有在所述滚动体的直径的15％。
7.根据权利要求3所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)在其与所述侧环(3、4)和/或所述兜孔构件(5)合并的位置具有扩大的直径，该位置处的直径为所述最小直径的值的两倍。
8.根据权利要求5所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)在其与所述侧环(3、4)和/或所述兜孔构件(5)合并的位置具有扩大的直径，该位置处的直径为所述最小直径的值的两倍。
9.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述至少一个梁(8、9、10)在其与所述侧环(3、4)和/或所述兜孔构件(5)合并的位置具有倒圆半径，所述倒圆半径为0.2mm至0.3mm或者所述滚动体的直径的2.0％至3.0％中较大的。
10.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述两个侧环(3、4)被以轴向距离间隔开，其中给出了在球轴承的情况下用于所述滚动体的径向外开口(OP)为所述滚动体的直径的92.5％至97.5％之间，在滚子轴承的情况下为所述滚动体的长度的92.5％至97.5％之间。
11.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述侧环(3、4)在端面具有凹形(11)。
12.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述侧环(3、4)在内径和外径之间径向地延伸，所述内径对应于滚子轴承的节圆，所述外径对应于节圆加上所述滚动体的直径的一半。
13.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述侧环(3、4)的面对所述滚动体的表面包括垂直于所述表面看到的大致径向外侧矩形部(12)和紧邻的径向内侧梯形部(13)。
14.根据权利要求1-8中的任一项所述的保持架，其特征在于，所述兜孔构件(5)的所述端面(6、7)具有凹形表面，其中所述凹形表面为球面形且具有在所述滚动体的直径的105％至115％之间的半径。
15.一种用于制造根据权利要求1-14中的任一项所述的滚动轴承的保持架(1)的方法，其特征在于，所述保持架(1)的制造通过增材制造工艺的方式进行。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，塑料材料用于所述保持架(1)的制造。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述保持架(1)的制造通过3-D打印工艺的方式进行。
18.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述保持架(1)的制造通过立体光刻工艺的方式进行。
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