CN115614390A - 轴承密封件及其应用 - Google Patents

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Abstract

一种轴承密封件(10)，包含能够固定设置在轴承内圈(2)上的锚固部(12、22)和能够与轴承外圈(4)之间形成密封配合的密封部(14、24a、34)。所述密封件(10)包含大致为环形的刚性骨架(20)，所述骨架(20)在对应于锚固部的位置处形成有起稳固和支撑作用的根部(22)，在对应于锚固部与密封部之间的区域形成有起径向支撑作用的径向部(24)。所述径向部(24)上形成有至少一处开口方向朝向径向***的槽口(24b)。在上述密封件(10)的基础上，本发明还提供一种柔性密封轴承(1)和装配有这种轴承的谐波减速器。所述密封件(10)能够确保柔性轴承(1)在受迫变形时仍能持久可靠运行，特别能够满足谐波减速器对柔性密封轴承的应用需要。

Description

轴承密封件及其应用
技术领域
本发明涉及一种轴承密封件，尤其是在谐波减速器(harmonic drive)中使用的柔性轴承的密封件。
背景技术
谐波减速器因传动比大、平稳低噪、精密可靠、寿命长久等特点在传动领域中得到了广泛的应用。总体而言，谐波减速器在结构上主要包含具有内齿的刚性轮(cirularspline)、具有外齿的柔性轮(flex spline)以及用于使所述柔性轮发生径向变形的谐波发生器(wave generator)。其中，谐波发生器主要由凸轮和通过弹性形变套配在所述凸轮上的柔性轴承(亦称“薄壁轴承”)构成。以椭圆凸轮为例，当谐波发生器在转轴的驱动下每旋转360°时，柔性轮齿圈上任一点经历的波形变化的循环次数为两次，故这样的凸轮也被称为双波凸轮。根据应用的需要，所述凸轮也可以是三波、四波甚至更多数波的凸轮。
用于谐波减速器的柔性轴承，其轴承外圈在谐波发生器的驱动下承受规律性的受迫变形，不仅对材料的疲劳特性构成严峻的考验，而且也造成传统的轴承密封件难以适用。图1A显示传统球轴承的截面示意图。从图中可以看出，轴承1包含内圈2、外圈4和设置在内圈2和外圈4之间的至少一列滚动体3，轴承1的轴向两侧设置有密封件10。图1B-1C进一步显示轴承密封件10的不同比例的放大截面图。从图中可以看出，密封件10在总体上包含刚性骨架(flinger)20和附着在骨架***的弹性材料30。密封件10在其径向外侧形成有锚固部(anchorage portion)12，在其径向内侧形成有密封部14。骨架20在对应于锚固部12的位置处形成有起稳固和支撑作用的根部22，在对应于锚固部12与密封部14之间的一段区域形成有起径向支撑作用的径向部24。在装配以后，锚固部12被固定设置在轴承外圈4的凹槽42内，用于支撑密封部14与内圈2之间形成密封配合。
采用上述密封件10，当轴承外圈4受迫变形时，刚性骨架20容易产生轴向扭曲和/或移位，导致锚固部12从外圈4的凹槽42中脱出。上述问题造成谐波减速器中的柔性轴承无法采用现有的密封件，从而不得不转而采取以下两点补救措施：其一，在谐波减速器的***加强密封，试图将柔性轴承作为减速器的内置部件一并保护起来；其二，在轴承内注入过量的润滑脂，试图在无密封条件下确保轴承润滑的长久所需。
然而，上述措施的效果并不理想。首先，刚性轮和柔性轮同属减速器的内置部件，两者(的内齿与外齿)之间的啮合在运行过程中会产生大量的磨损碎屑，这些碎屑可以不受限制地进入到开放的轴承当中。换而言之，外部密封无法防止内置部件之间的杂质传递。其次，在开放的轴承中注入过量的润滑脂是一件极其浪费之举，不仅造成运营成本的上升(润滑脂价格昂贵)，而且大量流失的润滑脂会造成不必要的环境污染。
现实呼唤一种既能适应谐波发生器的径向变形又具有良好密封性能的轴承密封件。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种轴承密封件，包含能够固定设置在轴承内圈上的锚固部和能够与轴承外圈之间形成密封配合的密封部。所述密封件包含大致为环形的刚性骨架，所述骨架在对应于所述锚固部的位置处形成有起稳固和支撑作用的根部，在对应于锚固部与密封部之间的区域形成有起径向支撑作用的径向部。所述径向部上形成有至少一处开口方向朝向径向***的槽口。
由于设置有***槽口，刚性骨架在轴承内圈受迫变形时能够有效释放其内部应力，从而不会轻易发生扭曲和/或移位，导致密封部与外圈之间的密封配合得以被稳固保持。上述结构的密封件适用于柔性轴承和装配有柔性轴承的谐波减速器，能够从根本上避免润滑剂的过量使用，不仅降低运营成本，而且极具环保价值。
在上述结构的密封件的基础上，本发明还提供一种密封轴承，包含内圈、外圈和设置在所述内、外圈之间的至少一列滚动体。所述轴承配备有在骨架***形成有径向槽口的柔性密封件。
上述轴承，尤其是柔性轴承，在配备有能够适应轴承圈径向变形的密封件时，能够确保轴承在受迫变形时仍能持久可靠运行，因而特别能够满足谐波减速器对柔性密封轴承的应用需要。
在上述密封件和密封轴承的基础上，本发明还提供一种谐波减速器，包含具有内齿的刚性轮、具有外齿的柔性轮和用于使所述柔性轮产生动态谐波的谐波发生器。其中，所述谐波发生器包含凸轮和装配在所述凸轮上的上述密封轴承。
装配有上述密封轴承的谐波减速器因此获得持久可靠的稳定运行能力，对延长整个传动***的维护周期和使用寿命具有重要的意义。
以下结合附图详细描述本发明的各种具体实施方式和有益的技术效果。
附图说明
图1A为配备有常规密封件的典型球轴承的截面示意图；
图1B为图1A中右侧密封件的放大截面图；
图1C为图1A中轴承外圈的凹槽和密封件锚固部附近的局部放大图；
图2A为内圈上设置有柔性密封件的柔性轴承的截面示意图；
图2B为图2A中柔性密封件在轴向视角下的侧视图；
图2C为图2B中任意槽口的局部放大图；
图3A为装配有接触式密封唇的柔性密封件的轴承截面示意图；以及
图3B为装配有非接触式密封唇的柔性密封件的轴承截面示意图。
具体实施方式
在以下描述中，表示方向的用语，例如“轴向”、“径向”以及“圆周方向”，除非另有说明或限定，均指密封件、其骨架或所属轴承的轴向、径向和圆周方向。
图2A-2C在总体上显示本发明所述柔性密封件在各种视角下的结构示意图。其中，图2A为装配有柔性密封件的柔性轴承的截面示意图。在图示的具体实施方式中，密封件10在总体上由刚性骨架20独立构成。骨架20优选由金属(例如，碳钢)制成，大致具有L型截面，包含能够通过过盈配合固定在轴承内圈2上的轴向部22和从轴向部22的一端沿径向向外延伸的径向部24。
轴向部22一方面用于将密封件10固定在轴承内圈2上，另一方面还作为根部(如前所述)对整个密封件10起稳固和支撑作用。径向部24对密封件10起径向支撑作用，其径向***的自由端24a与轴承外圈4之间形成间隙配合，形成所谓的非接触式密封。只要间隙足够小，抑或采用迷宫式间隙配合，非接触式密封也能在足够程度上防止外部污染物(例如，轮齿摩擦产生的碎屑)的侵入和内部润滑脂的泄漏。理论上讲，非接触式密封不产生摩擦，因此不会造成温升效应和轴承传动效率的下降。
有必要指出，在以上具体实施方式中，密封件10的锚固部直接由金属骨架20的轴向部22来充当，密封件10的密封部则直接由径向部24的自由端24a来充当。在更一般的情况下，骨架20的外表面也可以被覆盖橡胶之类的弹性材料30，分别在对应轴向部22的位置处形成密封件10的锚固部和在径向部自由端24a的位置处形成密封件10的密封部(例如，密封唇34，详见后文描述)。
图2B至2C显示骨架20在径向部24上形成有开口方向朝向径向外侧的多处槽口24b。槽口24b的设置能够减小环形骨架的截面惯性矩(area moment of inertia)，从而提高其适应轴承内圈径向变形的能力。换言之，槽口24b的设置能够有效降低环形骨架20的刚性，提高引发骨架轴向扭曲或移位所需径向变形的阈值下限。
容易理解，槽口的深度Depth与骨架的刚性呈现负相关的关系，即槽口的深度越大，骨架就会变得越柔软，适应轴承圈径向变形的能力就越强。然而，过深的槽口，例如，贯穿整个径向部24直抵轴向部22的槽口，将会彻底破坏径向部的刚性和稳定性，导致密封件在安装以后所述径向部极易侧倾或者站立不稳，难以满足封闭轴承敞口的功能所需。因此，槽口的深度需要有一定的限制。试验表明，槽口深度Depth不宜超过径向部尺寸(即自由端24a高出轴向部22上表面的高度)的2/3。
图2B还进一步显示椭圆凸轮引发骨架变形的形态对照图，其中，虚线部分显示骨架变形前标准园形态的轮廓。分析表明，在凸轮引发的椭圆变形的情况下，骨架径向部24在对应椭圆短轴Dmin的位置处承受的压应力最大，在对应椭圆长轴Dmax的位置处承受的拉应力最大。槽口的存在能够通过间隙Gap的伸缩释放上述应力，从根本上避免骨架发生翘曲或移位的可能。
因此，就压应力的释放而言，槽口间隙Gap应当至少能够容纳径向部的周长从未变形时的标准圆形态变成变形后的椭圆形态的圆周缩减量。从这个意义上讲，槽口的平均宽度Gap≥π*(Dnom-Dmin)/n，其中，Dnom为骨架在未变形时的标准圆外径，Dmin为骨架在装配变形后的最短外径(对应椭圆短轴的长度)，n为槽口的数量。
从另外一个角度而言，尤其在骨架20独立构成密封件10的情况下，槽口的宽度Gap越小，防止异物入侵和润滑剂泄漏的效果就越好。因此，从满足最低防护要求的需要出发，槽口的宽度Gap不宜超过5毫米。
此外，槽口最好在圆周方向上规则(例如，等间隔)分布，而且数量越多，分布越密集，越有利于各种应力的释放。仍以椭圆凸轮为例，由于长、短轴附近的变形最为严重，故应力相对集中(以下称“应力集中区”)，而密集分布的槽口会导致应力集中区附近大概率会有槽口存在，因而特别有利于集中应力的释放。此外，槽口的数量还应与凸轮的轮廓形态(即波数)有关。假设凸轮的波数为n，那么槽口的数量应至少在2n以上，充足数量的槽口能更为有效地释放密封件受迫变形时产生的圆周应力。
作为一种优选实施方式，在偶数波凸轮引发变形的情况下，槽口的数量最好为奇数。这是因为，奇数数量的槽口能够确保对称分布的应力集中区附近至少有一处就近槽口存在。就近槽口在释放应力方面所起的作用要明显大于距离相对较远的槽口，因此特别有利于应力集中区应力的释放。出于类似的原因，在奇数波凸轮引发变形的情况下，槽口的数量最好为偶数。
图3A和3B分别显示本发明另外两种实施方式的截面示意图。从图中可以看出，密封件10包含刚性骨架20和至少局部覆盖骨架20的弹性材料30。类似于图2所示的情形，轴向部22作为锚固部通过过盈配合直接固定在轴承内圈2上。作为另外一种选择，类似图1所示的现有技术的情形，轴向部22也可以通过与弹性材料30组合形成锚固部12之后固定在轴承内圈2上，例如，嵌配在内圈上的凹槽中(未显示)。弹性材料30在骨架径向部自由端24a的径向***形成密封唇34，与轴承外圈4之间形成唇式密封配合。作为典型的情形，唇式密封既可以是接触式密封，如图3A所示，也可以是非接触式密封，如图3B所示。接触式密封虽然引起摩擦，但在密封效果上会优于非接触式密封。以谐波减速器中的柔性轴承为例，轴承的内外圈转速差一般不高，故密封唇与外圈之间的滑动摩擦不会造成显著的温升效应，不会对减速器的正常运行造成严重的阻碍效果。
更为重要的是，在图3A和3B所示的实施方式中，弹性材料30还将骨架径向部24的槽口24b包裹起来，从而提高密封件10防止异物入侵和润滑脂外泄的能力。由于弹性材料30本身具有伸缩性，故对槽口24b的覆盖不会显著影响槽口24b释放骨架20应变的能力，由凸轮谐波引发的应力和应变仍然能够通过槽口间隙的伸缩得到有效释放。
以上描述的密封件广泛适用于柔性轴承、谐波减速器以及包含谐波减速器的传动机械(例如，机器人)。本领域的技术人员应当理解，所述密封件及其应用不受具体实施方式的限制，更具一般性的技术方案将以随附权利要求书中的限定为准。针对本发明的任何变更和改进，只要符合随附权利要求书的限定，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种轴承密封件(10)，包含能够固定设置在轴承内圈(2)上的锚固部(12、22)和能够与轴承外圈(4)之间形成密封配合的密封部(14、24a、34)，所述密封件(10)包含大致为环形的刚性骨架(20)，所述骨架(20)在对应于所述锚固部的位置处形成有起稳固和支撑作用的根部(22)，在对应于所述锚固部与密封部之间的区域形成有起径向支撑作用的径向部(24)，其特征在于：所述径向部(24)上形成有至少一处开口方向朝向径向***的槽口(24b)。
2.根据权利要求1所述的密封件(10)，其特征在于：所述至少一处槽口(24b)在圆周方向上间隔分布，槽口的平均宽度Gap≥π*(Dnom-Dmin)/n，其中，Dnom为所述骨架在未变形状态下的标准圆外径，Dmin为所述骨架在装配变形状态下的最短外径，n为槽口的数量。
3.根据权利要求2所述的密封件(10)，其特征在于：所述槽口(24b)的深度(Depth)不超过所述径向部(24)的径向尺寸的2/3。
4.根据权利要求3所述的密封件(10)，其特征在于：所述槽口(24b)的数量至少为凸轮波数的两倍以上。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的密封件(10)，其特征在于：所述骨架(20)大致具有L形截面，所述根部(22)由从径向部(24)的径向内端沿轴向延伸的轴向部(22)形成，所述轴向部(22)作为所述的锚固部通过过盈配合可靠固定在轴承内圈(2)上。
6.根据权利要求5所述的密封件(10)，其特征在于：所述密封部(14)由附着在骨架(20)上的柔性材料(30)形成的密封唇(34)构成，与轴承外圈(4)之间形成唇式密封配合，所述槽口(24a)被柔性材料(30)所覆盖。
7.根据权利要求5所述的密封件(10)，其特征在于：所述骨架(20)上未附着有柔性材料(30)，其径向部(24)的自由端(24a)本身形成所述的密封部(14)，与轴承外圈(4)之间形成非接触式间隙密封。
8.根据权利要求7所述的密封件(10)，其特征在于：所述槽口(24b)的宽度(Gap)一律不超过5毫米。
9.一种滚动轴承(1)，包含内圈(2)、外圈(4)和设置在所述内、外圈之间的至少一列滚动体(3)，其特征在于：所述轴承(1)上设置有权利要求1至8中任意一项所述的密封件(10)。
10.一种谐波减速器，包含具有内齿的刚性轮、具有外齿的柔性轮和用于使所述柔性轮产生动态谐波的谐波发生器，其特征在于：所述谐波发生器包含凸轮和装配在所述凸轮上的如权利要求9所述的滚动轴承(1)。
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