纯滚动轴承几种方案的优劣对比

纯滚动轴承几种方案的优劣对比滚动轴承是机械设备中不可或缺的核心部件之一，其主要作用就是减少相对运动部件之间的摩擦。因此，长期以来，科技人员努力通过各种手段减少滚动轴承的摩擦，特别是为减少甚至消除滑动摩擦，发明设计了许多技术方案，其中最主要的手段就是取消保持架，实现滚动轴承的纯滚动工作方式。就目前而言，实现这一技术目标的方案主要有3种：1.通过设置辅助滚动体取消保持架；2.通过在滚动体上设置永磁体或滚动体本身就是永磁体取消保持架；3.滚动体本身是软磁材料或软磁材料与其他材料的组合体组成，滚动体依靠内外圈上的磁体磁化取消保持架（申请号201910757011.7）。在上述3种方案中，方案1是通过机械方式实现取消保持架的，与后两个区别较大，在此不作讨论。本文主要对后两个方案的优劣进行对比。以下是方案3与方案2的本质区别1.工作原理的本质区别方案3的工作原理是利用软磁材料与磁体之间的相互作用保持滚动体的间距。方案2的工作原理是利用设置在圆柱形滚动体两端的永磁体之间的排斥作用保持滚动体的间距。2.滚动体结构的本质区别方案3的滚动体是由软磁材料或软磁材料与其他非磁性材料组成的。实际上本方案在实际应用中，滚动体一般是由单一的软磁材料组成，比如现在使用的轴承滚动体大部分是属于软磁材料的轴承钢，除非是在特殊的应用环境中，比如耐腐蚀、耐高温等特殊条件下，才需要在软磁材料滚动体外层结合相应特殊材料满足相应的特殊要求。这种滚动体是没有磁场的普通滚动体。方案2的滚动体是由永磁体或永磁体与其他材料组成的，是带磁场的磁性滚动体。3.内外圈结构的本质区别方案3的内外圈是由磁体或磁体与其他材料组成。方案2的内外圈是由其他材料或软磁材料与其他材料组成。4.磁体功能的本质区别方案3的磁体是用来为滚动体中的软磁材料提供磁化磁场从而使滚动体保持间距的，不是直接使滚动体保持间距，同时能够约束滚动体。方案2是直接利用永磁体的同极性相互排斥保持滚动体间距的。5.软磁材料功能的本质区别方案3的软磁材料功能是接受外部磁场磁化作用而成为磁场的载体，通过被磁化为磁体而保持滚动体间距。方案2的软磁材料功能是接受滚动体上永磁体磁场的吸引作用，把滚动体固定在预定的轨道上。6.磁体位置的本质区别方案3的磁体位于内外圈至少其中之一之上。方案2的磁体位于圆柱形滚动体的两个端面上。以下是方案3相对于方案2有益的技术效果1.方案3工作原理可以使轴承滚动体保持间距的能力稳定可靠，不需要辅助措施；方案2需要借助辅助手段才能保证滚动体间距稳定，并且当滚动体间距太近时，或者轴承负载方向变化，由于永磁体之间排斥的不稳定性，会导致滚动体错位或聚集在一起，使轴承不能正常工作。2.方案3的滚动体结构简单可靠，生产工序少，成本低；滚动体是轴承部件中工作环境最复杂恶劣的部件，其可靠性决定了轴承的可靠性，滚动体结构越简单，轴承的可靠性越高。方案3的滚动体可由单一的软磁材料组成，如现有的属于软磁材料滚动体的轴承钢滚动体，实践已证明了其可靠性。方案2是在每个圆柱滚动体两端设置两块永磁体，部件的数量成倍增加，增加了结构的复杂性，降低了轴承的可靠性。部件增加，生产工序增加，成本提高。3.方案3可较快形成成熟产品方案3可以直接使用结构简单成熟的轴承钢滚动体，既可以利用现有的设备资源，也可以使本技术方案快速实施成熟；方案2滚动体和内外圈都需要重新设计生产，周期长，成本高。4.方案3可直接形成成熟产品方案3可直接改造现有的有滚道轴承钢球形滚动体轴承，使其成为不用保持架而保持间距的滚动轴承在径向轴承的应用中，其内外圈永磁体设置的位置可以参见申请文件附图29，附图30，附图45，也可以是这几个附图方案的拆分组合或其他合适的结构，并且这种磁体的设置方式，轴承的内外圈采用的材料不受限制。当然通过在内外圈适当位置设置磁体而用于球形角接触轴承，也可以用于满球轴承钢滚动体轴承，这时永磁体应设置在没有装球口的一端。在轴向轴承的应用中，永磁体设置在上下座圈与滚动体接触的平面的任意一面或两面的轨道附近，可以在滚道内侧、外侧或两侧都可以，永磁体形状与滚道相同，并且这种磁体的设置方式，轴承上下座圈的材料不受限制。这两种方案只需要定制形状合适的永磁体，就可以直接利用现有的球形轴承钢轴承，使本方案直接成为成熟的产品。方案2没有直接利用现有轴承的能力。5.方案3可适应各种形状的滚动体方案3的软磁材料滚动体主要是应用成熟的轴承钢滚动体，结构简单，通过适当方式与内外圈上设置的磁体的配合，能够适应各种形状的轴承钢滚动体。方案2只能较好适应圆柱滚动体轴承，由于其滚动体上设置了永磁体，不能很好地适应锥形滚动体，完全不能适应球形滚动体。6.方案3可采用电磁体方案3的磁体除了可以采用永磁体之外，还可以采用电磁体或永磁体与电磁体的组合体，这时磁体设置在轴承内外圈不转动的部分，并且电磁体的磁场强弱可调，技术上也非常容易实现，这样可以实现一些特殊场合的应用，比如强烈振动、高温环境等。方案2的磁体只适合采用永磁体，如果采用电磁体，无法通过常规手段实现，会存在较大的技术障碍，而且会使轴承变得非常复杂。7.解决了长期未解决的纯滚动轴承结构简单、工作可靠、实用性强，使用寿命长的难题在滚动轴承领域，为了杜绝滑动摩擦，实现轴承的纯滚动工作方式，减少甚至不用润滑剂，出现了各种技术方案，但始终没有完美解决这个问题。方案3则完美解决了这个问题在方案3的申请文件附图50的结构中，当轴承没有滚道、内外圈是非铁磁性材料且磁体形状随内外圈形状调整的情况下，可以实现圆柱形滚动体轴承和球形滚动体轴承稳定的纯滚动工作。为保证这种纯滚动轴承的可靠性，内外圈的最边缘一般要设置挡边，以防止滚动体意外脱落。在方案3申请文件附图52的结构中，在没有滚道且上下座圈是非铁磁性材料的情况下，可以实现球形滚动体的纯滚动工作。这种推力轴承没有滚道时，球形滚动体在两个平面之间转动。由于惯性作用，滚动体随着转速的提高，会偏离被固定的位置，转速越快，偏离的距离越远。即这种轴承在变速转动时没有固定的滚道，这种滚道不固定的工作方式可以延长轴承使用寿命。为了防止滚动体脱离或意外脱落，轴承座圈的外边缘和内孔边缘都要设置挡边。8.本技术方案的滚动体和内外圈在较大的偏离范围之内都有自稳定的功能方案3申请文件附图52的推力轴承，在没有滚道且上下座圈是非铁磁性材料时，上下座圈在外力的作用下，可在较大范围内措位，全部球形滚动体可整体偏离滚道而正常工作。当外力消失时，球形滚动体全部自动恢复正常滚道，座圈也自动恢复正常位置。当上下座圈只有其中之一设置磁体时，滚动体的偏离范围可以更大，滚动体也能自动恢复正常滚道，但座圈之间则不能自动恢复正常位置。当上下座圈的磁体一强一弱时，不但滚动体的偏离范围大，而且滚动体和上下座圈也都能自动恢复正常位置。另外，方案3附图52的推力轴承的磁体，也可以设置在上下两部分与滚动体接触平面的任意部分。如设置在内孔的最边缘，则滚动体集中在内孔边缘，轴承转动时，滚动体会逐渐向外边缘偏离，在一定范围内座圈也可以实现偏离；如设置在外边缘，则滚动体只能固定在外边缘。这种设置磁体的方式可以使内外圈选择材料的范围不受限制。方案3附图50，在与上述有益技术效果7结构相同的情况下，能够实现轴承在轴向方向上较大的偏离范围。方案2由于工作原理和结构的原因，偏离范围非常有限，不能适应推力轴承和球形轴承。9.方案3附图52的结构，在没有滚道的情况下，能够传递不同轴的推力当附图52没有滚道时，座圈上下两部分与滚动体接触的部分都是平面，座圈的转轴可以错位传递推力，即转轴平行但不在同一条直线上。这种情况下，座圈上下两部分的转轴可以沿着与上下相对平面平行的任意方向，在一定范围内平行移动。其实际工作情况可以参考哔哩哔哩、抖音、快手上“纯滚动轴承的工作原理”的视频。以下是方案3解决的技术难题1.不需要辅助手段保持滚动体间距的稳定方案3不需要其他任何辅助手段，也不管有没有挡边或滚道，或者滚动体之间间距的大小，都不影响滚动体稳定保持间距的能力，并且滚动体之间的间距越小，其保持间距稳定的能力越强。方案2在没有滚道或挡边的情况下，需要采取辅助手段才能保持滚动体间距稳定，并且滚动体之间的间距不能太近，否则，由于滚动体两端永磁体之间排斥的不稳定性，当轴承在轴向方向上出现移动，就会出现滚动体之间相互措位，甚至滚动体聚在一起的情况，对于增加滚动体数量，提高轴承承载能力不利。即使有挡边或滚道，滚动体之间的排斥作用也不稳定。方案2的圆柱滚动体两端加永磁体或圆柱滚动体本身为永磁体的方案虽然从理论上解决了圆柱滚动体保持间距的技术问题，但实际上在没有挡边或滚道的情况下，由于永磁体之间排斥力的不稳定性，还需要利用滚动体上的永磁体与内圈外表面或外圈内表面的软磁材料相互吸引才能保持稳定，否则，这种方案的圆柱滚动体之间无法保持稳定的间距。这也是软磁材料与磁体之间相互作用的真正目的，两者之间的作用与本申请方案的作用完全不同。2.使所有形状的滚动体保持稳定间距方案3保持滚动体间距的方式可以适应所有形状滚动体轴承。方案2则只能适应圆柱滚动体轴承，不能适应其他形状滚动体轴承的应用，特别是球形滚动体轴承，这也是对方案2始终以圆柱滚动体为例，而没有涉及其他形状滚动体例子的原因。3.解决上述有益技术效果7的问题4.解决了推力轴承在不同轴情况下传递推力的问题轴承中除了普通的只提供旋转功能的轴承外，还有一些特殊轴承，比如调心轴承可以实现内外圈轴心线存在一定夹角的情况下工作。而方案3附图52的结构在没有滚道的情况下，可以实现上下座圈轴心线平行但不同轴的情况下传递推力。5.解决了径向轴承在轴向方向较大范围偏移的问题上述有益效果7中方案3附图50的方案解决了这个问题。6.解决了方案2可靠性差、滚动体的形状只能局限于圆柱滚动体的难题7.解决了滚动体在较宽的滚道范围内正常工作的问题方案2滚动体必须与其设置的软磁材料滚道相结合，并且软磁材料滚道的宽度必须与结合永磁体的圆柱滚动体的宽度相同，才能实现滚动体保持间距的稳定性。而方案3则对滚道的宽度不敏感，不需要滚道或可以在较宽的滚道范围内正常滚动工作。方