可3D打印分体式滚珠轴承结构

日常做非标传动结构设计时，经常会遇到小载荷、低转速的工况，比如桌面级小型输送线的从动辊支撑、3D打印设备自身的导轮限位、小型教具演示装置的转动副，这类场景如果直接采购标准微型轴承，一方面采购周期长，小批量拿货成本偏高，另一方面部分特殊安装位的尺寸和标准件不匹配，需要额外做轴套或者安装座的适配修改，反而增加了整体结构的复杂度。这次做的这款分体式滚珠轴承结构，就是专门针对这类小载荷应用场景设计的，完全适配FDM3D打印的加工特性，不需要额外的支撑结构就能直接打印成型，打印完成后简单清理毛刺就能直接装配使用。

从结构设计逻辑来看，这款轴承采用了分体式保持架结构，没有采用传统轴承的一体式冲压保持架，而是将保持架拆分为上下两个可扣合的环形件，保持架上的兜孔采用半球形定位设计，每颗滚珠对应上下两个半圆弧兜孔，扣合后刚好能将9毫米直径的滚珠限制在兜孔内部，不会出现滚珠脱落或者移位的问题，同时兜孔和滚珠之间预留了0.2毫米的活动间隙，既保证滚珠能够自由滚动，又不会因为间隙过大导致转动时出现晃动。轴承的内圈和外圈都设计了对应的滚道，滚道的圆弧半径比滚珠半径大0.15毫米，这个间隙值是经过多次打印测试确定的，既能够保证滚珠和滚道之间是线接触而非点接触，降低转动时的摩擦阻力，又不会因为间隙过大导致内圈和外圈之间出现径向窜动。

安装边界方面，这款轴承的外圈外径、内圈内径都预留了标准的安装公差，针对3D打印的材料收缩特性，PLA材料打印时尺寸收缩率大概在0.2%左右，建模时已经提前将尺寸做了补偿，打印完成后内圈可以直接和直径匹配的光轴过盈配合，过盈量控制在0.1毫米，不需要额外做键槽或者顶丝固定，靠材料本身的抱紧力就能够满足小载荷工况下的扭矩传递需求；外圈可以直接嵌入对应的安装座孔内，安装座孔的尺寸和轴承外径采用间隙配合，间隙量控制在0.05毫米，装配时不需要额外敲击，轻轻按压就能装入，后期维护拆卸也很方便。

实际使用场景中，这款轴承可以承受的径向载荷大概在50N左右，适合转速不超过300rpm的转动场合，比如小型旋转展示台的支撑、桌面机械臂的关节转动副、学生做机械创新大赛的教具模型、小型传送带的从动轮支撑，都可以直接使用这款结构。和传统标准轴承相比，这款结构的最大优势就是可以按需快速制作，不需要等待供应链发货，只要有桌面级3D打印机，半个小时就能打印完成一套，搭配标准的9毫米钢珠就能直接使用，钢珠也是市面上非常容易采购的标准件，成本极低。

设计过程中特意规避了需要支撑的结构，所有的环形结构都是自支撑的，保持架的扣合位置设计了0.1毫米的定位卡扣，打印完成后上下两个保持架对准卡扣按压就能扣紧，不需要额外用胶水粘接，装配的时候先将下半部分保持架平放在桌面上，把所有钢珠依次放入兜孔内，再盖上上半部分保持架扣紧，之后将扣好的保持架和钢珠整体放入外圈的滚道内，最后压入内圈就完成了整个轴承的装配，整个装配过程不需要任何专用工具，徒手就能完成。

从摩擦特性来看，这种结构的滚动摩擦系数大概在0.002左右，比直接用塑料轴套的滑动摩擦低一个数量级，转动时的阻力非常小，空转状态下可以持续转动十几秒才会停下，完全能够满足低载荷传动场景的使用需求。另外针对不同的使用环境，还可以根据需要更换不同的打印材料，如果需要一定的自润滑特性，可以选用尼龙材料打印内圈、外圈和保持架，尼龙本身的自润滑性能好，耐磨性能也比PLA强很多，能够承受更高的转速和载荷；如果只是做演示模型使用，用普通PLA材料打印就足够，成本更低，打印难度也更小。

需要注意的是，这款轴承结构不适合高速、重载的工况，比如机床主轴、电机输出轴这类高转速大载荷的位置还是要使用标准的工业轴承，但是在很多轻量化、低载荷、快速原型验证的场景下，这种可3D打印的滚珠轴承结构能够大幅缩短原型制作的周期，降低制作成本，尤其是在做结构方案验证的时候，不需要等待标准件采购，直接打印就能测试转动副的运行效果，发现尺寸或者结构问题可以随时修改模型重新打印，迭代效率非常高。另外在安装的时候要注意，内圈和轴的配合不要过盈量太大，否则会导致内圈变形，挤压滚珠导致转动阻力变大，甚至出现卡滞的问题，如果需要传递更大的扭矩，可以在内圈侧面增加一个顶丝孔，用顶丝锁紧轴，避免内圈和轴之间出现相对转动。