溫朝杰，曾獻(xiàn)智，扈文莊，李超強(qiáng)，李文超

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

圓柱滾子軸承滾子與滾道為線接觸，具有承載能力高、徑向剛度大的特點(diǎn)，同時(shí)由于軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還具有極限轉(zhuǎn)速高、安裝拆卸方便的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)、鐵路、機(jī)床主軸、減速機(jī)、軋鋼機(jī)及運(yùn)輸機(jī)械等領(lǐng)域，在滾動(dòng)軸承中占有重要地位。

現(xiàn)代圓柱滾子軸承從內(nèi)部結(jié)構(gòu)到使用材料上都進(jìn)行了較大的改進(jìn)，使其使用性能、壽命和可靠性不斷提高。其中，保持架結(jié)構(gòu)、材料的研究和改進(jìn)設(shè)計(jì)在一定程度上保證和推動(dòng)了圓柱滾子軸承技術(shù)的發(fā)展。

目前，圓柱滾子軸承保持架按其生產(chǎn)工藝和所用材料主要有沖壓保持架、金屬實(shí)體保持架和工程塑料保持架，不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料的保持架對(duì)軸承的使用性能影響很大。因此，文中介紹了各類(lèi)圓柱滾子軸承保持架的特點(diǎn)，以期為圓柱滾子軸承的設(shè)計(jì)及選用提供借鑒。

1 沖壓保持架

早期圓柱滾子軸承較多采用沖壓保持架，主要結(jié)構(gòu)有槽形、乙形、M形結(jié)構(gòu)。

沖壓保持架主要用于中小型軸承，強(qiáng)度高，容納的滾子數(shù)量多，軸承承載能力強(qiáng)，適于大批量生產(chǎn)，成本較低。早期的沖壓保持架由于加工精度相對(duì)較低，導(dǎo)致軸承極限轉(zhuǎn)速不高，且軸承振動(dòng)噪聲較大，難以滿(mǎn)足軸承日益提高的性能要求。隨著沖壓保持架技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是高速精密沖裁(每分鐘行程數(shù)為 200～1 000)、自動(dòng)化焊接及整形技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其應(yīng)用逐漸擴(kuò)大，有向大尺寸段發(fā)展和逐步取代實(shí)體銅保持架的趨勢(shì)。沖壓保持架技術(shù)的發(fā)展方向主要在于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，同時(shí)新結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)還依賴(lài)于保持架材料和工藝裝備水平的提高。

1.1 槽形保持架

槽形沖壓保持架結(jié)構(gòu)如圖1所示，適用于外圈帶雙擋邊的中小型圓柱滾子軸承。該保持架能裝入更多數(shù)量和更大尺寸的滾子，使軸承獲得較大的額定載荷；但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，往往由于結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì)不合理，保持架裝配時(shí)在內(nèi)翻邊上壓鎖點(diǎn)凹穴后，內(nèi)翻邊和鎖點(diǎn)凹穴等與滾子產(chǎn)生干涉，降低軸承回轉(zhuǎn)靈活性[1]。

圖1 槽形保持架

為使保持架在裝配時(shí)壓鎖點(diǎn)形成凹穴后，其窗孔梁不向外彎曲變形，可在保持架裝配前增加一道收縮梁工序，即對(duì)梁向內(nèi)預(yù)壓一個(gè)圓弧，以增加其強(qiáng)度并可補(bǔ)償保持架壓鎖點(diǎn)形成凹穴后梁向外彎曲的變形量，如圖2所示。

圖2 保持架收縮梁

1.2 乙形保持架

乙形保持架結(jié)構(gòu)如圖3所示[2]。保持架兩端面分別向內(nèi)徑和外徑方向翻邊，梁帶有彎爪(彎爪可以?xún)?nèi)翻，也可以外翻)，可以鎖住滾子。此保持架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，裝配使用也很方便，可容納較多的滾子，軸承承載能力較高；但保持架強(qiáng)度較差，保持架與滾子接觸摩擦較大，因此，不適用于高速應(yīng)用工況。

圖3 乙形保持架

1.3 M形保持架

M形保持架結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)保持架采用內(nèi)彎梁設(shè)計(jì)，是將滾針軸承M形保持架技術(shù)移植到圓柱滾子軸承上的一個(gè)成功范例。M形保持架一般采用中心圓或外引導(dǎo)方式，滾子在中心圓附近被引導(dǎo)。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，滾子與保持架接觸面積小，降低了滾子軸承的摩擦力矩；同時(shí)滾子在軸向與保持架有充分的間隙，有利于保持滾子和潤(rùn)滑劑的循環(huán)。與槽形和乙形結(jié)構(gòu)相比，M形保持架結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，特殊的表面處理可使保持架強(qiáng)度更高，更適于轉(zhuǎn)速較高、離心力及振動(dòng)較大以及潤(rùn)滑不良的應(yīng)用場(chǎng)合，M形卷焊保持架代表著圓柱滾子軸承沖壓保持架的先進(jìn)水平。

圖4 M形保持架

2 金屬實(shí)體保持架

金屬實(shí)體保持架所用材料主要為黃銅、青銅合金，也有鑄鐵和鋼，其結(jié)構(gòu)主要為整體式和分體式2種。

金屬實(shí)體保持架在整體結(jié)構(gòu)上主要有分體式和整體式2種，分體式結(jié)構(gòu)的區(qū)別大多在連接方式上；整體式結(jié)構(gòu)的區(qū)別則體現(xiàn)在對(duì)軸承摩擦、運(yùn)轉(zhuǎn)和承載等性能的改進(jìn)上。由于分體式保持架需組成整體后實(shí)現(xiàn)功能，分體主要是工藝方便的考慮，且分體連接還存在不可靠的問(wèn)題，因此，隨著工藝技術(shù)的進(jìn)步，整體保持架的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多。金屬實(shí)體保持架的技術(shù)發(fā)展方向是新材料應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加工工藝的提升。

2.1 分體式支柱鉚接保持架

分體式支柱鉚接保持架由半保持架、擋片和鉚釘組成，一般采用滾子引導(dǎo)，如圖5所示。半保持架和擋片一般為銅，鉚釘一般選用低碳鋼。該結(jié)構(gòu)保持架圓柱滾子軸承較為常用，具有低摩擦、低溫升、低噪聲、高強(qiáng)度、易加工等優(yōu)點(diǎn)，適用于高速及重載工況。缺點(diǎn)是鉚釘孔的存在削弱了保持架的強(qiáng)度，且鉚接不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)。

圖5 分體式支柱鉚接保持架

為解決此結(jié)構(gòu)保持架鉚接松動(dòng)問(wèn)題，出現(xiàn)了分體式螺栓連接結(jié)構(gòu)，其鉚釘為帶螺紋結(jié)構(gòu)，如圖6所示。此結(jié)構(gòu)保持架通過(guò)螺栓擰緊連接固定兩半保持架，并通過(guò)鉚合緊固。

1—半保持架；2—擋片；3—螺帽；4—螺栓圖6 裝有分體式螺栓連接保持架的軸承結(jié)構(gòu)圖

分體式支柱鉚接保持架的改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。該保持架由兩半對(duì)稱(chēng)的半保持架和支柱組成，半保持架梁長(zhǎng)度小于滾子長(zhǎng)度的一半，而支柱僅起連接兩半保持架的作用，不與滾子接觸，支柱數(shù)量可少于滾子數(shù)量。此結(jié)構(gòu)保持架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)材、便于加工，由于滾子與保持架接觸面較小，摩擦更低，但強(qiáng)度較低，使用于低速工況[3]。

圖7 分體式支柱鉚接保持架的改進(jìn)結(jié)構(gòu)

2.2 分體式自鉚接保持架

分體式自鉚接保持架由半保持架和擋片組成，半保持架梁端部帶鉚接頭，擋片上帶鉚接孔，可實(shí)現(xiàn)自鉚接，不需鉚釘，如圖8所示。該結(jié)構(gòu)保持架與分體式支柱鉚接保持架結(jié)構(gòu)類(lèi)似，技術(shù)原理和應(yīng)用特點(diǎn)基本相同，不同之處在于分體保持架的連接方式。

圖8 分體式自鉚接保持架

2.3 長(zhǎng)城形保持架

長(zhǎng)城形保持架結(jié)構(gòu)如圖9所示。其特點(diǎn)為：1)與分體式保持架相比，加工中省去了最難的鉆孔工序，避免了裝配鉚合時(shí)操作不當(dāng)導(dǎo)致的軸承工作面損傷及軸承使用中鉚釘?shù)乃蓜?dòng)、斷裂等問(wèn)題；2)窗孔為單邊開(kāi)口交替排列結(jié)構(gòu)，滾子可兩邊交替非常方便地裝入保持架；3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工，節(jié)能節(jié)材；4)不僅便于軸承裝配后的清洗，而且有利于軸承的潤(rùn)滑。

圖9 長(zhǎng)城形保持架

但該結(jié)構(gòu)保持架加工中需注意以下幾個(gè)方面：1)由于兜孔需2次定位加工，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)保持架節(jié)圓直徑和兜孔垂直度的檢查檢驗(yàn)，并加以控制；2)滾子數(shù)僅為偶數(shù)時(shí)比較適宜，通用性不強(qiáng)；3)對(duì)于雙擋邊中、大型軸承，需在一側(cè)擋邊加工裝填滾子缺口[4]。

2.4 分體式帶擋圈保持架

鑒于長(zhǎng)城形保持架的缺點(diǎn)，又出現(xiàn)了分體式帶擋圈保持架，如圖10所示。其由保持架座和彈性擋圈組成，保持架座的梁一端內(nèi)徑設(shè)有環(huán)形槽，彈性擋圈卡入環(huán)形槽，相當(dāng)于保持架擋蓋。此結(jié)構(gòu)保持架利用彈性擋圈組成整體保持架，不需鉚接，工藝簡(jiǎn)單，拆卸方便[5]。

圖10 分體式帶擋圈保持架

2.5 雙擋圈組合保持架

雙擋圈組合保持架由2個(gè)擋圈(擋圈由沖壓而成)和若干支柱(支柱由拉制而成)組成，支柱起引導(dǎo)滾子的作用，并通過(guò)鉚合將2個(gè)擋圈連接成一體，如圖11所示。雙擋圈組合保持架在技術(shù)原理和應(yīng)用特點(diǎn)上與分體式保持架基本相同。

圖11 雙擋圈組合保持架

支柱和擋圈除用銅材料外，還可采用鋼制材料，以鋼代銅，不僅強(qiáng)度更高，而且成本較低。加工中以拉拔代替車(chē)削提高生產(chǎn)效率。該結(jié)構(gòu)保持架缺點(diǎn)是與滾子摩擦較大，適用于低精度低轉(zhuǎn)速要求的場(chǎng)合。

2.6 整體式直窗孔保持架

整體式直窗孔保持架結(jié)構(gòu)如圖12所示。該保持架一般采用外引導(dǎo)或內(nèi)引導(dǎo)方式，直窗孔帶鎖點(diǎn)以鎖住滾子。與分體式保持架相比，整體式保持架強(qiáng)度較高，工作更加可靠，但加工難度相對(duì)較大，窗孔一般需采用拉削加工。

圖12 整體式直窗孔保持架

2.7 整體式圓弧角窗孔保持架

整體式圓弧角窗孔保持架結(jié)構(gòu)如圖13所示，由于其過(guò)梁內(nèi)面為圓弧面，便于滾子引導(dǎo)和潤(rùn)滑，但增加了加工難度。這種結(jié)構(gòu)主要可避免兜孔過(guò)梁轉(zhuǎn)角與滾子發(fā)生干涉，最大程度減小轉(zhuǎn)角處的應(yīng)力集中，便于潤(rùn)滑。

圖13 整體式圓弧角窗孔保持架

該結(jié)構(gòu)保持架可大幅度減小應(yīng)力集中，具有強(qiáng)度高、工作可靠、摩擦小、振動(dòng)噪聲低等特點(diǎn)，但窗孔加工難度相對(duì)較大，一般需采用數(shù)控鉆銑方法加工。相比拉削，加工精度更高，是實(shí)體銅保持架結(jié)構(gòu)和加工的主要代表方向。

2.8 內(nèi)(外)懸梁保持架

內(nèi)(外)懸梁保持架很好地解決了奇數(shù)窗孔保持架等分拉削加工的問(wèn)題。內(nèi)懸梁保持架如圖14所示，保持架梁內(nèi)懸于保持架內(nèi)徑之內(nèi)，一般采用外引導(dǎo)。該保持架有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1)保持架由上、下2個(gè)環(huán)形圈與孔梁在環(huán)內(nèi)徑方向作支承，窗孔可以加工成方形或矩形；2)保持架窗孔等分差、軸向位置差、壁厚差及孔的傾斜度等精度較高；3)有利于加工，效率較高；4)使用的拉刀為圓棒形整體拉刀，依窗孔等分?jǐn)?shù)制成；5)質(zhì)量輕，節(jié)約材料，同時(shí)可容納更多、更大的滾子，軸承承載能力較高。缺點(diǎn)是保持架梁截面較小，強(qiáng)度不高，不適于沖擊振動(dòng)應(yīng)用工況[6]。

圖14 內(nèi)懸梁保持架

2.9 支柱型保持架

圓柱滾子軸承的支柱型保持架是通過(guò)支柱將保持架連接在一起，如圖15所示。支柱的一端有螺紋，一端擰在一保持架擋圈上，穿過(guò)空心滾子，另一端焊接到另一保持架擋圈上。有時(shí)，在重載應(yīng)用中，支柱的兩端均需進(jìn)行焊接。保持架為支柱型設(shè)計(jì)時(shí)，可容納的滾子數(shù)量較多，此時(shí)承載能力較高，一般用于大型軸承，如軋機(jī)軸承[7]。

圖15 保持架支柱與墊圈的連接

2.10 齒形保持架

圓柱滾子軸承及其齒形實(shí)體保持架結(jié)構(gòu)如圖16所示，該保持架置于兩剖分外圈中心部位的槽中，用齒形圓弧構(gòu)成滾子兜孔，承裝滾子，弧形兜孔處分別在2個(gè)方向設(shè)有油孔，使軸承能夠得到較好的潤(rùn)滑。與常規(guī)實(shí)體窗孔保持架相比，這種特殊的保持架結(jié)構(gòu)大大減小了保持架的整體寬度和梁的寬度，最大程度簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，大幅降低質(zhì)量；減小的梁寬使得軸承能夠容納更多、更大的滾子，大幅提高了軸承的承載能力；經(jīng)過(guò)優(yōu)化的梁，改善了滾子引導(dǎo)，并有效降低了應(yīng)力，保持架動(dòng)態(tài)性能和強(qiáng)度較好[6]。

圖16 軸承及其齒形保持架

2.11 雙、四列圓柱滾子軸承保持架

雙、四列圓柱滾子軸承較常用的保持架是單爪保持架和雙爪保持架，如圖17所示。雙爪保持架可裝入2列滾子，2列滾子之間交替排列；單爪保持架需2個(gè)組合使用，相當(dāng)于一個(gè)雙爪保持架徑向切開(kāi)。中小型精密雙列圓柱滾子軸承一般采用單爪保持架；雙爪保持架一般用于中大型軸承。

單爪和雙爪保持架一般采用銅材料，價(jià)格較高。對(duì)于低速重載的大型軸承，也有采用鑄鐵材料的保持架。鑄鐵保持架一般采用分體式結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺釘或鉚接方式連接。

3 工程塑料保持架

注塑成型工程塑料保持架也是圓柱滾子軸承常用的保持架，其結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要是直窗孔形結(jié)構(gòu)，按其注塑成型的脫模方式分為徑向脫模和軸向脫模[8]。注塑成型塑料保持架最大的特點(diǎn)在于所用材料的物理特性和耐溫、耐油性能。

由于工程塑料的特點(diǎn)，使得塑料保持架具有提高軸承轉(zhuǎn)速，減振降噪的優(yōu)勢(shì)。隨著軸承性能要求的不斷提高和工程塑料材料性能的提高，塑料保持架的應(yīng)用將越來(lái)越普遍，在中小型軸承中的應(yīng)用將成為主流，技術(shù)發(fā)展方向主要是新型材料的應(yīng)用和注塑工藝技術(shù)的提升。

3.1 聚酰胺保持架(PA66，PA46)

聚酰胺材料保持架是圓柱滾子軸承最常用的的塑料保持架，主要采用玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺66(PA66-GF25，PA66-GF10)和聚酰胺66(PA66)，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好、溫度適應(yīng)范圍廣、價(jià)格適中等特點(diǎn)，適合大多數(shù)的應(yīng)用工況，主要應(yīng)用于中小型軸承。玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺46(PA46-GF30)的性能更好，其溫度適用范圍為-40～160 ℃。

圓柱滾子軸承采用聚酰胺保持架，可降低摩擦和溫升，提高軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度和壽命及可靠性。

3.2 聚苯硫醚(PPS)保持架

PPS保持架可在200 ℃下長(zhǎng)期使用，經(jīng)特殊改性的品種，熱變形溫度可達(dá)350 ℃以上，具有低摩擦、低溫升、高強(qiáng)度、高速運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的特點(diǎn)，為長(zhǎng)壽命、低發(fā)熱保持架，可延長(zhǎng)潤(rùn)滑及軸承壽命。

3.3 聚醚醚酮(PEEK)保持架

PEEK的溫度適用范圍為-70～250 ℃，對(duì)于較高溫度下工作的軸承，保持架材料可選用PEEK。

目前國(guó)內(nèi)高速軸承已采用PEEK保持架，轉(zhuǎn)速達(dá)3×104r/min，工作溫度范圍為-40～180 ℃，承載能力較高，壽命較長(zhǎng)，可以在無(wú)油潤(rùn)滑條件下工作。NTN公司開(kāi)發(fā)的高速、高剛度、高承載能力的主軸用精密級(jí)雙列圓柱滾子軸承采用的保持架為高性能PEEK保持架[9]。

3.4 聚酰亞胺(PI，TPI)保持架

聚酰亞胺材料易于加工，具有突出的強(qiáng)度和韌性、較寬的工作溫度范圍、較高的耐化學(xué)腐蝕性能和耐磨性。在高達(dá)200 ℃的溫度下，也未顯示出如PA66保持架因溫度和潤(rùn)滑油添加劑造成的老化跡象，適用于高溫、高速、耐化學(xué)侵蝕有嚴(yán)格要求的交流發(fā)電機(jī)或變壓器等場(chǎng)合[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

保持架結(jié)構(gòu)及材料不同對(duì)軸承的使用性能影響非常大，中小型圓柱滾子軸承可以采用沖壓保持架，但內(nèi)徑大于150 mm的軸承、高速軸承或要求運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的軸承，需要采用實(shí)體保持架(車(chē)制實(shí)體黃銅保持架成本較高)。在對(duì)溫度要求不高的工況條件下，玻璃纖維增強(qiáng)尼龍保持架也被大量采用。

目前，國(guó)外沖壓保持架在圓柱滾子軸承上的應(yīng)用越來(lái)越多，創(chuàng)新主要在于結(jié)構(gòu)和加工精度，代表了圓柱滾子軸承保持架的發(fā)展趨勢(shì)；而國(guó)內(nèi)整體式金屬實(shí)體銅保持架應(yīng)用較多，主要是由于用戶(hù)的使用習(xí)慣所致；塑料保持架的應(yīng)用雖然時(shí)間較短，但塑料保持架能在相同的軸承截面下加大滾子直徑或裝入更多的滾子，裝配方便，成本較低，便于大量生產(chǎn)，而且在改善軸承性能方面顯示出一定的優(yōu)越性，將是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

另外，沖壓保持架和注塑成型保持架的加工過(guò)程屬成形加工，自動(dòng)化程度和材料利用率較高，但都對(duì)加工設(shè)備及模具有較高的要求；金屬實(shí)體保持架的加工過(guò)程多為切削加工，其加工效率及材料利用率較低。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控加工技術(shù)在保持架加工方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)，以3D打印和材料科學(xué)融合的新技術(shù)也會(huì)帶來(lái)軸承保持架設(shè)計(jì)、制造的一場(chǎng)變革。

未來(lái)，圓柱滾子軸承保持架的技術(shù)發(fā)展將集中在仿真設(shè)計(jì)分析、新型材料的應(yīng)用、結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，加工裝備和工藝技術(shù)的進(jìn)步方面，發(fā)展方向是精密、減摩、降噪、節(jié)材，保持架的技術(shù)進(jìn)步將進(jìn)一步推動(dòng)圓柱滾子軸承技術(shù)質(zhì)量水平的升級(jí)。