圓柱滾子軸承保持架技術發(fā)展

溫朝杰，曾獻智，扈文莊，李超強，李文超

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 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，同時由于軸承結構特點還具有極限轉速高、安裝拆卸方便的優(yōu)點，廣泛應用于電動機、鐵路、機床主軸、減速機、軋鋼機及運輸機械等領域，在滾動軸承中占有重要地位。

現(xiàn)代圓柱滾子軸承從內部結構到使用材料上都進行了較大的改進，使其使用性能、壽命和可靠性不斷提高。其中，保持架結構、材料的研究和改進設計在一定程度上保證和推動了圓柱滾子軸承技術的發(fā)展。

目前，圓柱滾子軸承保持架按其生產工藝和所用材料主要有沖壓保持架、金屬實體保持架和工程塑料保持架，不同的結構設計及材料的保持架對軸承的使用性能影響很大。因此，文中介紹了各類圓柱滾子軸承保持架的特點，以期為圓柱滾子軸承的設計及選用提供借鑒。

1 沖壓保持架

早期圓柱滾子軸承較多采用沖壓保持架，主要結構有槽形、乙形、M形結構。

沖壓保持架主要用于中小型軸承，強度高，容納的滾子數量多，軸承承載能力強，適于大批量生產，成本較低。早期的沖壓保持架由于加工精度相對較低，導致軸承極限轉速不高，且軸承振動噪聲較大，難以滿足軸承日益提高的性能要求。隨著沖壓保持架技術的不斷發(fā)展，尤其是高速精密沖裁(每分鐘行程數為 200～1 000)、自動化焊接及整形技術的廣泛應用，其應用逐漸擴大，有向大尺寸段發(fā)展和逐步取代實體銅保持架的趨勢。沖壓保持架技術的發(fā)展方向主要在于結構創(chuàng)新，同時新結構的開發(fā)還依賴于保持架材料和工藝裝備水平的提高。

1.1 槽形保持架

槽形沖壓保持架結構如圖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量和更大尺寸的滾子，使軸承獲得較大的額定載荷；但其結構復雜，加工難度大，往往由于結構及尺寸的設計不合理，保持架裝配時在內翻邊上壓鎖點凹穴后，內翻邊和鎖點凹穴等與滾子產生干涉，降低軸承回轉靈活性[1]。

圖1 槽形保持架

為使保持架在裝配時壓鎖點形成凹穴后，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，即對梁向內預壓一個圓弧，以增加其強度并可補償保持架壓鎖點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

乙形保持架結構如圖3所示[2]。保持架兩端面分別向內徑和外徑方向翻邊，梁帶有彎爪(彎爪可以內翻，也可以外翻)，可以鎖住滾子。此保持架結構簡單，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；但保持架強度較差，保持架與滾子接觸摩擦較大，因此，不適用于高速應用工況。

圖3 乙形保持架

1.3 M形保持架

M形保持架結構如圖4所示。該結構保持架采用內彎梁設計，是將滾針軸承M形保持架技術移植到圓柱滾子軸承上的一個成功范例。M形保持架一般采用中心圓或外引導方式，滾子在中心圓附近被引導。軸承運轉過程中，滾子與保持架接觸面積小，降低了滾子軸承的摩擦力矩；同時滾子在軸向與保持架有充分的間隙，有利于保持滾子和潤滑劑的循環(huán)。與槽形和乙形結構相比，M形保持架結構更加簡單，特殊的表面處理可使保持架強度更高，更適于轉速較高、離心力及振動較大以及潤滑不良的應用場合，M形卷焊保持架代表著圓柱滾子軸承沖壓保持架的先進水平。

圖4 M形保持架

2 金屬實體保持架

金屬實體保持架所用材料主要為黃銅、青銅合金，也有鑄鐵和鋼，其結構主要為整體式和分體式2種。

金屬實體保持架在整體結構上主要有分體式和整體式2種，分體式結構的區(qū)別大多在連接方式上；整體式結構的區(qū)別則體現(xiàn)在對軸承摩擦、運轉和承載等性能的改進上。由于分體式保持架需組成整體后實現(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題，因此，隨著工藝技術的進步，整體保持架的應用將會越來越多。金屬實體保持架的技術發(fā)展方向是新材料應用、結構優(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，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。該結構保持架圓柱滾子軸承較為常用，具有低摩擦、低溫升、低噪聲、高強度、易加工等優(yōu)點，適用于高速及重載工況。缺點是鉚釘孔的存在削弱了保持架的強度，且鉚接不當會產生松動。

圖5 分體式支柱鉚接保持架

為解決此結構保持架鉚接松動問題，出現(xiàn)了分體式螺栓連接結構，其鉚釘為帶螺紋結構，如圖6所示。此結構保持架通過螺栓擰緊連接固定兩半保持架，并通過鉚合緊固。

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構圖

分體式支柱鉚接保持架的改進結構如圖7所示。該保持架由兩半對稱的半保持架和支柱組成，半保持架梁長度小于滾子長度的一半，而支柱僅起連接兩半保持架的作用，不與滾子接觸，支柱數量可少于滾子數量。此結構保持架結構簡單、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結構

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，可實現(xiàn)自鉚接，不需鉚釘，如圖8所示。該結構保持架與分體式支柱鉚接保持架結構類似，技術原理和應用特點基本相同，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 長城形保持架

長城形保持架結構如圖9所示。其特點為：1)與分體式保持架相比，加工中省去了最難的鉆孔工序，避免了裝配鉚合時操作不當導致的軸承工作面損傷及軸承使用中鉚釘的松動、斷裂等問題；2)窗孔為單邊開口交替排列結構，滾子可兩邊交替非常方便地裝入保持架；3)結構簡單，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滑。

圖9 長城形保持架

但該結構保持架加工中需注意以下幾個方面：1)由于兜孔需2次定位加工，應加強對保持架節(jié)圓直徑和兜孔垂直度的檢查檢驗，并加以控制；2)滾子數僅為偶數時比較適宜，通用性不強；3)對于雙擋邊中、大型軸承，需在一側擋邊加工裝填滾子缺口[4]。

2.4 分體式帶擋圈保持架

鑒于長城形保持架的缺點，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徑設有環(huán)形槽，彈性擋圈卡入環(huán)形槽，相當于保持架擋蓋。此結構保持架利用彈性擋圈組成整體保持架，不需鉚接，工藝簡單，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，支柱起引導滾子的作用，并通過鉚合將2個擋圈連接成一體，如圖11所示。雙擋圈組合保持架在技術原理和應用特點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，不僅強度更高，而且成本較低。加工中以拉拔代替車削提高生產效率。該結構保持架缺點是與滾子摩擦較大，適用于低精度低轉速要求的場合。

2.6 整體式直窗孔保持架

整體式直窗孔保持架結構如圖12所示。該保持架一般采用外引導或內引導方式，直窗孔帶鎖點以鎖住滾子。與分體式保持架相比，整體式保持架強度較高，工作更加可靠，但加工難度相對較大，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構如圖13所示，由于其過梁內面為圓弧面，便于滾子引導和潤滑，但增加了加工難度。這種結構主要可避免兜孔過梁轉角與滾子發(fā)生干涉，最大程度減小轉角處的應力集中，便于潤滑。

圖13 整體式圓弧角窗孔保持架

該結構保持架可大幅度減小應力集中，具有強度高、工作可靠、摩擦小、振動噪聲低等特點，但窗孔加工難度相對較大，一般需采用數控鉆銑方法加工。相比拉削，加工精度更高，是實體銅保持架結構和加工的主要代表方向。

2.8 內(外)懸梁保持架

內(外)懸梁保持架很好地解決了奇數窗孔保持架等分拉削加工的問題。內懸梁保持架如圖14所示，保持架梁內懸于保持架內徑之內，一般采用外引導。該保持架有以下幾個特點：1)保持架由上、下2個環(huán)形圈與孔梁在環(huán)內徑方向作支承，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，依窗孔等分數制成；5)質量輕，節(jié)約材料，同時可容納更多、更大的滾子，軸承承載能力較高。缺點是保持架梁截面較小，強度不高，不適于沖擊振動應用工況[6]。

圖14 內懸梁保持架

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，穿過空心滾子，另一端焊接到另一保持架擋圈上。有時，在重載應用中，支柱的兩端均需進行焊接。保持架為支柱型設計時，可容納的滾子數量較多，此時承載能力較高，一般用于大型軸承，如軋機軸承[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體保持架結構如圖16所示，該保持架置于兩剖分外圈中心部位的槽中，用齒形圓弧構成滾子兜孔，承裝滾子，弧形兜孔處分別在2個方向設有油孔，使軸承能夠得到較好的潤滑。與常規(guī)實體窗孔保持架相比，這種特殊的保持架結構大大減小了保持架的整體寬度和梁的寬度，最大程度簡化結構，大幅降低質量；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；經過優(yōu)化的梁，改善了滾子引導，并有效降低了應力，保持架動態(tài)性能和強度較好[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個組合使用，相當于一個雙爪保持架徑向切開。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，價格較高。對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構，通過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，其結構類型主要是直窗孔形結構，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，使得塑料保持架具有提高軸承轉速，減振降噪的優(yōu)勢。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，塑料保持架的應用將越來越普遍，在中小型軸承中的應用將成為主流，技術發(fā)展方向主要是新型材料的應用和注塑工藝技術的提升。

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聚酰胺66(PA66-GF25，PA66-GF10)和聚酰胺66(PA66)，具有質量輕、強度高、韌性好、溫度適應范圍廣、價格適中等特點，適合大多數的應用工況，主要應用于中小型軸承。玻璃纖維增強聚酰胺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，提高軸承運轉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 ℃下長期使用，經特殊改性的品種，熱變形溫度可達350 ℃以上，具有低摩擦、低溫升、高強度、高速運轉平穩(wěn)的特點，為長壽命、低發(fā)熱保持架，可延長潤滑及軸承壽命。

3.3 聚醚醚酮(PEEK)保持架

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

目前國內高速軸承已采用PEEK保持架，轉速達3×104r/min，工作溫度范圍為-40～180 ℃，承載能力較高，壽命較長，可以在無油潤滑條件下工作。NTN公司開發(fā)的高速、高剛度、高承載能力的主軸用精密級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，具有突出的強度和韌性、較寬的工作溫度范圍、較高的耐化學腐蝕性能和耐磨性。在高達200 ℃的溫度下，也未顯示出如PA66保持架因溫度和潤滑油添加劑造成的老化跡象，適用于高溫、高速、耐化學侵蝕有嚴格要求的交流發(fā)電機或變壓器等場合[10]。

4 結束語

保持架結構及材料不同對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，但內徑大于150 mm的軸承、高速軸承或要求運轉平穩(wěn)的軸承，需要采用實體保持架(車制實體黃銅保持架成本較高)。在對溫度要求不高的工況條件下，玻璃纖維增強尼龍保持架也被大量采用。

目前，國外沖壓保持架在圓柱滾子軸承上的應用越來越多，創(chuàng)新主要在于結構和加工精度，代表了圓柱滾子軸承保持架的發(fā)展趨勢；而國內整體式金屬實體銅保持架應用較多，主要是由于用戶的使用習慣所致；塑料保持架的應用雖然時間較短，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，而且在改善軸承性能方面顯示出一定的優(yōu)越性，將是未來的發(fā)展趨勢。

另外，沖壓保持架和注塑成型保持架的加工過程屬成形加工，自動化程度和材料利用率較高，但都對加工設備及模具有較高的要求；金屬實體保持架的加工過程多為切削加工，其加工效率及材料利用率較低。隨著電子信息技術的發(fā)展，數控加工技術在保持架加工方面的應用越來越廣泛，同時，以3D打印和材料科學融合的新技術也會帶來軸承保持架設計、制造的一場變革。

未來，圓柱滾子軸承保持架的技術發(fā)展將集中在仿真設計分析、新型材料的應用、結構的優(yōu)化，加工裝備和工藝技術的進步方面，發(fā)展方向是精密、減摩、降噪、節(jié)材，保持架的技術進步將進一步推動圓柱滾子軸承技術質量水平的升級。