浅兜孔浪形保持架的设计

蔡亚新，蔡康宁

(1.沛弗埃(上海)贸易有限公司，上海 201201；2.西安工程大学，西安 710016)

在径向载荷较大、转速较高工况下，深沟球轴承需要装入更多的钢球。这时，不能采用传统浪形保持架，通常采用S形保持架，但S形保持架只能装偶数粒钢球。为解决装奇数钢球的问题，设计了支柱式铆钉浅兜孔浪形保持架，可比一般浪形保持架多装2～4粒钢球。下面对支柱式铆钉浅兜孔浪形保持架的设计进行介绍。

1 保持架的结构

支柱式铆钉浅兜孔浪形保持架如图1所示。该保持架是由两半兜孔较浅的浪形保持架和一组支柱式铆钉组成，装配时通过两套专用的铆合胎模铆合成一组完整的保持架。由于轴承内钢球数量较多，钢球之间间隙较小，铆钉一般采用钢板冲压片状结构，如图2所示。

图1 支柱式铆钉浅兜孔浪形保持架

图2 钢板冲压支柱式铆钉

2 保持架的设计

浅兜孔浪形保持架的保持架钢板厚度S、保持架宽度Bc、保持架兜孔中心圆公称直径Dcb、保持架内径dc、保持架外径Dc及钢球直径Dw等均参照洛阳轴承研究所有限公司ZYB2—89《深沟球轴承设计方法》进行设计，尺寸参数一般应与同一外形尺寸的深沟球轴承浪形保持架相同。

2.1 兜孔球面半径Rc的计算

由于保持架兜孔较浅，为了减小钢球在兜孔内圆周方向的相对窜动量，兜孔球面半径Rc值不宜太大，其为

Rc=0.5Dw+εc，

式中：εc值按钢球直径取0.1～0.2 mm。

2.2 兜孔深度K的选取

如图3所示，在保证保持架铆钉孔所在的平面足够大、不影响铆钉铆合的前提下，保持架兜孔深度K值应尽量大。即

图3 浅兜孔浪形保持架局部示意图

EF≥S′+2rc+2×0.3，

(1)

式中：S′为铆合后铆钉头的宽度；rc为兜孔圆角半径。

在△O′B′C中，B′C=Rc+S，O′C=Rc+S-K，则

O′B′=(B′C2-O′C2)1/2=

[2K(Rc+S)-K2]1/2。

由图中几何关系可知

OO1=Dcbsin (π/Z),

EF=OO1-2O′B′=

Dcbsin (π/Z)-2[2K(Rc+S)-K2]1/2。

(2)

把(2)式代入(1)式得

[2K(Rc+S)-K2]1/2≤[Dcbsin (π/Z)-S′-2Rc-0.6]/2,

(3)

根据(3)式计算K的最大值(K值应尽量取大)。

2.3 兜孔圆角半径rc的选取

rc值在工艺允许的条件下尽量取小，应随板厚而变动，一般rc≤1.0 mm。

2.4 铆钉孔中心圆直径Dcb1的选取

Dcb1=Dcb。

2.5 相邻两兜孔或两铆钉孔中心距c的选取

c=Dcbsin (π/Z),

c的允差在工艺许可的条件下应尽量取小，以减小两半保持架铆合后的错位，避免铆钉的歪斜造成夹球。

3 支柱式铆钉的设计

支柱式铆钉采用钢板冲压而成，要求铆合时稳定可靠，弯曲变形量小。一般铆钉钢板的厚度Sm=S，有时为了增大铆钉的抗弯截面模量，取减小铆合时铆钉的弯曲变形，在条件允许时Sm也可大于S。

为了最大限度提高铆钉的抗弯截面模量，铆钉宽度Bm略小于保持架宽度，Bm=Bc-(0.2～0.3) mm。

铆合前铆钉头宽度为

bm=Bm/3,

铆合后铆钉头宽度为

b′=bm+(0.5～0.7) mm，

铆合后铆钉头厚度为

S′=Sm+(0.5～0.7) mm，

铆合后铆钉头高度为

h′=S+(0.8～1.2) mm。

铆合前铆钉头高度为

hm=S′b′h′/(Smbm)，

铆钉支柱部分高度为

H=Dw+2ε-2K,

式中：ε为钢球与保持架之间轴向间隙量的一半，ε=(1/4～1/3)εc。

铆钉总高度为

Hm=H+2hm。

保持架铆钉孔与铆钉之间配合间隙量δ=0.05～0.15 mm，在铆钉孔等分精度较高的情况下，δ应尽量小。

4 相关验算

4.1 钢球在保持架兜孔中的接触角

图4 钢球在兜孔内的接触情况

4.2 铆钉铆压时的压缩变形量

支柱式铆钉抗压刚度较小，在铆压时会产生压缩变形，而浅兜孔浪形保持架与钢球之间轴向间隙较小，铆钉铆压变形后极易导致间隙过小甚至夹球，造成轴承回转不灵活等现象，因此有必要对铆钉铆合压缩量Δl进行验算。Δl应满足Δl<ε，否则应加大Sm或ε值。

铆钉铆合压缩量Δl为

Δl=FH/(EA),

式中：F为每根铆钉所受压力，F=T/Z，T为铆压压力机公称压力，Z为铆钉数；E为拉压弹性模量，对于碳钢E=186～216 GPa；A为铆钉横截面面积，A=BmSm。

4.3 铆钉铆合时的稳定性

支柱式铆钉在铆合压力的作用下如果因为失稳而产生弯曲变形，也会造成保持架夹球、轴承回转不灵活等。因为铆钉在厚度方向弯曲的柔度最大，所以只需对铆钉在厚度方向的稳定性进行校核。铆钉在刚度较小的厚度方向弯曲的柔度为

λ=μH/i,

式中：λ为柔度；μ为高度系数；i为惯性半径；J为铆钉在厚度方向的惯性矩。

由于铆钉较短，其柔度一般都小于对应材料屈服极限的柔度，故铆钉为小柔度杆，所以铆钉失稳的临界应力为σlj=σs。则对铆钉进行压杆稳定性校核的公式为

nw=σlj/σ工作≥[nw] ,

式中：nw为铆钉铆压时的实际稳定安全系数；[nw]为规定的稳定安全系数，一般取1.8～3.0；σ工作为铆钉的工作应力。如果计算结果不满足以上条件，说明铆钉铆合时稳定性不足，应通过加大铆钉厚度Sm来提高其稳定性。

5 结束语

浅兜孔浪形保持架整体刚性较差，在铆合时易产生铆钉变形、两半保持架错位等问题，所以在设计时要合理选择铆钉和保持架参数，并进行相关验算，以免出现轴承夹球及回转不灵活等现象。