圆柱滚子轴承保持架的结构改进

宋利涛

(哈尔滨中盈轴承技术有限公司，哈尔滨 150040)

1 M，EM型保持架结构及缺点

圆柱滚子轴承通常采用M或EM型保持架(铜保持架)。M型保持架用直铆钉将保持架和挡盖铆合在一起，如图1a所示；EM型保持架靠保持架梁上的凸台与挡盖铆合在一起，如图1b所示。这2种保持架存在以下缺点：(1)由于滚子与保持架全接触,因此轴承旋转时噪声较大；(2)保持架精度要求较高，兜孔较深，挡盖较薄易变形，加工难度大；(3)较为费料，材料利用率不到18%；(4)保持架梁与滚子接触面积较大，因此，摩擦磨损较大，磨损脱落的铜屑有可能进入接触区，引起轴承早期失效。

图1 保持架结构对比

2 保持架结构改进

针对上述问题，结合N308圆柱滚子轴承，对保持架结构进行改进。N308轴承保持架为滚子引导(EM)。N308圆柱滚子轴承改进后的保持架结构(简称EM1型结构)如图2所示。该结构将保持架的梁缩短，改为两“半保持架”的结构。由于保持架不承受轴向力，将2个半保持架用3个(根据轴承型号，可以选择3个及以上的圆柱销)圆柱销(图3)定位连接铆合成整体保持架。保持架梁的长度在滚子倒角最大尺寸的基础上再加3～4 mm。2片保持架的梁可以隔离滚子，保证轴承的平稳运转。

图2 N308轴承EM1型保持架

图3 N308轴承EM1型保持架中的圆柱销

改进后的保持架有以下优点：(1)滚子与保持架的接触面积减小，降低了轴承的旋转噪声；(2)在保证保持架精度不变的情况下，降低了保持架的加工难度；(3)由于滚子对保持架梁的圆周力及摩擦力减小，使得保持架寿命得到提高；(4)2片保持架之间没有贯穿梁，使得保持架有更好的散热性能。(5)保持架梁缩短后，材料利用率从不到18%提高到60%～65%；(6)保持架兜孔镗孔加工效率提高2倍；(7)保持架制造成本降低30%～35%。

3 保持架工艺分析

3.1 M型工艺过程

铸造→粗车外圆→粗车内孔、切断→精车外圆→精车内孔、基准面、倒内角→精车外圆、非基准面、倒内外角→切挡盖→精车切断面、倒角→精车挡盖端面、倒角→镗兜孔→除兜孔毛刺→钻铆钉孔→倒钉孔角→酸洗→检验、包装。

3.2 EM型工艺过程

铸造→粗车外圆→粗车内孔、切断→精车外圆→精车内孔、基准面、倒内角→精车外圆、非基准面、倒内外角→切挡盖→精车切断面、内台阶、倒角→精车外台阶、倒角→镗兜孔→除兜孔毛刺→精车挡盖的切断面、倒角→精车挡盖槽→车挡盖槽内、外倒角→挡盖冲孔→除挡盖毛刺→酸洗→检验、包装。

3.3 EM1型工艺过程

铸造→粗车外圆→粗车内孔、切断→精车外圆→精车内孔、基准面、倒内角→精车外圆、非基准面、倒内外角→精车非基准面槽、倒角→镗兜孔→除兜孔毛刺→钻销孔→倒销孔角→光饰处理→检验、包装。

3.4 加工工艺分析

M型保持架镗完兜孔后，还需要将保持架和挡盖合到一起钻铆钉孔并划装配线，装配时，按装配线铆合，给装配操作带来一定困难，该结构现已逐步被EM型保持架取代。

EM型保持架虽然不用钻铆钉孔，但保持架的总体高度增加，需在保持架端面上车出凸台，并依靠凸台将挡盖铆合；而且挡盖上的n个锥形孔需加工，增加了冲孔模具。由于保持架高度及车加工工序的增加，使得保持架成本相应增加。

EM1型保持架结构吸取了M型和EM型保持架的优点，在其基础上增加了车槽、钻销孔、倒销孔角工序。由于EM1型保持架圆柱销数量比铆钉数量减少了60%～70%，而且左右2个半保持架相同，装配时保持架可互换，从而节省了装铆钉及铆合时间，提高了装配的工作效率。

从以上3种结构保持架的加工工艺可以看出，M和EM型保持架比EM1型保持架多出2～5道工序，而且兜孔加工也比EM1型深，兜孔加工难度较大。此外EM1型保持架加工工艺用振动研磨机取代酸洗进行光饰处理，去除兜孔毛刺，不仅保证了保持架的外观质量，而且避免了酸洗对环境的污染。

4 保持架有限元仿真分析

使用ANSYS Workbench 软件分别对M，EM和EM1型保持架进行有限元仿真，分析保持架的强度和性能。

4.1 保持架的CAD建模

在进行保持架CAE仿真之前，首先使用Solidworks软件建立了3种保持架的三维CAD模型。3种保持架的基本设计参数见表1[1]。

表1 保持架的参数

4.2 保持架的有限元模型 [2-3]

将之前建立好的三维CAD模型导入ANSYS Workbench中，依次进行材质定义、网格划分，然后施加约束与载荷。网格的类型与数量见表2。

表2 网格类型与数量

保持架梁和挡盖都为铜合金，圆柱销为结构钢，铆钉为铝合金，材质具体参数见表3。约束保持架前、后端面垂直端面方向的位移，对保持架施加5 kN的径向力和1 kN的轴向力，对挡盖施加一个绕z轴的210 rad/s的转速(图4)[4]。

表3 材料的各项指标

图4 保持架约束和载荷施加情况

对建立好的CAE模型进行仿真，分别输出了3种保持架的等效应力、应变情况，如图5和图6所示。

4.3 结果分析

4.3.1 应力分析

由图5可知，对于M型保持架，应力分布十分不均，保持架与挡盖结合处附近的应力偏大，最大应力为5.69 MPa，出现在梁与端面连接的根部，在长期反复的加速冲击力作用下容易出现失效，对直铆钉的强度要求较高。EM型保持架的情况与M型类似，但是应力的最大值(4.96 MPa)小于M型保持架，总体结构性能略优于M型保持架。EM1型保持架的最大应力值小于M和EM型保持架，为4.33 MPa，出现在保持架的根部。同时，EM1型保持架对圆柱销的强度要求较高。

4.3.2 应变分析

由图6可知，对于M型保持架，应变的分布很不均匀，外侧的应变大于内侧的应变，最大值为51.8 μm。EM型与EM1型保持架的最大应变值都远小于M型，其中EM1型保持架的应变分布更为均匀，性能优于EM型保持架。

仿真分析可知，EM1型保持架的性能要明显优于M和EM型保持架。

5 结束语

设计的EM1型保持架与M，EM型保持架相比，减少了2～5道工序，降低了兜孔的加工难度，明显减少了铆钉铆合时间，提高了装配效率和材料利用率。有限元分析表明，EM1型保持架的性能优于M，EM型保持架。目前，装有该结构保持架的N308轴承在纸板机上已稳定运转了4个多月，满足了设备正常运行的要求，下一步将积极推广使用，以获得更多的实际使用效果。