圆柱滚子轴承保持架优化设计

公平，张静静，刘海波，张瑞生

(中航工业哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150000)

据失效案例分析统计，保持架疲劳断裂已逐渐成为轴承严重失效形式之一[1]，特别是中大型主轴轴承。实体保持架的受力较为复杂，主要有滚子对保持架的作用力、套圈引导挡边面对保持架的作用力以及非引导挡边面的阻力等。

由保持架和滚动体运动的不稳定性造成的高周疲劳使保持架发生断裂，其一般都发生在兜孔过梁位置。在轴承运转过程中，当滚动体的公转速度与保持架的转速不一致时，滚动体与保持架将发生碰撞[3]。而这种动态运动是无法避免的，因此，应最大程度上保证保持架的强度，特别是对于容易发生应力集中的兜孔过梁拐角处的设计，对于延缓保持架的破坏时间，延长轴承寿命将至关重要。

1 轴承保持架结构设计改进

某型圆柱滚子轴承保持架的几何尺寸见表1，40CrNiMoA材料特性见表2。结构改进前兜孔过梁过渡处采用小圆角设计，过渡圆角半径最大为0.2 mm。为减小应力集中，设计了2种改进结构，一是将圆角半径增大到0.8 mm，二是将兜孔结构更改为带有越程槽的结构。改进前、后的结构如图1所示(图中单位均为mm,最大是指加工允许的最大值)。

表1 某型圆柱滚子轴承保持架相关几何参数

表2 保持架材料特性

图1 改进前、后兜孔结构及尺寸示意图

2 有限元分析

2.1 建模

根据保持架的结构参数，先后建立保持架兜孔结构改进前、后的单个兜孔的三维模型，如图2所示。

图2 单个兜孔结构三维模型建立

2.2 网格划分

将上述模型导入ANSYS中，采用SOLID186单元对上述实体进行网格划分，对过梁连接处的圆角或越程槽结构进行细化，分别如图3和图4所示。

图3 兜孔结构过梁圆角网格划分

图4 兜孔过梁越程槽网格划分

2.3 施加约束与载荷

滚子采用部分凸度的修形方式，为模拟圆柱滚子对保持架的冲击力，对保持架兜孔过梁处一组节点构成的接触线施加线载荷， 接触线长度与滚子设计时有效长度相等，为7.8 mm,此分析旨在研究同样载荷条件下的过梁连接处结构应力，因此，取法向载荷1 170 N，约束上下端面，如图5所示。

图5 兜孔的载荷与约束

2.4 结果分析

结构改进前、后的保持架兜孔应力云图如图6～图8所示，由图可知，在同一约束和载荷条件下，应力最大值均在保持架的过梁拐角处。虽然3种结构过梁处的应力值均小于材料的屈服极限815 MPa，但具有差异性, 其不同结构下保持架过梁处最大接触应力见表3。改进后的两方案均较大幅度地减小了兜孔过梁处的最大应力。

图6 改进前兜孔过梁应力分析云图

图7 改进方案1兜孔过梁应力分析云图

图8 改进方案2兜孔过梁应力分析云图

表3 不同结构下保持架过梁处最大接触应力

3 加工方式与效果对比

保持架兜孔过梁拐角处若采用圆角过渡，传统加工方式采用拉床拉削；若更改为越程槽结构，则可采用加工中心进行钻铣加工，越程槽部分采用钻头钻削，兜孔工作表面采用铣刀加工。

经测试表明，方案2加工质量稳定性高于方案1，且可以明显提高保持架兜孔加工精度和表面质量，其具体测试数值见表4，又由于方案2结构更便于储油和润滑，故确定其为最终改进结构。

表4 保持架加工精度对比

4 结束语

1)保持架薄弱环节主要在兜孔过梁处，其设计是不可忽略的环节，因此在保持架结构设计时，既要保证兜孔过梁转角不与滚子发生干涉，又要使过渡结构的设计能够最大程度的减缓应力集中，有利于润滑。

2)从越程槽结构兜孔与增大圆角过渡结构兜孔的对比分析可以看出，2种结构均可大幅度减缓应力集中，效果相似，但钻铣方式加工的精度明显高于拉削加工。

3)选用越程槽结构不但可以大幅度减少应力集中且易于保证加工精度，适用于圆柱滚子轴承保持架兜孔结构的改进设计。