高载荷圆锥滚子轴承的设计

陈亚军

（甘肃机电职业技术学院，甘肃 天水 741000）

1 标准圆锥滚子轴承结构分析

标准圆锥滚子轴承结构如图1所示，属于分离型轴承。圆锥滚子轴承因其结构的特殊性，可以承受较大的径向载荷和单一方向的轴向载荷。单列圆锥滚子轴承由内、外圈、保持架和多个圆锥滚子组成。按照文献[1]对圆锥滚子轴承外形尺寸标准的规定，标准型号的圆锥滚子轴承外圈或内圈组件均应具备完全互换性。

图1 标准圆锥滚子轴承结构

单列圆锥滚子轴承的承载能力与轴承材料及相关设计尺寸有关，随滚子母线有效长度的增大而增大。所以，只要能适当增大滚子母线有效长度，便可提高圆锥滚子轴承承载能力。分析标准圆锥滚子轴承结构知，轴承内圈上有大小两处挡边，大挡边内侧面承受圆锥滚子的挤压应力，为主要受力面。小挡边与在滚子轴承工作过程中不接触，只为锁住保持架与滚子而设计[2]。故只要保持架与滚子能自锁，小挡边便可去掉，同时圆锥滚子有效空间增大，长度便可加长。如此可简化轴承结构，便于生产制造；同时可提升轴承承载能力，延长轴承使用寿命。

2 圆锥滚子轴承结构改进设计

在确保轴承力学及使用性能不降低、不改变轴承关键尺寸的前提下，对其结构做如下改进。

（1）改进内圈结构。首先在内圈大端面外径处加工一小尺寸凸台，接着去掉轴承内圈小挡边，将内滚道面延长为圆锥面。此时，内滚道面形状将简化，制造工序也将减少，同时轴承生产成本随着降低。同时，大挡边厚度a可向内侧加厚，此时大挡边所受弯曲应力σb及剪切应力τ为[3]：

由上式知，随着的增大，大挡边所受应力减小，大挡边强度将会提高。

（2）改进保持架结构。为锁住保持架与滚子，在保持架的大端设计环形端盖，将此端盖扣在内圈大端面凸台上，限制滚子与保持架的轴向移动，解决其轴向自锁要求。

（3）增大滚子母线有效长度。随着小挡边的去除，滚子沿内滚道小端方向的空间将会增大，可将滚子母线有效长度在不超出内外滚道面的前提下依轴承型号尺寸适当延长。依据帕姆格林和德隆伯格理论及国标 ISO/1990，轴承基本额定动载荷 Cr为[4，5]：

式中：Lwe——滚子母线的有效长度。

可见，随着Lwe的增大，轴承基本额定动载荷Cr也将提高。标准圆锥滚子轴承完成以上结构改进设计后，所得高载荷圆锥滚子轴承设计结构如图2所示。

图2 高载荷圆锥滚子轴承结构

3 结论

随着标准圆锥滚子轴承结构的改进，轴承结构形状将简化，加工成本将会降低。同时，大挡边强度及轴承基本额定动载荷都将提高，轴承寿命必将延长。