圓柱滾子軸承保持架的結構改進

宋利濤

(哈爾濱中盈軸承技術有限公司，哈爾濱 150040)

1 M，EM型保持架結構及缺點

圓柱滾子軸承通常采用M或EM型保持架(銅保持架)。M型保持架用直鉚釘將保持架和擋蓋鉚合在一起，如圖1a所示；EM型保持架靠保持架梁上的凸臺與擋蓋鉚合在一起，如圖1b所示。這2種保持架存在以下缺點：(1)由于滾子與保持架全接觸,因此軸承旋轉時噪聲較大；(2)保持架精度要求較高，兜孔較深，擋蓋較薄易變形，加工難度大；(3)較為費料，材料利用率不到18%；(4)保持架梁與滾子接觸面積較大，因此，摩擦磨損較大，磨損脫落的銅屑有可能進入接觸區，引起軸承早期失效。

圖1 保持架結構對比

2 保持架結構改進

針對上述問題，結合N308圓柱滾子軸承，對保持架結構進行改進。N308軸承保持架為滾子引導(EM)。N308圓柱滾子軸承改進后的保持架結構(簡稱EM1型結構)如圖2所示。該結構將保持架的梁縮短，改為兩“半保持架”的結構。由于保持架不承受軸向力，將2個半保持架用3個(根據軸承型號，可以選擇3個及以上的圓柱銷)圓柱銷(圖3)定位連接鉚合成整體保持架。保持架梁的長度在滾子倒角最大尺寸的基礎上再加3～4 mm。2片保持架的梁可以隔離滾子，保證軸承的平穩運轉。

圖2 N308軸承EM1型保持架

圖3 N308軸承EM1型保持架中的圓柱銷

改進后的保持架有以下優點：(1)滾子與保持架的接觸面積減小，降低了軸承的旋轉噪聲；(2)在保證保持架精度不變的情況下，降低了保持架的加工難度；(3)由于滾子對保持架梁的圓周力及摩擦力減小，使得保持架壽命得到提高；(4)2片保持架之間沒有貫穿梁，使得保持架有更好的散熱性能。(5)保持架梁縮短后，材料利用率從不到18%提高到60%～65%；(6)保持架兜孔鏜孔加工效率提高2倍；(7)保持架制造成本降低30%～35%。

3 保持架工藝分析

3.1 M型工藝過程

鑄造→粗車外圓→粗車內孔、切斷→精車外圓→精車內孔、基準面、倒內角→精車外圓、非基準面、倒內外角→切擋蓋→精車切斷面、倒角→精車擋蓋端面、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→鉆鉚釘孔→倒釘孔角→酸洗→檢驗、包裝。

3.2 EM型工藝過程

鑄造→粗車外圓→粗車內孔、切斷→精車外圓→精車內孔、基準面、倒內角→精車外圓、非基準面、倒內外角→切擋蓋→精車切斷面、內臺階、倒角→精車外臺階、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→精車擋蓋的切斷面、倒角→精車擋蓋槽→車擋蓋槽內、外倒角→擋蓋沖孔→除擋蓋毛刺→酸洗→檢驗、包裝。

3.3 EM1型工藝過程

鑄造→粗車外圓→粗車內孔、切斷→精車外圓→精車內孔、基準面、倒內角→精車外圓、非基準面、倒內外角→精車非基準面槽、倒角→鏜兜孔→除兜孔毛刺→鉆銷孔→倒銷孔角→光飾處理→檢驗、包裝。

3.4 加工工藝分析

M型保持架鏜完兜孔后，還需要將保持架和擋蓋合到一起鉆鉚釘孔并劃裝配線，裝配時，按裝配線鉚合，給裝配操作帶來一定困難，該結構現已逐步被EM型保持架取代。

EM型保持架雖然不用鉆鉚釘孔，但保持架的總體高度增加，需在保持架端面上車出凸臺，并依靠凸臺將擋蓋鉚合；而且擋蓋上的n個錐形孔需加工，增加了沖孔模具。由于保持架高度及車加工工序的增加，使得保持架成本相應增加。

EM1型保持架結構吸取了M型和EM型保持架的優點，在其基礎上增加了車槽、鉆銷孔、倒銷孔角工序。由于EM1型保持架圓柱銷數量比鉚釘數量減少了60%～70%，而且左右2個半保持架相同，裝配時保持架可互換，從而節省了裝鉚釘及鉚合時間，提高了裝配的工作效率。

從以上3種結構保持架的加工工藝可以看出，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，兜孔加工難度較大。此外EM1型保持架加工工藝用振動研磨機取代酸洗進行光飾處理，去除兜孔毛刺，不僅保證了保持架的外觀質量，而且避免了酸洗對環境的污染。

4 保持架有限元仿真分析

使用ANSYS Workbench 軟件分別對M，EM和EM1型保持架進行有限元仿真，分析保持架的強度和性能。

4.1 保持架的CAD建模

在進行保持架CAE仿真之前，首先使用Solidworks軟件建立了3種保持架的三維CAD模型。3種保持架的基本設計參數見表1[1]。

表1 保持架的參數

4.2 保持架的有限元模型 [2-3]

將之前建立好的三維CAD模型導入ANSYS Workbench中，依次進行材質定義、網格劃分，然后施加約束與載荷。網格的類型與數量見表2。

表2 網格類型與數量

保持架梁和擋蓋都為銅合金，圓柱銷為結構鋼，鉚釘為鋁合金，材質具體參數見表3。約束保持架前、后端面垂直端面方向的位移，對保持架施加5 kN的徑向力和1 kN的軸向力，對擋蓋施加一個繞z軸的210 rad/s的轉速(圖4)[4]。

表3 材料的各項指標

圖4 保持架約束和載荷施加情況

對建立好的CAE模型進行仿真，分別輸出了3種保持架的等效應力、應變情況，如圖5和圖6所示。

4.3 結果分析

4.3.1 應力分析

由圖5可知，對于M型保持架，應力分布十分不均，保持架與擋蓋結合處附近的應力偏大，最大應力為5.69 MPa，出現在梁與端面連接的根部，在長期反復的加速沖擊力作用下容易出現失效，對直鉚釘的強度要求較高。EM型保持架的情況與M型類似，但是應力的最大值(4.96 MPa)小于M型保持架，總體結構性能略優于M型保持架。EM1型保持架的最大應力值小于M和EM型保持架，為4.33 MPa，出現在保持架的根部。同時，EM1型保持架對圓柱銷的強度要求較高。

4.3.2 應變分析

由圖6可知，對于M型保持架，應變的分布很不均勻，外側的應變大于內側的應變，最大值為51.8 μm。EM型與EM1型保持架的最大應變值都遠小于M型，其中EM1型保持架的應變分布更為均勻，性能優于EM型保持架。

仿真分析可知，EM1型保持架的性能要明顯優于M和EM型保持架。

5 結束語

設計的EM1型保持架與M，EM型保持架相比，減少了2～5道工序，降低了兜孔的加工難度，明顯減少了鉚釘鉚合時間，提高了裝配效率和材料利用率。有限元分析表明，EM1型保持架的性能優于M，EM型保持架。目前，裝有該結構保持架的N308軸承在紙板機上已穩定運轉了4個多月，滿足了設備正常運行的要求，下一步將積極推廣使用，以獲得更多的實際使用效果。