一種新型單列圓錐滾子軸承

陳懷剛，宗曉明，熊非，梁興江，趙圣卿

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039，4.北京控制工程研究所，北京 100094)

圓錐滾子軸承屬于可分離型軸承，由帶滾子與保持架組件的內圈組成的圓錐內圈組件與圓錐外圈組成[1]，可分開安裝。單列圓錐滾子軸承內圈上有大小2個擋邊，小擋邊主要作用為鎖住滾子與保持架，保證內組件不分離。擋邊雖能起到內組件組合的作用，但會使內滾道縮短，軸承的空間不能充分利用，且擋邊部位常出現淬火裂紋，在使用中常有掉塊現象。此外，由于小擋邊的存在，內組件在組裝過程中，需增加保持架的擴張與組裝收縮工序。

因此，對傳統型圓錐滾子軸承的結構進行改進，取消了內圈上的小擋邊，改變了保持架的結構，但仍能保證內組件的自鎖，新型單列圓錐滾子軸承具有節約材料、裝配方便、無淬火裂紋、加工方便等優勢，具有較大的實用價值。

1 結構改進

傳統型和新型的圓錐滾子軸承結構示意圖如圖1所示。由圖可知，改進后圓錐滾子軸承的內圈小擋邊被取消，大擋邊部位增加凸緣，保持架下端增加內彎邊，彎邊與內圈凸緣配合，滾子長度增加。取消小擋邊后，內圈不再具有限制滾子軸向移動的作用，但保持架大端增加的內彎邊與內圈大擋邊凸緣帶有一定的鎖量，起限制滾子軸向移動的作用，同樣能實現內組件的一體性。

1—外圈；2—滾子；3—保持架；4—內圈(a)傳統型1—外圈；2—滾子；3—保持架；4—內圈(b)新型圖1 圓錐滾子軸承結構示意圖Fig.1 Structure diagram of tapered roller bearing

2 結構改進對加工及裝配的影響

與傳統型圓錐滾子軸承相比，新型圓錐滾子軸承的內圈與保持架結構均發生了變化，滾子長度增加，外圈結構無變化，滾子與外圈加工工藝成熟。主要討論結構改進對內圈及保持架的加工性能的影響。此外，由于結構改進，對圓錐滾子軸承的裝配過程也影響較大。

2.1 對內圈加工的影響

傳統的圓錐滾子軸承內圈車加工因小擋邊的阻礙作用，滾道部分需采用樣板車刀加工，小擋邊取消后，滾道由封閉狀態變為半封閉狀態，用普通車刀即可完成滾道加工，費用降低，加工效率提高；并且在后續滾道磨加工和超精加工過程中，可由切入磨削改為橫向、縱向磨削，不僅可以提高加工效率和滾道精度，而且簡化了加工工藝。熱處理工序中，消除了由于小擋邊的存在而產生裂紋的缺陷，提高了成品率。

2.2 對保持架加工的影響

傳統型和新型圓錐滾子軸承保持架結構示意圖如圖2所示。

保持原有尺寸不變，在保持架大端加內彎邊，使其與內圈大擋邊實現鉤連，保證保持架將滾子與內圈組成不可分離的組件，由于結構上增加了內彎邊，保持架加工工藝改變。

傳統型圓錐滾子軸承保持架加工工藝流程為[2]：切料成形→切底→沖窗孔→壓坡→車端面→車內徑；新型圓錐滾子軸承保持架加工工藝為：切料成形→切底→沖窗孔→壓坡→初彎邊→終彎邊→車端面→車內徑。改進后的保持架加工工序中增加了彎邊工序，該工序通過初彎邊和終彎邊2套模具實現，模具結構如圖3所示。由圖可知，2套模具結構類似，僅壓彎凸模結構不同，初彎邊模具中凸模與保持架接觸部位為斜坡形，實現預彎曲，定位凹模為多齒結構，依靠齒尖頂緊窗孔邊緣定位，其目的在于防止預彎邊過程中壓力過大，造成窗孔的變形。終彎邊模具中彎邊凸模與保持架接觸部位為凸臺結構，凸平直邊實現保持架的彎邊，凸臺側邊實現保持架的徑向定位，防止因壓力過大造成保持架的徑向變形，定位凹模結構與初彎邊模具相同。

圖2 圓錐滾子軸承保持架結構示意圖

1—初彎上模；2—定位凹模；3—底座(a)初彎邊1—終彎上模；2—定位凹模；3—底座(b)終彎邊

2.3 對裝配的影響

傳統的圓錐滾子軸承裝配過程需要保持架進行擴張與收縮，保持架經沖壓成形后，還要對窗孔之間的梁在靠近小端的位置進行擴張，使內圈小擋邊外徑容易通過已裝入保持架的滾子小端。因為未擴張時，裝入保持架內滾子小端面的內切圓直徑比內圈小擋邊外徑小得多。當裝入滾子之后，利用模具把保持架再收縮到未擴張前的尺寸和形狀。未收縮的保持架，雖然滾子及內圈暫時不會掉落，但保持架窗孔不能按要求正確引導滾子，滾子在滾道中運行不穩定。裝配時，把內圈放入已裝好滾子的保持架中，在壓力機上利用收縮模具收縮保持架的窗孔與窗孔之間的梁，使保持架的形狀還原，使其正確引導滾子，同時防止內圈掉落。

結構改進后，通過保持架與內圈的自鎖實現內組件的一體性，取消內圈小擋邊后，裝配過程中滾子小端面進入內圈將不受阻礙，因此保持架在裝配前不需要擴張工序，省去了保持架擴張模具及相關沖壓設備，內組件的裝配模具也大大簡化。傳統的圓錐滾子軸承內組件收縮模具及凹模結構分別如圖4、圖5所示。凹模結構為直線與圓弧過渡，且帶錐度，避開了滾子，實現保持架的收縮，但加工困難。結構改進后，內組件裝配時，不再需要保持架的收縮，僅需將內圈放入裝好滾子的保持架中，施加外力，保證保持架彎邊與內圈大端凸緣相扣合，即完成內圈組件的組裝。結構改進后的圓錐滾子軸承內組件裝配模具與凹模結構如圖6、圖7所示，與傳統裝配模具相比，結構更簡單，凹模制造難度降低。

1—凸模；2—內圈；3—滾子；4—保持架；5—凹模圖4 傳統圓錐滾子軸承收縮模具結構示意圖

圖5 傳統圓錐滾子軸承凹模結構示意圖

1—凸模；2—內圈；3—滾子；4—保持架；5—凹模圖6 新型圓錐滾子軸承裝配模具結構示意圖

圖7 新型圓錐滾子軸承凹模結構示意圖

3 結構改進對軸承承載能力的影響

取消內圈小擋邊后，增加了內圈滾道長度，從而可適當增加滾子長度，有利于提高承載能力。根據GB/T 6391—2010《滾動軸承 額定動載荷和額定壽命》，可得[3-4]

(1)

Lwe=(L-r-r1)/cosα，

式中：Cr為軸承基本額定動載荷;bm為關于當前常用材料和加工質量的額定系數，該值隨軸承類型和設計不同而異，理想bm=1.1;fc為取決于軸承零件的幾何形狀、制造精度和材料的系數;α為接觸角;Lwe為滾子的有效長度;L為滾子母線的投影長度;r，r1分別為滾子大、小兩端軸向倒角的尺寸;Z為滾子個數;Dwe為滾子的平均直徑。

由(1)式可知，當滾子長度由L1增加到L2后，基本額定動載荷變化為

(2)

式中：Cr1,Cr2分別為長度增加前、后的額定動載荷。

以32216軸承為例，傳統型和新型2種圓錐滾子軸承的主要結構參數見表1。

表1 結構參數及額定動載荷

由表1可知，結構改進后，滾子長度增加了1.5 mm，額定動載荷增加了9 kN，有效提高了承載能力。

4 結論

1)內圈無小擋邊的新型圓錐滾子軸承結構消除了傳統結構在熱處理及裝配過程中出現在小擋邊的裂紋及掉塊現象，且加工簡單。

2)該新型圓錐滾子軸承用保持架在裝配前不需要擴張，裝配過程中不再進行收縮，簡化了裝配工藝。

3)該新型圓錐滾子軸承增加了滾子長度，提高了承載能力。