圓柱滾子軸承沖壓保持架結構發展及趨勢

李超強，楊金才，扈文莊，曲紅利，劉揚

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.洛陽達能軸承有限公司，河南 洛陽 471031；3.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

圓柱滾子軸承(或稱為單列圓柱滾子軸承、短圓柱滾子軸承)滾子與滾道為線接觸，相對球軸承的承載能力更高，在機床主軸、運輸機械、減速機、壓縮機等領域有廣泛應用。軸承類型包括NU(外圈雙擋邊、外圈無擋邊)，N(內圈雙擋邊、外圈無擋邊)，NJ(外圈雙擋邊、內圈單擋邊)，NF(內圈雙擋邊、外圈單擋邊)，NUP(外圈雙擋邊、內圈帶平擋圈)，NJ+HJ(外圈雙擋邊、內圈帶L形斜擋圈)，LSL(帶盤式保持架),ZSL(帶隔片式保持架)以及滿裝滾子、無外圈、無內圈等多種結構。為了滿足不同結構類型、不同材料圓柱滾子軸承的使用要求，保持架的結構類型、材料也有很大的變化，保持架的研究進展確保了圓柱滾子軸承技術的發展進步。

1 沖壓保持架結構及特點

圓柱滾子軸承沖壓保持架包括乙形、筒形、槽形、組合保持架、M形以及M形帶端鎖、筒形帶端鎖等各種結構改進型保持架。

沖壓保持架的最大特點是：強度高，可采用更長、直徑更大的滾子，承載能力大；重量輕,極限轉速高；工藝、設備成熟條件下加工效率高，相對銅保持架成本更低。

圓柱滾子軸承沖壓保持架國外用材料一般為冷軋鋼，如DC01，SPCC等，國內采用優質碳素結構鋼薄鋼板，如08F，08，10F，10鋼等，達到GB/T 28268—2012《滾動軸承 沖壓保持架技術條件》標準規定的力學和工藝性能即可，少部分采用08AL，10AL、不銹鋼、黃銅、彈簧鋼等[1]。

2 沖壓保持架的結構發展

2.1 乙形保持架

圓柱滾子軸承最先采用的是乙形保持架(圖1)，最初采用外彎爪，逐漸又改制了內彎爪，由梁上的彎爪鎖住滾子。該保持架結構相對簡單，裝配方便，能夠滿足通用圓柱滾子軸承的使用需求。但是乙形保持架受結構限制，不能增加滾子數量，會影響軸承承載能力和壽命；且模具結構復雜，制造繁瑣，當尺寸精度要求較高時不能滿足使用條件。其早在20世紀90年代就已經接近淘汰。因此，在JB/T 10337—2002《滾動軸承零件 沖壓保持架 技術條件》中未將其列入圓柱滾子沖壓保持架類型中，雖然該類保持架至今仍有部分生產和使用，但已經不是主流。

圖1 乙形保持架Fig.1 Z-shaped cage

2.2 筒形保持架

筒形保持架(圖2)是乙形保持架的優化結構，其窗孔改為成形壓坡，代替乙形的彎爪，裝配時通過裝配模將保持架梁向內壓靠，鎖住滾子。其結構更加簡單，沖壓工藝性好，制造精度更高，裝配容易[2-3]。

圖2 筒形保持架Fig.2 Cylinder-shaped cage

2.3 槽形、雙端蓋組合保持架

為克服乙形保持架的缺點，出現了槽形保持架[4-7]和雙端蓋組合保持架[8]，這2種結構保持架是目前最廣泛采用的圓柱滾子軸承沖壓保持架，新的GB/T 28268—2012中也僅列出了這2個類型。

槽形保持架(圖3)可以最大限度地增加滾子長度及滾子數量，從而提高軸承的承載能力和壽命。但槽形保持架結構和制造工藝復雜，加工難度大，特別是裝配鎖點的成形較為困難；裝配時不但需要合適的裝配模具，且內翻邊和鎖點容易與滾子干涉(夾滾子)。槽形保持架存在的這些問題幾乎都與模具、工裝有關，由于模具結構和精度問題，導致產品的幾何精度差，使用中出現各種問題。目前槽形保持架在國外圓柱滾子軸承上大量使用，但國內卻遇到瓶頸，使用受限。

圖3 槽形保持架Fig.3 Groove-shaped cage

組合式保持架(由于擋圈、支柱均為沖壓、冷拔件，歸類為沖壓保持架)由支柱和擋圈鉚接組成，結構如圖4所示。可以形成滾子和保持架組件，該保持架便于儲油潤滑，生產效率高，但結構強度受支柱的影響，且支柱與滾子的摩擦較大，不適用于高速工況。

圖4 雙擋圈組合保持架Fig.4 Double closing ring combination cage

2.4 M形保持架

M形保持架(圖5)是借鑒了滾針軸承K形保持架的結構發展而來的，其優點是：滾子與保持架接觸面積小，軸承摩擦力矩降低；同時,滾子在軸向與保持架有充分的間隙，因此有利于保持滾子和潤滑劑的循環。與槽形和乙形結構相比，M形保持架結構更簡單，特殊的表面強化處理可使保持架強度更高，適用于轉速較高，離心力和振動較大以及潤滑不良的場合。

圖5 M形保持架Fig.5 M-shaped cage

2.5 帶端鎖M形、筒形保持架

帶端鎖M形保持架(圖6)具有原M形保持架的各項優點，更重要的是，其可以單獨與滾子組成組件，裝配時將滾子端面凹穴推入鎖點即可，裝配更為方便[9]。

圖6 M形帶端鎖保持架Fig.6 M-shaped cage with end lock

某型帶端鎖筒形保持架[10]結構如圖7a所示。該保持架是一種新型結構，其兜孔為圓角矩形，兜孔上沿圓周方向相對應的兩側面均為斜面，且兩斜面之間的開口距離沿保持架的徑向方向逐漸變大；兜孔相對應兩斜面的延長線形成的夾角α為28°；斜面外側邊與保持架內圓周面之間的垂直距離h為1.5 mm(圖7b)；兜孔兩側面上分別設有弧形或直角形槽口。

圖7 筒形帶端鎖保持架Fig.7 Cylinder-shaped cage with end lock

該保持架在兜孔內設置槽口，使得保持架在裝配時容易塑性變形產生壓點，進而鎖住滾子端面，裝配更加容易；可以實現乙形、M形保持架的自鎖功能，使滾子加長，直徑更大，承載能力更大；相比原筒形保持架更容易保證幾何精度，降低軸承噪聲。

2.6 小結

圓柱滾子軸承沖壓保持架的結構隨著沖壓模具和材料技術的不斷發展而改變，目前國內各類沖壓保持架都有應用，未形成明顯的替代趨勢，逐漸向承載能力和壽命更高(容納更長、直徑更大的滾子)，結構簡單實用(更容易保證幾何精度)，加工工藝性好(模具更易制作)，裝配方便(裝配模具簡單或不需要裝配模)的方向發展。

3 沖壓保持架發展趨勢

目前國內圓柱滾子軸承沖壓保持架技術發展相對緩慢，主要有幾個原因：1)軸承設計相對落后，對保持架不夠重視，認為保持架這個輔助件的精度和軸承的精度相差太大，能用、不出問題即可，保持架結構類型和制造方法沒有深入研究；2)市場對沖壓保持架的認識度不夠，得不到用戶的認可，同等使用條件下能用更貴一點的銅保持架而不用鋼保持架；3)研究人才不足，研究深度不夠，目前多數改進型、新型保持架為國外產品的測繪，未深究其具體內涵；4)國內沖壓設備、模具相對落后，導致產品的幾何精度較差，使用性能存在問題。

雖然圓柱滾子軸承沖壓保持架在國內的發展遇到一定的問題，但其在高速、重載、長壽命、低噪聲性能方面仍具有不可替代的地位。如某壓縮機用圓柱滾子軸承的內懸梁黃銅保持架(圖8)，在轉速為4 000 r/min以下時(通用壓縮機支承軸承的轉速)保持架沒有問題，但是當轉速提高到5 000 r/min以上時，就會出現保持架斷裂故障，改進采用M形沖壓保持架(圖9)，就解決了圓柱滾子軸承的高速問題。

圖8 內懸梁黃銅保持架Fig.8 Brass cage with inner hanging beam

隨著高速精密沖裁、自動化焊接及整形技術的推廣應用，圓柱滾子軸承沖壓保持架有向大尺寸段發展和逐步取代實體銅保持架的趨勢。沖壓保持架技術的發展方向主要在于結構創新，而保持架新結構的開發還依賴于保持架材料和工藝裝備水平的提高。

圓柱滾子軸承沖壓保持架在國外的應用非常廣泛，且有逐漸增多的趨勢，主要突破點是結構的創新和加工精度的提高，相信國內的情況隨著技術的進步和市場的調節也將會發生變化。