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(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)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(nèi)圈組成的圓錐內(nèi)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(nèi)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(nèi)組件不分離。擋邊雖能起到內(nèi)組件組合的作用，但會使內(nèi)滾道縮短，軸承的空間不能充分利用，且擋邊部位常出現(xiàn)淬火裂紋，在使用中常有掉塊現(xiàn)象。此外，由于小擋邊的存在，內(nèi)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(tǒng)型圓錐滾子軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，取消了內(nèi)圈上的小擋邊，改變了保持架的結(jié)構(gòu)，但仍能保證內(nèi)組件的自鎖，新型單列圓錐滾子軸承具有節(jié)約材料、裝配方便、無淬火裂紋、加工方便等優(yōu)勢，具有較大的實用價值。

1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

傳統(tǒng)型和新型的圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由圖可知，改進(jìn)后圓錐滾子軸承的內(nèi)圈小擋邊被取消，大擋邊部位增加凸緣，保持架下端增加內(nèi)彎邊，彎邊與內(nèi)圈凸緣配合，滾子長度增加。取消小擋邊后，內(nèi)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(nèi)彎邊與內(nèi)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(xiàn)內(nèi)組件的一體性。

1—外圈；2—滾子；3—保持架；4—內(nèi)圈(a)傳統(tǒng)型1—外圈；2—滾子；3—保持架；4—內(nèi)圈(b)新型圖1 圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of tapered roller bearing

2 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對加工及裝配的影響

與傳統(tǒng)型圓錐滾子軸承相比，新型圓錐滾子軸承的內(nèi)圈與保持架結(jié)構(gòu)均發(fā)生了變化，滾子長度增加，外圈結(jié)構(gòu)無變化，滾子與外圈加工工藝成熟。主要討論結(jié)構(gòu)改進(jìn)對內(nèi)圈及保持架的加工性能的影響。此外，由于結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對圓錐滾子軸承的裝配過程也影響較大。

2.1 對內(nèi)圈加工的影響

傳統(tǒng)的圓錐滾子軸承內(nèi)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(tài)變?yōu)榘敕忾]狀態(tài)，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(xù)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(chǎn)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(tǒng)型和新型圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

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

傳統(tǒng)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(nèi)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(nèi)徑。改進(jìn)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(xiàn)，模具結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可知，2套模具結(jié)構(gòu)類似，僅壓彎凸模結(jié)構(gòu)不同，初彎邊模具中凸模與保持架接觸部位為斜坡形，實現(xiàn)預(yù)彎曲，定位凹模為多齒結(jié)構(gòu)，依靠齒尖頂緊窗孔邊緣定位，其目的在于防止預(yù)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(jié)構(gòu)，凸平直邊實現(xiàn)保持架的彎邊，凸臺側(cè)邊實現(xiàn)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(jié)構(gòu)與初彎邊模具相同。

圖2 圓錐滾子軸承保持架結(jié)構(gòu)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(tǒng)的圓錐滾子軸承裝配過程需要保持架進(jìn)行擴張與收縮，保持架經(jīng)沖壓成形后，還要對窗孔之間的梁在靠近小端的位置進(jìn)行擴張，使內(nèi)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(nèi)滾子小端面的內(nèi)切圓直徑比內(nèi)圈小擋邊外徑小得多。當(dāng)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(nèi)圈暫時不會掉落，但保持架窗孔不能按要求正確引導(dǎo)滾子，滾子在滾道中運行不穩(wěn)定。裝配時，把內(nèi)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(dǎo)滾子，同時防止內(nèi)圈掉落。

結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，通過保持架與內(nèi)圈的自鎖實現(xiàn)內(nèi)組件的一體性，取消內(nèi)圈小擋邊后，裝配過程中滾子小端面進(jìn)入內(nèi)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(guān)沖壓設(shè)備，內(nèi)組件的裝配模具也大大簡化。傳統(tǒng)的圓錐滾子軸承內(nèi)組件收縮模具及凹模結(jié)構(gòu)分別如圖4、圖5所示。凹模結(jié)構(gòu)為直線與圓弧過渡，且?guī)уF度，避開了滾子，實現(xiàn)保持架的收縮，但加工困難。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，內(nèi)組件裝配時，不再需要保持架的收縮，僅需將內(nèi)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(nèi)圈大端凸緣相扣合，即完成內(nèi)圈組件的組裝。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的圓錐滾子軸承內(nèi)組件裝配模具與凹模結(jié)構(gòu)如圖6、圖7所示，與傳統(tǒng)裝配模具相比，結(jié)構(gòu)更簡單，凹模制造難度降低。

1—凸模；2—內(nèi)圈；3—滾子；4—保持架；5—凹模圖4 傳統(tǒng)圓錐滾子軸承收縮模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 傳統(tǒng)圓錐滾子軸承凹模結(jié)構(gòu)示意圖

1—凸模；2—內(nèi)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(jié)構(gòu)示意圖

圖7 新型圓錐滾子軸承凹模結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)對軸承承載能力的影響

取消內(nèi)圈小擋邊后，增加了內(nèi)圈滾道長度，從而可適當(dāng)增加滾子長度，有利于提高承載能力。根據(jù)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(guān)于當(dāng)前常用材料和加工質(zhì)量的額定系數(shù)，該值隨軸承類型和設(shè)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(shù);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(shù);Dwe為滾子的平均直徑。

由(1)式可知，當(dāng)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(tǒng)型和新型2種圓錐滾子軸承的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)及額定動載荷

由表1可知，結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(jié)論

1)內(nèi)圈無小擋邊的新型圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)消除了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在熱處理及裝配過程中出現(xiàn)在小擋邊的裂紋及掉塊現(xiàn)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(jìn)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。