滾動(dòng)軸承保持架引導(dǎo)方式及典型案例

楊曉蔚

（1.河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003；2.中浙高鐵軸承有限公司，浙江 衢州 324000）

在滾動(dòng)軸承保持架的幾大功能中，其引導(dǎo)功能（引導(dǎo)并帶動(dòng)滾動(dòng)體在正確的滾道上運(yùn)行）非常重要，特別是對(duì)于高速軸承，幾乎是決定性的制約因素之一。

在軸承中，保持架與套圈和滾動(dòng)體之間都存在間隙，可在徑向、軸向、周向及角向“自由游動(dòng)”，因此是受運(yùn)動(dòng)約束最少，自由度最大的零件。此“自由游動(dòng)”特性在軸承低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)影響不大，但當(dāng)軸承越處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)平順性與穩(wěn)定性受到的干擾就越大。保持架在隨之陡增的摩擦力、碰撞力、離心力及慣性力等載荷的疊加作用下，將導(dǎo)致軸承產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦、磨損、溫升、燒粘、變形、振動(dòng)、噪聲甚至失效等問題。因此，需要對(duì)保持架實(shí)施一定形式的引導(dǎo)，以抑制或減小這種不利影響，使軸承仍能夠正常工作。

所謂的保持架引導(dǎo)，即在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，保持架通過與套圈擋邊（或滾道）、滾動(dòng)體的貼靠、碰撞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的修正。保持架的引導(dǎo)功能及相關(guān)性能與其引導(dǎo)方式密切相關(guān)。尤其是在高速軸承設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，保持架引導(dǎo)方式是一項(xiàng)極其重要的內(nèi)容，需要給予重點(diǎn)關(guān)注，甚至開展專門研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，才能滿足要求。

1 保持架引導(dǎo)方式及其適用工況

通常所說的保持架引導(dǎo)方式，準(zhǔn)確地說是“保持架被動(dòng)引導(dǎo)的方式”，即保持架被套圈或滾動(dòng)體引導(dǎo)并驅(qū)動(dòng)的方式——當(dāng)滾動(dòng)體進(jìn)入軸承承載區(qū)時(shí)，由于兩套圈滾道間摩擦力的驅(qū)動(dòng)作用，滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度大于保持架的轉(zhuǎn)速，此時(shí)由滾動(dòng)體推動(dòng)保持架運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)也存在“保持架主動(dòng)引導(dǎo)的方式”，即由保持架引導(dǎo)滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)——當(dāng)滾動(dòng)體進(jìn)入軸承非承載區(qū)時(shí)，由于游隙的存在，滾動(dòng)體不承受載荷，其公轉(zhuǎn)速度降低，此時(shí)則切換至由保持架帶動(dòng)并引導(dǎo)滾動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。

保持架的引導(dǎo)方式主要有：1）滾動(dòng)體引導(dǎo)、外圈（擋邊或滾道）引導(dǎo)、內(nèi)圈（擋邊或滾道）引導(dǎo)，如圖1 所示；2）“滾動(dòng)體引導(dǎo)+外圈引導(dǎo)”、“滾動(dòng)體引導(dǎo)+內(nèi)圈引導(dǎo)”、“外圈引導(dǎo)+內(nèi)圈引導(dǎo)”等混合引導(dǎo)方式，如圖2所示。其中，內(nèi)、外圈引導(dǎo)又統(tǒng)稱為套圈引導(dǎo)。

圖1 保持架主要引導(dǎo)方式Fig.1 Main guiding mode of cage

圖2 保持架混合引導(dǎo)方式Fig.2 Mix guiding mode of cage

1.1 滾動(dòng)體引導(dǎo)

滾動(dòng)體引導(dǎo)是最為普遍采用的保持架引導(dǎo)方式——除了滿裝滾動(dòng)體軸承，只要有保持架，都存在這一引導(dǎo)方式，其適用于中低速、正常載荷的工況。

滾動(dòng)體引導(dǎo)主要為金屬（低碳鋼板、銅板、不銹鋼板等）沖壓保持架（簡(jiǎn)稱沖壓保持架）和聚酰胺66 及46（簡(jiǎn)稱PA66 及PA46）、聚苯硫醚（簡(jiǎn)稱PPS）、聚四氟乙烯（簡(jiǎn)稱PTFE）等工程塑料保持架，大尺寸軸承則采用金屬（銅合金、鋁合金、合金結(jié)構(gòu)鋼等）實(shí)體保持架（簡(jiǎn)稱實(shí)體保持架）。

1.2 套圈引導(dǎo)

套圈引導(dǎo)與滾動(dòng)體引導(dǎo)相比，可以為保持架提供更精確的引導(dǎo)，還能抑制保持架的振動(dòng)，有利于軸承安靜運(yùn)行。因此，套圈引導(dǎo)主要適用于高速、急加減速及中重載荷、振動(dòng)較大的工況。

套圈引導(dǎo)以實(shí)體保持架和酚醛層壓布管保持架（簡(jiǎn)稱酚醛保持架）為主，亦有聚醚醚酮（簡(jiǎn)稱PEEK）、聚酰亞胺（簡(jiǎn)稱PI）等工程塑料保持架，還有部分采用沖壓保持架。

2 保持架引導(dǎo)方式的一般選用準(zhǔn)則

2.1 根據(jù)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)速度

2.1.1 低、中速采用滾動(dòng)體引導(dǎo)

低、中速軸承采用滾動(dòng)體引導(dǎo)而非套圈引導(dǎo)，除了簡(jiǎn)單、適用、經(jīng)濟(jì)外，最主要的原因?yàn)椋涸谠撨\(yùn)轉(zhuǎn)速度條件下，保持架與套圈引導(dǎo)面之間很難建立流體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜，邊界潤(rùn)滑或干摩擦?xí)?dǎo)致較大溫升與較快磨損。

2.1.2 高速、急加減速采用套圈引導(dǎo)

高速軸承采用套圈引導(dǎo)，主要原因?yàn)椋?）“油潤(rùn)滑+高速”易在保持架引導(dǎo)面形成良好的流體動(dòng)力全油膜潤(rùn)滑；2）與滾動(dòng)體引導(dǎo)相比，可降低保持架對(duì)滾動(dòng)體的拖動(dòng)力。

其中，外圈引導(dǎo)的特點(diǎn)有：

1）由于材料的不均勻或缺陷、加工與裝配誤差以及設(shè)計(jì)上的幾何不對(duì)稱等，將導(dǎo)致保持架存在質(zhì)量偏心現(xiàn)象。在高速離心力的作用下，沿質(zhì)量偏心方向的保持架外徑引導(dǎo)面會(huì)首先貼靠外圈擋邊而發(fā)生摩擦磨損，從而使保持架自行達(dá)到動(dòng)平衡。

2）外圈引導(dǎo)與內(nèi)圈引導(dǎo)相比，保持架的內(nèi)、外徑更大，在相同數(shù)量滾動(dòng)體的條件下，保持架過梁更寬，因而強(qiáng)度增強(qiáng)；或者在相同保持架過梁寬度的條件下，可以裝入更多的滾動(dòng)體，使軸承的剛度與承載能力進(jìn)一步提高。

3）外圈工作溫度通常比內(nèi)圈低，引導(dǎo)面摩擦產(chǎn)生的熱量容易散發(fā)，潤(rùn)滑狀態(tài)更有利。

4）內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，外圈引導(dǎo)保持架的質(zhì)心渦動(dòng)軌跡比內(nèi)圈引導(dǎo)更穩(wěn)定。

5）由于外圈擋邊半徑小于滾道半徑，在離心力的影響下，保持架引導(dǎo)面可能存在貧油的風(fēng)險(xiǎn)（可以在外圈擋邊處設(shè)計(jì)徑向油孔以保證引導(dǎo)面潤(rùn)滑的可靠性，如圖3所示日本KOYO 所開發(fā)用于最高轉(zhuǎn)速性能的High ability軸承［2］）。

圖3 提高引導(dǎo)面潤(rùn)滑可靠度的外圈油孔設(shè)計(jì)Fig.3 Design of outer ring oil hole to improve lubrication reliability of guiding surface

6）由于外圈擋邊以及保持架外徑引導(dǎo)面貼靠的影響，藉由離心力拋甩至外圈滾道的潤(rùn)滑劑不易流出，容易形成攪拌熱（圓柱滾子軸承由于是直擋邊，這一效應(yīng)比弧形溝道的角接觸球軸承及深溝球軸承更顯著）。

內(nèi)圈引導(dǎo)的特點(diǎn)有：

1）內(nèi)圈引導(dǎo)與外圈引導(dǎo)相比，質(zhì)量偏心會(huì)導(dǎo)致保持架內(nèi)徑引導(dǎo)面在離心力相反部位的接觸磨損，使其動(dòng)平衡越來越惡化（通過提高保持架的加工精度，進(jìn)行精密嚴(yán)格動(dòng)平衡，以及保證良好的潤(rùn)滑條件，由質(zhì)量偏心導(dǎo)致的偏磨負(fù)面效應(yīng)會(huì)大大降低）。

2）保持架引導(dǎo)面與內(nèi)圈擋邊的滑動(dòng)線速度比外圈引導(dǎo)時(shí)低，因而摩擦磨損更小（在需要低摩擦力矩的低速應(yīng)用場(chǎng)合表現(xiàn)更為突出）。

3）保持架尺寸與質(zhì)量比外圈引導(dǎo)時(shí)小，節(jié)材且旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力降低（但裝入的滾動(dòng)體數(shù)量及軸承剛度、載荷容量也相應(yīng)減?。?。

4）存在輕載或變向載荷時(shí)，保持架內(nèi)徑引導(dǎo)面與內(nèi)圈擋邊間的潤(rùn)滑油黏性拖曳力形成了對(duì)保持架的拖動(dòng)力，可降低滾動(dòng)體打滑蹭傷等風(fēng)險(xiǎn)。

5）內(nèi)圈直滾道引導(dǎo)時(shí)，在脂潤(rùn)滑條件下，軸承初期磨合時(shí)間短；在油潤(rùn)滑條件下，軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑油不會(huì)積存。

2.2 根據(jù)軸承潤(rùn)滑方式

2.2.1 脂潤(rùn)滑采用滾動(dòng)體引導(dǎo)

脂潤(rùn)滑時(shí)，由于潤(rùn)滑脂是半固體半液體狀，流動(dòng)性較差，不易在保持架引導(dǎo)面與套圈擋邊處形成持續(xù)有效潤(rùn)滑，因此通常采用滾動(dòng)體引導(dǎo)。若套圈引導(dǎo)保持架的軸承采用脂潤(rùn)滑，應(yīng)注意其轉(zhuǎn)速性能會(huì)受到限制（以角接觸球軸承為例，文獻(xiàn)［3］中給出的適用限定為dmn值不大于0.25×106mm · r/min）。

2.2.2 油潤(rùn)滑采用套圈引導(dǎo)

套圈引導(dǎo)適用于油潤(rùn)滑，且根據(jù)潤(rùn)滑方式不同而有相適配的選擇。對(duì)于油浴、濺射等類的潤(rùn)滑，外圈或內(nèi)圈引導(dǎo)均可；對(duì)于油氣、噴射等類的潤(rùn)滑，以外圈引導(dǎo)為宜；對(duì)于環(huán)下潤(rùn)滑，則內(nèi)圈引導(dǎo)是優(yōu)先選項(xiàng)。

2.3 根據(jù)軸承保持架形式

2.3.1 沖壓保持架采用滾動(dòng)體引導(dǎo)

沖壓保持架質(zhì)量輕，強(qiáng)度中等，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，易于驅(qū)動(dòng)與引導(dǎo)。另外，沖壓保持架截面尺寸小，可使?jié)櫥吐吠〞?；脂?rùn)滑時(shí)，方便向軸承內(nèi)部填脂并具有更大的儲(chǔ)脂空間，有利于保證和延長(zhǎng)軸承的免維護(hù)周期或耐久性壽命。但沖壓保持架在高速、急加減速以及變向等工況下剛度偏弱，不耐磨損。沖壓保持架主要用于中小型及以下軸承，滾動(dòng)體引導(dǎo)；也有部分類型軸承采用套圈引導(dǎo)，如圓柱滾子軸承的M型保持架為外圈引導(dǎo)，如圖4所示［4］。

圖4 圓柱滾子軸承用M型保持架Fig.4 M-type cage for cylindrical roller bearing

2.3.2 實(shí)體與工程塑料保持架采用套圈引導(dǎo)或滾動(dòng)體引導(dǎo)

實(shí)體保持架通常用于高強(qiáng)度場(chǎng)合與大尺寸軸承，其與沖壓保持架相比，可以允許更高的工作轉(zhuǎn)速和工作溫度，并承受更重的載荷或振動(dòng)、沖擊、變向、變載等復(fù)雜載荷，但由于質(zhì)量更大，因此驅(qū)動(dòng)其也需要更大的拖動(dòng)力；也由于材料強(qiáng)度更高，因此可以節(jié)省保持架的空間，使兜孔間距減小，增加滾動(dòng)體數(shù)量，提高軸承載荷容量。以常用的黃銅實(shí)體保持架為例，其具有強(qiáng)度高，與軸承鋼套圈為“低摩擦副”，“黏著”風(fēng)險(xiǎn)小，磨損特性好，磨屑少，耐腐蝕，加工精度容易保證，使用可靠度高等優(yōu)越特點(diǎn)。

工程塑料保持架通常都要填充其他材料（如玻璃纖維、碳纖維等）進(jìn)行增強(qiáng)等改性處理，其與沖壓、實(shí)體保持架相比，具有輕量化（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)?。?，良好的強(qiáng)度與彈性（可裝入更多的滾動(dòng)體，受力變形后可恢復(fù)原狀），低噪聲（具有振動(dòng)阻尼作用），適應(yīng)滑動(dòng)線速度高（表面光潔，耐磨損且磨屑不會(huì)像金屬保持架磨屑一樣對(duì)潤(rùn)滑油脂造成污染與劣化），邊界潤(rùn)滑性能良好（低摩擦，低溫升，自潤(rùn)滑），安全性高（即使碎裂后輾成薄片狀仍能繼續(xù)短時(shí)工作，不會(huì)造成突發(fā)性災(zāi)難事故）等顯著優(yōu)點(diǎn)。

通常用于滾動(dòng)體引導(dǎo)的工程塑料保持架有：

1）PA保持架。PA66保持架成本經(jīng)濟(jì)、綜合性能優(yōu)良，但耐溫、尺寸穩(wěn)定性較差，故難以適應(yīng)滑動(dòng)摩擦更大的套圈引導(dǎo)。PA46 保持架作為PA66保持架的“升級(jí)版”，其耐溫、耐油、耐磨損、抗蠕變、抗疲勞等性能更好一些，在汽車交流發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、空調(diào)壓縮機(jī)等軸承中應(yīng)用效果良好。

2）PTFE保持架。PTFE被稱為“塑料王”，具有在工程塑料中摩擦因數(shù)最?。ɡ硐氲臒o油潤(rùn)滑材料），耐溫范圍最寬（-196～260 ℃），抗老化性能最好，表面張力最小而不粘附任何物質(zhì)，幾乎不受任何化學(xué)試劑腐蝕等優(yōu)異特點(diǎn)，故PTFE 保持架非常適用于耐腐蝕軸承、無磁軸承、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等。

3）PPS 保持架。PPS 具有在工程塑料中少有的高硬度與高剛性，特別是高溫時(shí)仍具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性（僅次于PTFE），即使在壓縮機(jī)油、齒輪油、氨類制冷劑等環(huán)境下，其強(qiáng)度、硬度、剛性、耐磨等綜合性能仍表現(xiàn)優(yōu)異，因此PPS 保持架在高速壓縮機(jī)等軸承中得到很好應(yīng)用。

主要用于套圈引導(dǎo)的工程塑料保持架有：

1）酚醛保持架，具有材料密度低、多孔可浸油吸油、摩擦因數(shù)低等優(yōu)異性能，非常適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的套圈引導(dǎo)，是以機(jī)床主軸軸承為代表的高速精密軸承的“標(biāo)配”保持架。

2）PEEK保持架，具有強(qiáng)度與彈性的完美結(jié)合，優(yōu)異的耐高溫性能及滑動(dòng)摩擦特性，對(duì)交變應(yīng)力下的抗疲勞性非常突出（在工程塑料中最好，可與合金材料媲美），尺寸穩(wěn)定性優(yōu)越（注塑成型收縮率小因而加工精度比一般工程塑料高很多，溫、濕度變化對(duì)產(chǎn)品尺寸影響很小因而能很好滿足高精度使用要求）。在機(jī)床軸承中，已用于專為油氣潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的超高速軸承（dmn值達(dá)3.0×106mm · r/min）的外圈引導(dǎo)保持架，低溫升，低不可重復(fù)跳動(dòng)（Non-Repeatable Run-Out，NRRO），尤其是在微量潤(rùn)滑條件下表現(xiàn)優(yōu)異［5］。

3）PI保持架，具有耐磨、自潤(rùn)滑、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，其多孔結(jié)構(gòu)經(jīng)真空浸油處理后，廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)壽命航天器用陀螺電動(dòng)機(jī)、導(dǎo)航儀、動(dòng)量輪等軸承中。

相同尺寸規(guī)格與公差等級(jí)的軸承，當(dāng)采用不同形式保持架時(shí)，對(duì)其轉(zhuǎn)速性能的影響非常顯著——以角接觸球軸承作為參考性比較，采用實(shí)體保持架軸承的極限轉(zhuǎn)速僅為酚醛保持架軸承的一半左右［6］，而采用沖壓保持架軸承的極限轉(zhuǎn)速約為實(shí)體保持架軸承的80%［7］。

2.4 根據(jù)軸承旋轉(zhuǎn)套圈

內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止時(shí)，內(nèi)圈引導(dǎo)；外圈旋轉(zhuǎn)、內(nèi)圈靜止時(shí)，外圈引導(dǎo)；內(nèi)、外圈都旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)體引導(dǎo)。

這是由于內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，采用內(nèi)圈引導(dǎo)，內(nèi)圈擋邊與保持架之間產(chǎn)生的摩擦力構(gòu)成的是對(duì)保持架的驅(qū)動(dòng)力；而采用外圈引導(dǎo)產(chǎn)生的摩擦力則構(gòu)成了對(duì)保持架的阻力。外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)，宜采用外圈引導(dǎo)；內(nèi)、外圈都旋轉(zhuǎn)時(shí)，宜采用滾動(dòng)體引導(dǎo)，也都是同理。

上述準(zhǔn)則只是從摩擦力這一單純角度來考慮的，實(shí)際使用中應(yīng)綜合考慮選擇。以實(shí)際應(yīng)用中最為普遍的內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)、外圈靜止為例：高速時(shí)多采用外圈引導(dǎo)，是因?yàn)橐造o止外圈做引導(dǎo)更為穩(wěn)定，以及前述的其他突出優(yōu)點(diǎn)；而重載或大尺寸軸承則多采用內(nèi)圈引導(dǎo)，以減小保持架的啟動(dòng)力矩及轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

2.5 根據(jù)帶擋邊的套圈

外圈帶擋邊時(shí)，外圈引導(dǎo)（如NU 型圓柱滾子軸承）；內(nèi)圈帶擋邊時(shí)，內(nèi)圈引導(dǎo)（如N 型圓柱滾子軸承）；2 個(gè)套圈都帶擋邊，則根據(jù)軸承的安裝、運(yùn)維等要求確定。

也有不以套圈擋邊作為引導(dǎo)面，而以無擋邊的套圈滾道作為引導(dǎo)面的，如圖5 所示德國(guó)Schaeffler 開發(fā)的超精密圓柱滾子軸承［8］。由于滾道尺寸、形狀加工精度與表面粗糙度比套圈擋邊要求更嚴(yán)，對(duì)保持架的引導(dǎo)也更加精準(zhǔn)平順。采用套圈滾道引導(dǎo)，為最大限度增加滾子數(shù)量即軸承承載能力，保持架位置還可以趨于滾動(dòng)體頂部（外圈引導(dǎo)時(shí)）或底部（內(nèi)圈引導(dǎo)時(shí)）實(shí)現(xiàn)其內(nèi)、外徑尺寸極致化，如圖6 所示瑞典SKF 開發(fā)的NUH…ECMH系列高承載圓柱滾子軸承。

圖5 采用外圈滾道引導(dǎo)保持架的超高精密圓柱滾子軸承Fig.5 Ultra-high precision cylindrical roller bearing with cage guided by outer ring raceway

圖6 內(nèi)圈滾道引導(dǎo)保持架的NUH…ECMH圓柱滾子軸承Fig.6 NUH…ECMH cylindrical roller bearing with cage guided by inner ring raceway

3 主要軸承類型采用的保持架引導(dǎo)方式

3.1 深溝球軸承

通常采用沖壓保持架或PA66 保持架等（大尺寸軸承采用實(shí)體保持架），滾動(dòng)體引導(dǎo)；高速軸承則采用酚醛保持架等，外圈或內(nèi)圈引導(dǎo)。在新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承中，經(jīng)設(shè)計(jì)改進(jìn)的PA66保持架，采用滾動(dòng)體引導(dǎo)，脂潤(rùn)滑，目前已能實(shí)現(xiàn)軸承dmn值達(dá)1.4×106mm · r/min 甚至1.8×106mm · r/min 的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而過去脂潤(rùn)滑深溝球軸承的dmn推薦值僅為0.6×106～1.0×106mm · r/min。

3.2 角接觸球軸承

通用軸承（公稱接觸角40°）主要采用沖壓保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)。最典型的球類高速精密軸承：1）機(jī)床主軸軸承大多采用酚醛保持架，大尺寸軸承則采用實(shí)體保持架，超高速時(shí)也有采用PEEK保持架等，外圈引導(dǎo)；2）航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承（常用三點(diǎn)接觸球軸承），采用鋁青銅、硅青銅、合金結(jié)構(gòu)鋼等實(shí)體保持架并表面鍍銀處理，外圈或內(nèi)圈引導(dǎo)。

3.3 圓柱滾子軸承

通常采用沖壓保持架或PA66 保持架，大尺寸軸承采用黃銅實(shí)體保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)。作為最典型的滾子類高速精密軸承：1）機(jī)床主軸軸承大多采用黃銅實(shí)體保持架以及PPS 保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)，超高速時(shí)則有采用PEEK 保持架等，外圈引導(dǎo)；2）航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承，采用與上述角接觸球軸承同樣材料、表面處理與引導(dǎo)方式的保持架。

3.4 滾針軸承

由于滾針的長(zhǎng)徑比過大，容易歪斜，因此滾針軸承不適宜于高速應(yīng)用，故通常采用沖壓保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)；但也有精密實(shí)體套圈滾針軸承用于高速的案例，采用實(shí)體保持架，外圈引導(dǎo)。

3.5 圓錐滾子軸承

通用軸承采用沖壓保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)。作為一個(gè)高安全性的典型應(yīng)用，包括高鐵動(dòng)車組在內(nèi)的鐵路軸箱用圓錐滾子軸承單元，已普遍采用玻璃纖維增強(qiáng)PA66 保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)。在高速軸承中，也有采用PEEK保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)；或者仍采用沖壓保持架，混合引導(dǎo)。

3.6 調(diào)心滾子軸承

通常采用沖壓保持架，滾動(dòng)體引導(dǎo)；對(duì)于大尺寸或抗振軸承，則采用實(shí)體保持架或工程塑料保持架，套圈引導(dǎo)。但調(diào)心滾子軸承是一個(gè)特殊的存在：1）固定或活動(dòng)中擋邊設(shè)計(jì)對(duì)滾子具有引導(dǎo)作用；2）獨(dú)特的滾子/滾道曲率匹配設(shè)計(jì)使?jié)L子具有“自引導(dǎo)”功能。這2 種引導(dǎo)相比保持架引導(dǎo)更占優(yōu)勢(shì)地位，因此也常有觀點(diǎn)，會(huì)回避或淡化該類軸承有關(guān)保持架引導(dǎo)功能的描述。

3.7 推力球軸承

由于離心力會(huì)將潤(rùn)滑劑從軸圈與座圈之間拋甩出去，難以在溝道中留存，因此推力球軸承不適用于高速應(yīng)用，故而無論采用沖壓保持架、實(shí)體保持架還是PA66 等工程塑料保持架，通常均為滾動(dòng)體引導(dǎo)。

4 保持架引導(dǎo)在高速軸承中的關(guān)注要點(diǎn)

在高速軸承中，保持架引導(dǎo)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)是引導(dǎo)間隙與兜孔間隙的匹配（稱為“間隙比”）。對(duì)于引導(dǎo)間隙，重點(diǎn)考慮：1）由離心力（當(dāng)軸承dmn值大于1.0×106mm · r/min 時(shí)）引起的保持架尺寸變化；2）與套圈溫差及熱膨脹系數(shù)不同而引起的保持架尺寸變化。

除了引導(dǎo)間隙與兜孔間隙的匹配設(shè)計(jì)，就保持架本身而言，決定其引導(dǎo)效果與相關(guān)使用性能優(yōu)劣的，概要而言就是平衡、精度和材料這“三要素”。

4.1 平衡

保持架平衡包括靜平衡與動(dòng)平衡，靜平衡是指質(zhì)量平衡，動(dòng)平衡是指重心平衡。靜平衡不一定動(dòng)平衡，動(dòng)平衡則一定包含靜平衡。有特殊要求的高速軸承，往往需要對(duì)保持架進(jìn)行專門的動(dòng)平衡處理。

4.2 精度

1） 加工精度。保持架的尺寸公差與形狀誤差在軸承主要零件中一直相對(duì)比較粗放，高速軸承保持架必須保證更高的加工精度（如日本NSK的牙鉆軸承，稱為目前“世界最高轉(zhuǎn)速”，達(dá)500 000 r/min，對(duì)保持架的兜孔尺寸、兜孔圓度和引導(dǎo)間隙有極嚴(yán)格的優(yōu)化設(shè)計(jì)與加工精度要求［9］，如圖7所示）。由于實(shí)體保持架以及酚醛保持架采用切削成形，因此可以保證較高加工精度；而沖壓保持架采用沖壓成形，工程塑料保持架采用注射或模壓成形等，加工誤差嚴(yán)格控制在很窄范圍內(nèi)存在一定困難。

圖7 NSK的牙鉆軸承保持架Fig.7 Cage for dental air turbine bearing developed by NSK

2） 精度保持性及尺寸穩(wěn)定性。金屬保持架具有較好的尺寸穩(wěn)定性（其中實(shí)體保持架的剛性好、不易變形的優(yōu)點(diǎn)更為突出），塑料保持架尺寸穩(wěn)定性稍差，并且在使用過程中會(huì)由于溫度、濕度、受力等各種原因發(fā)生尺寸松弛或形狀改變。

4.3 材料

保持架材料涉及因素較多，而且不少性能指標(biāo)都至關(guān)重要：

1） 密度。材料密度要盡可能小，以減輕保持架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與高速下的離心力作用。

2） 溫度效應(yīng)。材料的熱膨脹系數(shù)與軸承相關(guān)零件越接近越好；材料的熱穩(wěn)定性越高越好，不易隨溫度變化發(fā)生松弛或變形等現(xiàn)象；材料的耐溫范圍越大越好。工程塑料與金屬材料相比對(duì)溫度更敏感，耐溫性能也更為受到限制，因此在設(shè)計(jì)與應(yīng)用中要予以特別關(guān)注。

3） 種類。不同種類的材料有不同的適用性，以滿足不同保持架的應(yīng)用特性要求。

4） 力學(xué)性能。材料（與保持架結(jié)構(gòu)形式相結(jié)合）在經(jīng)受高速離心力、碰撞、振動(dòng)、高溫等的作用時(shí)，應(yīng)具有足夠剛度、強(qiáng)度、韌性與耐疲勞性能。

5） 耐磨損。材料本身（或經(jīng)過表面處理后）應(yīng)耐磨損，包括避免“硬磨軟”或“軟磨軟”的合適硬度匹配。

6） 自潤(rùn)滑。材料本身（或經(jīng)改性處理后）具有自潤(rùn)滑性能。

7） 化學(xué)穩(wěn)定性。具有對(duì)潤(rùn)滑劑、橡膠件等的兼容性，對(duì)化學(xué)藥品試劑等介質(zhì)環(huán)境的耐受性等。

常用保持架材料的主要性能指標(biāo)見表1。

表1 常用保持架材料的主要性能指標(biāo)Tab.1 Main performance indicators of commonly used cage materials

5 保持架引導(dǎo)面失效的解決對(duì)策

保持架引導(dǎo)面的主要失效形式為磨損、燒粘、卡死等，解決的對(duì)策為：

1）保持架與套圈、滾動(dòng)體采用不同材料副，摩擦因數(shù)小，不易產(chǎn)生粘著、磨粒等磨損。

2）嚴(yán)格控制保持架的尺寸與形狀加工誤差，特別是引導(dǎo)面的表面粗糙度。

3）在軸承裝配時(shí)，保持架引導(dǎo)面應(yīng)涂抹一薄層均勻的油脂；在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)確保能持續(xù)為保持架引導(dǎo)面提供良好的潤(rùn)滑。

4）采用具有自潤(rùn)滑性能的保持架，以防在貧油、斷油情況下引導(dǎo)面發(fā)生劇烈的摩擦磨損，特別要避免由此而進(jìn)一步引發(fā)的保持架燒損、斷裂等嚴(yán)重失效現(xiàn)象。

5）對(duì)金屬保持架引導(dǎo)面采用鍍銀等軟金屬鍍膜（形成固體潤(rùn)滑），或者對(duì)套圈引導(dǎo)面涂覆TiN等超硬材料涂層（耐磨損）。

6）對(duì)多孔類工程塑料保持架做浸油處理（如PI 保持架含油率可達(dá)百分之十幾到百分之二十幾）。為了多儲(chǔ)油，增大保持架尺寸是最簡(jiǎn)單的方法之一，同時(shí)為軸承滾動(dòng)工作面和保持架引導(dǎo)面提供持續(xù)供油潤(rùn)滑。

6 保持架引導(dǎo)方式的典型案例

6.1 案例1：外圈引導(dǎo)（單、雙擋邊引導(dǎo)）

機(jī)床主軸用高速精密角接觸球軸承普遍采用套圈一面直擋邊、一面斜坡的設(shè)計(jì)，以便裝填更多的球，增大軸承的剛度與承載能力；而且給設(shè)置于保持架內(nèi)徑面下方的供油噴嘴留下較大空間，軸承內(nèi)部的油流通道也較順暢；契合于此結(jié)構(gòu)中，保持架為外圈單擋邊引導(dǎo)，處于斜坡處的另一端懸空，如圖8a 所示。當(dāng)軸承以更高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于更大離心力的作用，保持架懸空端的變形增大且沒有約束限制，會(huì)導(dǎo)致保持架運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。因此，在超高速、極高速軸承設(shè)計(jì)中，為適應(yīng)以離心力為主的載荷，將保持架由外圈單擋邊引導(dǎo)改進(jìn)為雙擋邊引導(dǎo)，如圖8b所示，有效解決了保持架在軸承更高運(yùn)轉(zhuǎn)速度下的穩(wěn)定性問題［10］。

圖8 外圈單、雙擋邊引導(dǎo)Fig.8 Cage guided by single rib or double ribs of outer ring

6.2 案例2：內(nèi)圈引導(dǎo)

渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承，當(dāng)dn值小于2×106mm · r/min時(shí)，通常采用噴射潤(rùn)滑，保持架為外圈引導(dǎo)。當(dāng)dn值大于2×106mm · r/min時(shí)，由于強(qiáng)大離心力的作用，噴射潤(rùn)滑時(shí)僅有很小一部分潤(rùn)滑油能夠進(jìn)入軸承內(nèi)部，造成供油不足；若加大供油量，由于轉(zhuǎn)速的提高，還會(huì)導(dǎo)致更加劇烈的潤(rùn)滑油攪拌熱：因此采用環(huán)下潤(rùn)滑方式，保持架則相應(yīng)改為內(nèi)圈引導(dǎo)。潤(rùn)滑油通過環(huán)下潤(rùn)滑方式，借助離心力經(jīng)內(nèi)圈上的徑向孔、槽進(jìn)入軸承內(nèi)部，使軸承套圈滾道與滾動(dòng)體接觸處，以及保持架與內(nèi)圈擋邊引導(dǎo)面得到很好潤(rùn)滑與冷卻，可顯著減小磨損。此外，環(huán)下潤(rùn)滑比噴射潤(rùn)滑用油量小，可減少能耗及軸承發(fā)熱；并且該潤(rùn)滑方式使得內(nèi)圈比外圈溫度低，潤(rùn)滑條件改善，可有效防止內(nèi)圈滾道的蹭傷［11］。美國(guó)Timken 的ULTRA-HIGH-SPEED 軸承（dn值大于2×106mm · r/min）的保持架內(nèi)圈引導(dǎo)案例如圖9所示［12］。

圖9 環(huán)下潤(rùn)滑—內(nèi)圈引導(dǎo)Fig.9 Under-race lubrication — inner ring guidance

6.3 案例3：外圈引導(dǎo)改進(jìn)為滾動(dòng)體引導(dǎo)

高鐵動(dòng)車組牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)端用圓柱滾子軸承，脂潤(rùn)滑，原為外圈引導(dǎo)保持架。由于高溫、電蝕等原因容易使?jié)櫥阅芰踊瑢?dǎo)致保持架外徑引導(dǎo)面潤(rùn)滑不良，摩擦增大，磨損加劇。而摩擦增大又進(jìn)一步提高溫升，嚴(yán)重磨損下來的保持架銅粉造成潤(rùn)滑脂污染后又進(jìn)一步惡化了潤(rùn)滑狀況，使得軸承發(fā)生早期故障或失效，難以滿足牽引電動(dòng)機(jī)的運(yùn)用維護(hù)要求。后將保持架引導(dǎo)方式改進(jìn)為滾動(dòng)體引導(dǎo)，避免了保持架外徑引導(dǎo)面與套圈擋邊的滑動(dòng)接觸摩擦與磨損，針對(duì)性極強(qiáng)地解決了這一問題，現(xiàn)已成為牽引電機(jī)用圓柱滾子軸承的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)（其他類似的工業(yè)電機(jī)用圓柱滾子軸承也多采用此種改進(jìn)）。

6.4 案例4：滾動(dòng)體引導(dǎo)改進(jìn)為混合引導(dǎo)

高鐵動(dòng)車組齒輪箱輸出端大齒輪用圓錐滾子軸承，沖壓保持架，通過大齒輪攪動(dòng)濺射潤(rùn)滑，要求工作轉(zhuǎn)速不低于2 600 r/min。原采用滾動(dòng)體引導(dǎo)，保持架難以適應(yīng)高轉(zhuǎn)速下的溫升、振動(dòng)等控制要求。解決措施之一就是改進(jìn)為“滾動(dòng)體引導(dǎo)+內(nèi)圈引導(dǎo)”的混合引導(dǎo)方式，顯著改善了這一問題。

6.5 案例5：保持架引導(dǎo)面的“軟磨硬”現(xiàn)象與改進(jìn)［13］

航空發(fā)動(dòng)機(jī)及燃?xì)鉁u輪機(jī)主軸用圓柱滾子軸承，套圈材料以滲碳鋼M50NiL 代替原用全淬鋼M50 鋼，保持架材料為40CrNiMoA 合金結(jié)構(gòu)鋼并鍍銀處理，內(nèi)圈擋邊引導(dǎo)。由于M50NiL 滲碳處理后表面為細(xì)小彌散的碳化物，不如M50 鋼碳化物尺寸粗大更耐磨損；而磨損顆粒嵌入保持架軟質(zhì)鍍銀層中，形成磨粒磨損，更加劇了內(nèi)圈擋邊引導(dǎo)面的磨損程度，形成了所謂的“軟磨硬”現(xiàn)象。采取的解決措施是對(duì)內(nèi)圈擋邊引導(dǎo)面制備TiN 硬質(zhì)涂層，從而改善了其抗磨粒磨損能力，提高了軸承的使用可靠性。

6.6 案例6：不同線膨脹系數(shù)材料的保持架引導(dǎo)間隙確定［14］

三點(diǎn)接觸球軸承QJS207，公稱接觸角25°，公差等級(jí)P4，噴油潤(rùn)滑，外圈擋邊引導(dǎo)保持架，對(duì)鋁青銅保持架與聚酰亞胺保持架的引導(dǎo)間隙進(jìn)行試驗(yàn)確定。兩保持架材料的線膨脹系數(shù)分別為1.92×10-5，4.00×10-5K-1。在試驗(yàn)轉(zhuǎn)速50 000 r/min、兜孔間隙均為0.3 mm 的條件下，鋁青銅保持架引導(dǎo)間隙為0.3 mm 運(yùn)轉(zhuǎn)正常，聚酰亞胺保持架引導(dǎo)間隙則需要增大至0.9 mm才能通過試驗(yàn)考核。

7 結(jié)束語

保持架引導(dǎo)方式，對(duì)于絕大多數(shù)類型的軸承，普遍采用的滾動(dòng)體引導(dǎo)已能很好地滿足常規(guī)要求，因此無需特殊考慮；但對(duì)于包括高速、高溫、高強(qiáng)度在內(nèi)的高性能軸承，需要采用套圈引導(dǎo)時(shí)，就成為一項(xiàng)十分重要而關(guān)鍵的設(shè)計(jì)內(nèi)容，既要考慮配套軸承的類型、結(jié)構(gòu)、載荷、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、工作溫度、潤(rùn)滑方式等，還要考慮保持架本身涉及的結(jié)構(gòu)形式、材料特性、使用性能以及工藝性、經(jīng)濟(jì)性等，因此通常需要具備豐厚的理論知識(shí)（尤其是軸承與材料的跨界知識(shí)）與工程經(jīng)驗(yàn)（包括試驗(yàn)驗(yàn)證與實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)），才能給出合理可行的解決方案。看似概念非常簡(jiǎn)單的保持架引導(dǎo)方式的背后，實(shí)際上蘊(yùn)藏著內(nèi)容十分豐富的系統(tǒng)化知識(shí)體系。

由本文給出的典型案例還可以得到啟示，即：對(duì)于保持架引導(dǎo)方式，不能簡(jiǎn)單絕對(duì)地認(rèn)為哪種方式就一定先進(jìn)或者落后，而是要看何種方式更加匹配或適用。只有與軸承實(shí)際工況及環(huán)境條件相契合，才能獲得預(yù)期效果。以及藉由新材料、新技術(shù)、新工藝、新結(jié)構(gòu)，從而取得突破性創(chuàng)新成果。包括保持架引導(dǎo)方式在內(nèi)的保持架整體技術(shù)的不斷進(jìn)步，將助推高性能軸承向更高水平發(fā)展。