淺兜孔浪形保持架的設計

蔡亞新，蔡康寧

(1.沛弗埃(上海)貿易有限公司，上海 201201；2.西安工程大學，西安 710016)

在徑向載荷較大、轉速較高工況下，深溝球軸承需要裝入更多的鋼球。這時，不能采用傳統浪形保持架，通常采用S形保持架，但S形保持架只能裝偶數粒鋼球。為解決裝奇數鋼球的問題，設計了支柱式鉚釘淺兜孔浪形保持架，可比一般浪形保持架多裝2～4粒鋼球。下面對支柱式鉚釘淺兜孔浪形保持架的設計進行介紹。

1 保持架的結構

支柱式鉚釘淺兜孔浪形保持架如圖1所示。該保持架是由兩半兜孔較淺的浪形保持架和一組支柱式鉚釘組成，裝配時通過兩套專用的鉚合胎模鉚合成一組完整的保持架。由于軸承內鋼球數量較多，鋼球之間間隙較小，鉚釘一般采用鋼板沖壓片狀結構，如圖2所示。

圖1 支柱式鉚釘淺兜孔浪形保持架

圖2 鋼板沖壓支柱式鉚釘

2 保持架的設計

淺兜孔浪形保持架的保持架鋼板厚度S、保持架寬度Bc、保持架兜孔中心圓公稱直徑Dcb、保持架內徑dc、保持架外徑Dc及鋼球直徑Dw等均參照洛陽軸承研究所有限公司ZYB2—89《深溝球軸承設計方法》進行設計，尺寸參數一般應與同一外形尺寸的深溝球軸承浪形保持架相同。

2.1 兜孔球面半徑Rc的計算

由于保持架兜孔較淺，為了減小鋼球在兜孔內圓周方向的相對竄動量，兜孔球面半徑Rc值不宜太大，其為

Rc=0.5Dw+εc，

式中：εc值按鋼球直徑取0.1～0.2 mm。

2.2 兜孔深度K的選取

如圖3所示，在保證保持架鉚釘孔所在的平面足夠大、不影響鉚釘鉚合的前提下，保持架兜孔深度K值應盡量大。即

圖3 淺兜孔浪形保持架局部示意圖

EF≥S′+2rc+2×0.3，

(1)

式中：S′為鉚合后鉚釘頭的寬度；rc為兜孔圓角半徑。

在△O′B′C中，B′C=Rc+S，O′C=Rc+S-K，則

O′B′=(B′C2-O′C2)1/2=

[2K(Rc+S)-K2]1/2。

由圖中幾何關系可知

OO1=Dcbsin (π/Z),

EF=OO1-2O′B′=

Dcbsin (π/Z)-2[2K(Rc+S)-K2]1/2。

(2)

把(2)式代入(1)式得

[2K(Rc+S)-K2]1/2≤[Dcbsin (π/Z)-S′-2Rc-0.6]/2,

(3)

根據(3)式計算K的最大值(K值應盡量取大)。

2.3 兜孔圓角半徑rc的選取

rc值在工藝允許的條件下盡量取小，應隨板厚而變動，一般rc≤1.0 mm。

2.4 鉚釘孔中心圓直徑Dcb1的選取

Dcb1=Dcb。

2.5 相鄰兩兜孔或兩鉚釘孔中心距c的選取

c=Dcbsin (π/Z),

c的允差在工藝許可的條件下應盡量取小，以減小兩半保持架鉚合后的錯位，避免鉚釘的歪斜造成夾球。

3 支柱式鉚釘的設計

支柱式鉚釘采用鋼板沖壓而成，要求鉚合時穩定可靠，彎曲變形量小。一般鉚釘鋼板的厚度Sm=S，有時為了增大鉚釘的抗彎截面模量，取減小鉚合時鉚釘的彎曲變形，在條件允許時Sm也可大于S。

為了最大限度提高鉚釘的抗彎截面模量，鉚釘寬度Bm略小于保持架寬度，Bm=Bc-(0.2～0.3) mm。

鉚合前鉚釘頭寬度為

bm=Bm/3,

鉚合后鉚釘頭寬度為

b′=bm+(0.5～0.7) mm，

鉚合后鉚釘頭厚度為

S′=Sm+(0.5～0.7) mm，

鉚合后鉚釘頭高度為

h′=S+(0.8～1.2) mm。

鉚合前鉚釘頭高度為

hm=S′b′h′/(Smbm)，

鉚釘支柱部分高度為

H=Dw+2ε-2K,

式中：ε為鋼球與保持架之間軸向間隙量的一半，ε=(1/4～1/3)εc。

鉚釘總高度為

Hm=H+2hm。

保持架鉚釘孔與鉚釘之間配合間隙量δ=0.05～0.15 mm，在鉚釘孔等分精度較高的情況下，δ應盡量小。

4 相關驗算

4.1 鋼球在保持架兜孔中的接觸角

圖4 鋼球在兜孔內的接觸情況

4.2 鉚釘鉚壓時的壓縮變形量

支柱式鉚釘抗壓剛度較小，在鉚壓時會產生壓縮變形，而淺兜孔浪形保持架與鋼球之間軸向間隙較小，鉚釘鉚壓變形后極易導致間隙過小甚至夾球，造成軸承回轉不靈活等現象，因此有必要對鉚釘鉚合壓縮量Δl進行驗算。Δl應滿足Δl<ε，否則應加大Sm或ε值。

鉚釘鉚合壓縮量Δl為

Δl=FH/(EA),

式中：F為每根鉚釘所受壓力，F=T/Z，T為鉚壓壓力機公稱壓力，Z為鉚釘數；E為拉壓彈性模量，對于碳鋼E=186～216 GPa；A為鉚釘橫截面面積，A=BmSm。

4.3 鉚釘鉚合時的穩定性

支柱式鉚釘在鉚合壓力的作用下如果因為失穩而產生彎曲變形，也會造成保持架夾球、軸承回轉不靈活等。因為鉚釘在厚度方向彎曲的柔度最大，所以只需對鉚釘在厚度方向的穩定性進行校核。鉚釘在剛度較小的厚度方向彎曲的柔度為

λ=μH/i,

式中：λ為柔度；μ為高度系數；i為慣性半徑；J為鉚釘在厚度方向的慣性矩。

由于鉚釘較短，其柔度一般都小于對應材料屈服極限的柔度，故鉚釘為小柔度桿，所以鉚釘失穩的臨界應力為σlj=σs。則對鉚釘進行壓桿穩定性校核的公式為

nw=σlj/σ工作≥[nw] ,

式中：nw為鉚釘鉚壓時的實際穩定安全系數；[nw]為規定的穩定安全系數，一般取1.8～3.0；σ工作為鉚釘的工作應力。如果計算結果不滿足以上條件，說明鉚釘鉚合時穩定性不足，應通過加大鉚釘厚度Sm來提高其穩定性。

5 結束語

淺兜孔浪形保持架整體剛性較差，在鉚合時易產生鉚釘變形、兩半保持架錯位等問題，所以在設計時要合理選擇鉚釘和保持架參數，并進行相關驗算，以免出現軸承夾球及回轉不靈活等現象。