磁電機軸承保持架的改進

王朝光 ，王宏亮 ，王書群

（1.中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心，黑龍江 哈爾濱 150036；2. 哈爾濱軸承集團公司 哈爾濱精密特種軸承廠，黑龍江 哈爾濱 150036；3.哈爾濱軸承集團公司 小型球軸承分廠，黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

磁電機軸承是外圈分離型淺溝球軸承，因此，設計時必須將內組件—保持架、滾動體和內圈成為一體，以滿足軸承工作性能的要求。以往磁電機軸承保持架為梅花形銅板沖壓架，如圖1所示，此保持架工藝復雜，需經切料、成型、整形、竄光等工序（保持架工藝路線：切環→翻里邊→翻外邊→沖孔→用工藝球硌壓→兜孔加工→工藝整合等），還需要多套沖壓模具、設備和工裝等，致使軸承成本較高、裝配效率低。并且，金屬銅價格是增強尼龍價格的幾倍。因此，我公司尋求了一種工藝簡單、成本低廉又能滿足用戶使用要求的增強尼龍PA66-GF25注塑成型保持架，如圖 2 所示。可設計出有利于軸承工作的幾何形狀，替代銅板沖壓保持架。產品結構的改變，使軸承具有低噪聲、低溫升、高轉速、抗沖擊能力強等原結構所不具備的優良性能。

2 增強尼龍保持架軸承性能介紹

由于增強尼龍（PA66-GF25）具有摩擦系數小、彈性高、不易形成脆性裂紋、抗沖擊性好等特性所決定，所以用該材料制造的軸承保持架能夠起到隔離、引導并能改善滾動體與保持架受力狀態的作用。采用增強尼龍保持架的軸承還能夠滿足保持架與滾動體及套圈之間相對滑動的要求，這是由于在尼龍PA66-GF25中加入了一定量的玻璃纖維增強劑和潤滑劑制成的復合熱穩定性和化學穩定性較好的材料，使之具有良好的耐磨性和自潤滑等特性。當軸承失去潤滑時，溫度急劇上升，金屬保持架將變形，造成滾動體卡滯，軸承抱死，碎裂。而增強尼龍保持架最初溫度也會迅速上升，導致保持架融化，起到潤滑作用，軸承不會很快抱死，在一定時間內能連續工作；增強尼龍保持架可在120°C以下正常工作；并具有嵌埋固體異物的能力使雜質吸附在保持架上而不進入軸承工作的滾道中，避免產生摩擦發熱和磨損現象；比重小，為金屬的1/7～1/6，從而大大降低了軸承在高速旋轉過程中作用于保持架上的離心力，降低了軸承的振動、噪音，提高了軸承的高速性能；同時尼龍保持架可注塑成型，其幾何形狀取決于模具精度，注塑成型后尺寸一致性好，易于批量生產。

圖1 梅花形銅板沖壓保持架

圖2 增強尼龍注塑成型保持架

3 新型增強尼龍保持架的設計

根據磁電機軸承外圈分離的工作特點，首先要求將內組件（保持架、滾動體和內圈）組合為一體，以保持架內、外徑方向自鎖球為核心將鋼球鎖在保持架兜孔內，并且保證鋼球在兜孔中不掉球不夾球的靈活轉動。因此設計時應使保持架兜孔的內、外徑方向均能鎖住鋼球，球在保持架外徑方向通過外鎖點壓入兜孔。

（1）考慮到增強尼龍的收縮變形易受環境的影響等特點，增強尼龍保持架的兜孔直徑尺寸Δc應比車制兜孔尺寸稍大些，以免變形造成夾球現象。由于增強尼龍保持架為非金屬材料且質量輕，所以兜孔尺寸加大不會影響軸承的噪聲。

式中：Dw—鋼球直徑。

（2）保持架外徑周向鎖量J2={Δc-(Dc-Pc)}1/2

式中：Δc—兜孔直徑，

Dc—保持架外徑，

Pc—滾動體中心圓直徑。為保證兜孔既能鎖住球，而且又能將鋼球順利裝入，根據增強尼龍材料彈性變形量及滾動體直徑大小，經實踐驗證給出兜孔鎖量值范圍為：Dw-J2=0.15～0.4，如果此數值太大，滾動體無法裝入兜孔。從（2）公式中可知，軸承主參數Dw、Pc選定后，兜孔直徑Δc也為定值， 只有減小保持架外徑Dc，才能使兜孔鎖量值在合理范圍內。但是如果減小保持架外徑Dc，將影響保持架的強度，因此，在兜孔外徑方向設計直徑為ΔB圓窩（ΔB＞Δc），調整圓窩深度hB，使兜孔鎖點處具有適合的鎖量J2，保證鋼球順利裝入保持架兜孔中。

（3）保持架內徑鎖量

內徑軸向鎖量：J={Δc2-(Pc-dc)2}1/2

式中：dc—保持架內徑。

要求：J＞J1滿足此式，可保證在裝鋼球時J1不對鋼球干涉，保證鋼球順利裝入保持架兜孔中；若J＜J1鋼球將難以裝入兜孔，可根據公式適當調整設計參數。

（4）為保證軸承旋轉靈活性，滾動體在兜孔內不受卡、阻滯，成品保持架必須用控制鋼球進行檢驗。檢驗時，控制鋼球組外徑不小于Dk,控制鋼球組內徑不大于dK。

鋼球在保持架兜孔中外徑方向竄動尺寸：

式中：D2max—外圈滾道最大直徑，

Rwmax—外圈滾道最大溝曲率半徑，

αmin—軸承最小接觸角,

ε2—安全系數 ，ε2=0.3～0.8。

考慮到套圈過欠磨或保持架變形等多種因素，要求Dk1＜Dk，只有滿足此式才能保證所設計的保持架外徑方向不卡球，使鋼球能在外圈滾道直徑最大極限狀態下與外滾道接觸，軸承正常工作。

鋼球在保持架兜孔中內徑方向竄動尺寸：

式中：d2min—內圈滾道最小直徑,

RNmax—內圈滾道最大溝曲率半徑,

ε1—安全系數,ε1=0.2～0.6。

考慮到套圈過欠磨或保持架變形等多種因素， 要求dk1＞dk，只有滿足此式，才能保證所設計的保持要求架內徑方向不卡球，使鋼球能在內圈滾道直徑最小極限狀態下與內滾道接觸，軸承正常工作。

（5） 為使兜孔鎖點處具有良好的彈性，將兜孔上、下鎖點處打薄，分別設計成角度為α、β和25°角。

（6）為保證保持架注塑成型后，冷卻均勻，使其收塑均勻一致，消除收塑凹坑，減小變形量，同時又可減輕保持架重量，提高軸承的極限轉速，節省原材料，降低成本。因此在保證其強度的情況下將保持架兩端面挖成槽形，其尺寸如下：

挖槽外徑尺寸：Dc1=Pc+0.25Dw，

挖槽內徑尺寸：dc1=Pc-0.25Dw，

挖槽深度尺寸：h=0.16Dw。

4 結束語

主要討論了關于磁電機軸承保持架的結構以及不同結構、不同材質的保持架對該類軸承性能的影響，并給出了改進后的增強尼龍保持架設計方案。

改進后的增強尼龍PA66-GF25注塑成型保持架，替代了工藝復雜的銅板沖壓型保持架。降低了成本，提高了生產效率，提高了軸承的性能。產品結構的改變，使軸承具有低 噪聲、低溫升、高轉速、抗沖擊能力強等原結構所不具備的優良性能。