提高圓柱滾子軸承軸向承載能力的設計改進

徐玲玲，蘇軍偉，范強

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

對于內、外圈有擋邊的NF，NJ，NUP等結構形式的圓柱滾子軸承，其擋邊可以承受一定的軸向載荷。通常情況下，軸承所能承受的載荷是以軸承運轉過程中的疲勞壽命為依據的，但圓柱滾子軸承的軸向承載能力不取決于疲勞壽命，而是取決于擋邊的強度及滾子端面與套圈擋邊之間滑動摩擦的發熱程度。特別對于高速或振動較大的工況，如果潤滑不良或沖擊過大，更容易引起擋邊和滾子之間接觸表面的磨損和擦傷，造成軸承早期失效。合理的接觸方式設計可有效改善滾子與擋邊間接觸處的潤滑，降低軸承發熱從而提高軸承的軸向承載能力。

1 帶擋邊圓柱滾子軸承允許的最大軸向載荷

無論任何工況，帶擋邊圓柱滾子軸承所能承受的軸向載荷首先均取決于擋邊的強度。為防止擋邊斷裂，所承受的軸向載荷不能超過CAmax1[1]。對于2直徑系列軸承

CAmax1=0.004 5D1.5;

(1)

對于其他直徑系列軸承

CAmax1=0.002 3D1.7。

(2)

而對于承受短暫或沖擊軸向載荷的2直徑系列軸承

CAmax1=0.013D1.5;

(3)

其他直徑系列軸承

CAmax1=0.007D1.7，

(4)

式中：CAmax1為防止擋邊斷裂所能承受的最大軸向載荷，kN；D為軸承外徑，mm。

同時，軸承所能承受的軸向載荷還取決于套圈擋邊與滾子端面的接觸摩擦發熱程度。因此，對于軸承允許的軸向載荷還需考慮以下因素：(1)滾子端面與擋邊接觸面的接觸面積、加工精度和跑合程度；(2)軸向載荷大小和作用時間；(3)潤滑劑及潤滑方式；(4)軸承轉速或滑動速度；(5)冷卻和散熱條件。

研究發現，在滑動摩擦中發熱量Q與接觸壓力P、滑動速度v和滑動摩擦因數μ之間存在正比關系，即

Q∝μPv。

動態軸向載荷能力是指在潤滑充分(黏度比κ≥2)，軸承溫度高于環境溫度60 ℃的條件下，可以確保軸承穩定運行的許用軸向載荷值。根據軸承表面熱損失AR(AR=πB(D+d))的大小，軸承允許的最大動態軸向載荷CAmax2計算如下。

當AR≤50 000 mm2時

(5)

當AR>50 000 mm2時

(6)

額外的冷卻系統可在一定程度上增加允許的軸向載荷，此時允許的最大動態軸向載荷為

(7)

從(5)～(7)式可以看出，軸承所能承受的徑向載荷越大，其能承受的動態軸向載荷也越大。

圓柱滾子軸承的軸向承載能力除了考慮擋邊形狀、接觸方式和潤滑等因素外，還應考慮擋邊與滾道間越程槽的大小、擋邊厚度等的影響，以降低軸承的非正常失效概率。

2 滾子與擋邊接觸方式的改進

在圓柱滾子軸承通用結構設計中，滾子端面與擋邊為平面與平面接觸，如圖1a所示。該結構能很好地矯正滾子在運動過程中的歪斜，但滾子端面與擋邊的平面接觸滑動會產生大的摩擦，制約了軸承的軸向承載能力。

用于鐵路車輛、較大振動等工況的圓柱滾子軸承，在設計時利用 (5)～(7) 式對軸向承載能力進行估算。為使其高速工作時擋邊能較好地承受軸向載荷，在保證擋邊強度的前提下將擋邊和滾子端面分別設計成錐面和球基面(圖1b)，使兩者的接觸由面接觸變為點接觸，從而改善了擋邊的受力及擋邊與滾子端面的潤滑。同時，避免了平擋邊加工過程中產生圓弧形擋邊(圖2)的可能性，消除了擋邊邊緣應力。

圖1 滾子端面與擋邊接觸幾何形狀

圖2 圓弧形擋邊

需要注意的是，設計時必須保證滾子與擋邊的接觸位置尺寸H1滿足H>H1>S(最好使接觸點處于擋邊中部)，S為越程槽徑向最大值，H為擋邊高度(圖3、圖4)。這樣，即使滾子有輕微傾斜，也能促使潤滑油膜的形成，降低滑動摩擦，同時也使擋邊根部的應力降到最低限度。如果載荷作用在擋邊邊緣或者越程槽邊緣，將會產生更大的接觸應力并且達不到接觸的最佳潤滑狀態。

圖4 套圈擋邊越程槽

目前，圓柱滾子軸承的斜擋邊設計考慮到軸承軸向承載能力、轉速及穩定性，其擋邊傾角(圖3)普遍選取θf=(10′～17′)±20″。同時，在實際設計中，滾子球基面半徑Re可初取為

圖3 滾子球基面與擋邊的接觸

Re=[(Dw/2)-H1]/sinθf,

(8)

式中：Dw為滾子直徑；H1可初取為擋邊有效接觸長度的一半，并取內、外擋邊中最小值。

由于Re和θf存在公差，為保證接觸點在要求的合理區域內，必須對接觸點位置進行校核

H1min=(Dw/2)-Remaxsinθfmax>S，

(9)

H1max=(Dw/2)-Reminsinθfmin

(10)

如果不滿足要求，可調整Re直至(9)～(10)式成立。

3 結束語

對于高速和需要承受一定軸向載荷的場合，控制軸承的溫升、改善擋邊受力狀況一直是帶擋邊圓柱滾子軸承中亟待解決的一個難題。而將擋邊、滾子端面分別設計為帶有一定角度的錐面、球基面，將滾子與擋邊之間的面接觸改為點接觸，既減小了接觸面積又改善了軸承潤滑，降低了軸承的溫升,提高了圓柱滾子軸承的軸向承載能力。