CA型調心滾子軸承調心性能影響因素淺析

翁世席，公平

（1. 哈爾濱軸承集團有限公司，哈爾濱 150025； 2. 中國航發哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025）

1 前言

CA 型調心滾子軸承（以下簡稱“調心滾子軸承”）是調心滾子軸承的典型結構[1]，市場應用廣泛，已經屬于成熟產品。但是各生產企業之間并未形成統一的內部結構標準，設計理念有所差距，導致各家的同型號產品性能亦有差距。這其中，一個比較容易被忽略的軸承性能就是裝配時候的調心性，一般客戶會以調心滾子軸承的內組件是否能順滑地從外圈滾道中轉出和轉入來評定軸承的質量。在實際生產過程中，調心滾子軸承的調心性是受到多個因素影響的，而且由于部分零件的偏差在實際生產過程中難以控制，所以很多企業在生產調心滾子軸承時需要進行“試套”， 目的一個是驗證內組件是否掉滾子，另一個就是試驗裝配的調心性能。遺憾的是，經過試套對于效果不好的產品，廠家往往從經濟方面考慮，采用盲目調整某些保持架結構尺寸的方法來彌補和掩蓋導致產品產生問題的真因。這就導致同樣的型號不同批次需要反復“試套”，得不償失。

2 調心性能的影響因素

2.1 內圈滾道寬度的影響

調心滾子軸承內圈滾道的寬度取決于套圈車削時的擋邊厚度控制，對于 CA 型調心滾子軸承，其內圈具有兩個對稱的小擋邊，用于引導滾子端面，每個小擋邊各有一個裝滾子缺口，相隔180°。該小擋邊是車工控制尺寸，并通過擋邊樣板進行定性測量，即內圈滾道的寬度是通過控制小擋邊厚度來間接保證的。在實際生產加工過程中，裝配人員往往發現那些小擋邊厚度較薄，也就是內圈滾道寬度更寬的產品在成品裝保持架和滾子的時候，更容易裝入滾子，加之小擋邊厚度的公差本身就是減方向，加之熱處理變形的影響，導致成品內圈的滾道寬度往往大于設計尺寸。這就導致了滾子受到小擋邊的限位效果減弱，易導致兩列滾子分別滑向小擋邊側，則導致滾子的兩個端面邊緣位置凸出理想圓的直徑，即產生了滾子容易卡住，參見圖1。

圖1 內圈滾道寬度影響軸承調心性

2.2 內圈退刀槽的影響

內圈在加工過程中，擋邊與滾道交接處需要加工退刀槽，該退刀槽不但便于擋邊車削和滾道磨削，而且可以避免因銳角而產生的局部應力集中。但是在實際加工過程中，由于刀具形狀以及磨損的影響，該退刀槽往往容易超差。較大的退刀槽往往大于滾子倒角很多，導致滾子與滾道的接觸線變短，不但會影響軸承的承載能力，而且會造成裝配調心性不好，參見圖2。因為退刀槽過大，會導致滾子易產生基于退刀槽部位的傾覆，這時如果內組件在外圈之外，則會產生滾子倒角處與外圈滾道邊緣相干涉的現象，即導致內組件難以順滑地回到外圈滾道之內。

圖2 內圈退刀槽影響軸承調心性

2.3 保持架兜孔間隙以及對滾子包容量的影響

保持架兜孔與滾子表面的間隙按照設計標準一般為 0.2~0.4 mm，根據軸承尺寸大小有所差距。這一間隙是為了保證保持架對滾子的引導作用，同時保證軸承在運轉過程中保持架與滾子留有合適的間隙，設計標準中規定的兜孔形狀是圓柱形兜孔加一段縮小的圓錐形兜孔，如圖3。

圖3 保持架兜孔形狀

保持架對滾子的包容量主要包括保持架的寬度和徑向方向的厚度，此外與保持架包容滾子的部位也相關。實際裝配過程中發現，當滾子在保持架兜孔中發生傾覆時，保持架兜孔對于這種傾覆運動的限制作用是極其有限的，只有保持架的有效壁厚足夠包容滾子滾動表面時，才能夠有效限制滾子的傾覆運動，也就是防止軸承內組件回位時滾子倒角卡在外圈滾道邊緣的倒角上。基于這樣的表面現象，很多廠家往往采用減小兜孔中心徑、減小兜孔間隙等方法來強行限制滾子的傾覆運動，以達到調心性能好的裝配效果。殊不知這樣的貿然調整將致使滾子被保持架過度壓向內圈滾道方向，從而使軸承運轉過程中，非承載范圍的滾子極易與外圈產生有害的打滑，最終導致軸承過早失效，而且，減小的間隙也在溫度升高后容易產生軸承抱死的風險。

3 關于調心性能的淺析

3.1 調心性能對軸承應用的影響

調心滾子軸承在實際裝機應用時，其內圈相對于外圈的允許調心角度是有限的，根據產品系列不同，允許的調心角度亦有差距，一般最大不應超過 3°，當使用的調心角度超過軸承允許的調心角度時，將會產生滾子有效接觸范圍超出套圈滾道而導致有害的邊緣應力效應，從而導致軸承早期失效。因此，對于實際應用的角度，軸承的調心性能僅在 3°范圍內旋轉順暢無卡滯即可，而不應苛求于整個內組件在外圈滾道內任意角度的調心性能。

3.2 改善調心性能的幾點建議

1）內圈與保持架的加工精度

內圈滾道的整體寬度和退刀槽的寬度均是車加工完成的，因此控制車加工的精度是很重要的。傳統的車削內圈小擋邊是采用車工樣本來定性檢測小擋邊厚度， 間接保證滾道寬度，但是在尺寸鏈公差的累計下，很容易造成非直接控制的滾道寬度超差，而且，小擋邊厚度實際并非需要控制的關鍵尺寸，該尺寸實際測量時可參考文獻 [2] 。因此，采用直接測量滾道寬度的方式應為更加合理，即將原來的小擋邊厚度樣板改為滾道寬度樣板。

退刀槽的寬度在實際加工中由于刀具刀頭的形狀所限，加工尺寸往往超出圖紙的要求，即寬度超差。原始設計中，退刀槽的寬度普遍已經大于滾子倒角的寬度，即軸承的載荷能力已經有所下降，但是在退刀槽寬度超差較多的情況下，這一趨勢將更加明顯。在嚴格控制退刀槽尺寸的情況下，磨削滾道時砂輪倒角也應注意，避免產生滾道邊緣磨削“閃邊”。

2）保持架結構優化

保持架的結構優化應從包容滾子位置和兜孔底部形狀兩方面進行。

首先，保持架包容滾子的包容量在允許的情況下，越大越有利于保持架限制滾子的傾覆運動，但是受到軸承裝配的限制以及成本的考慮，保持架的有效壁厚不宜增加過多。為了盡可能地限制滾子內側端部的傾覆運動，保持架對滾子的包容部位應在允許的情況下，采用較大的外徑尺寸以達到包容滾子內側端部的效果，即保持架外徑應盡可能地增大。此外，保持架外徑傾斜表面的位置也應注意，參見圖4，該斜面起到穩定滾子的作用，傳統的設計中，該斜面是自滾子中部開始向外的，即斜面與兜孔相貫產生的直線使滾子容易產生原始的不平衡量，易產生傾覆，因此可調整斜面位置至滾子中部或者偏向內側，則會較好地限制滾子內側端面的傾覆。

圖4 保持架外徑斜面

保持架兜孔底部為錐形收縮（見圖3），導致當角度略大或者錐形深度較小的時候，極易致使滾子端部與保持架的間隙較大，從而產生滾子內側端部易轉向保持架外徑方向。因此須嚴格控制這兩個尺寸，與此同時，可以嘗試采用與滾子同形狀的保持架兜孔形狀，但是會一定程度上增加加工成本。

4 結論

調心滾子軸承的調心性能的影響因素是多方面的，本文僅從幾個主要的方面進行論述，并且定性地進行了淺析，希望能從理論的角度給與調心滾子軸承的加工提供一定的支持，從而對軸承的調心性能的改善有所幫助。對于軸承內部結構的優化，隨著加工水平的提升以及新材料的應用，相信在不久的將來，這一方面的工作必將取得突破性的進展。