磁电机轴承保持架的改进

王朝光 ，王宏亮 ，王书群

（1.中航工业哈尔滨轴承有限公司 研发中心，黑龙江 哈尔滨 150036；2. 哈尔滨轴承集团公司 哈尔滨精密特种轴承厂，黑龙江 哈尔滨 150036；3.哈尔滨轴承集团公司 小型球轴承分厂，黑龙江 哈尔滨 150036）

1 前言

磁电机轴承是外圈分离型浅沟球轴承，因此，设计时必须将内组件—保持架、滚动体和内圈成为一体，以满足轴承工作性能的要求。以往磁电机轴承保持架为梅花形铜板冲压架，如图1所示，此保持架工艺复杂，需经切料、成型、整形、窜光等工序（保持架工艺路线：切环→翻里边→翻外边→冲孔→用工艺球硌压→兜孔加工→工艺整合等），还需要多套冲压模具、设备和工装等，致使轴承成本较高、装配效率低。并且，金属铜价格是增强尼龙价格的几倍。因此，我公司寻求了一种工艺简单、成本低廉又能满足用户使用要求的增强尼龙PA66-GF25注塑成型保持架，如图 2 所示。可设计出有利于轴承工作的几何形状，替代铜板冲压保持架。产品结构的改变，使轴承具有低噪声、低温升、高转速、抗冲击能力强等原结构所不具备的优良性能。

2 增强尼龙保持架轴承性能介绍

由于增强尼龙（PA66-GF25）具有摩擦系数小、弹性高、不易形成脆性裂纹、抗冲击性好等特性所决定，所以用该材料制造的轴承保持架能够起到隔离、引导并能改善滚动体与保持架受力状态的作用。采用增强尼龙保持架的轴承还能够满足保持架与滚动体及套圈之间相对滑动的要求，这是由于在尼龙PA66-GF25中加入了一定量的玻璃纤维增强剂和润滑剂制成的复合热稳定性和化学稳定性较好的材料，使之具有良好的耐磨性和自润滑等特性。当轴承失去润滑时，温度急剧上升，金属保持架将变形，造成滚动体卡滞，轴承抱死，碎裂。而增强尼龙保持架最初温度也会迅速上升，导致保持架融化，起到润滑作用，轴承不会很快抱死，在一定时间内能连续工作；增强尼龙保持架可在120°C以下正常工作；并具有嵌埋固体异物的能力使杂质吸附在保持架上而不进入轴承工作的滚道中，避免产生摩擦发热和磨损现象；比重小，为金属的1/7～1/6，从而大大降低了轴承在高速旋转过程中作用于保持架上的离心力，降低了轴承的振动、噪音，提高了轴承的高速性能；同时尼龙保持架可注塑成型，其几何形状取决于模具精度，注塑成型后尺寸一致性好，易于批量生产。

图1 梅花形铜板冲压保持架

图2 增强尼龙注塑成型保持架

3 新型增强尼龙保持架的设计

根据磁电机轴承外圈分离的工作特点，首先要求将内组件（保持架、滚动体和内圈）组合为一体，以保持架内、外径方向自锁球为核心将钢球锁在保持架兜孔内，并且保证钢球在兜孔中不掉球不夹球的灵活转动。因此设计时应使保持架兜孔的内、外径方向均能锁住钢球，球在保持架外径方向通过外锁点压入兜孔。

（1）考虑到增强尼龙的收缩变形易受环境的影响等特点，增强尼龙保持架的兜孔直径尺寸Δc应比车制兜孔尺寸稍大些，以免变形造成夹球现象。由于增强尼龙保持架为非金属材料且质量轻，所以兜孔尺寸加大不会影响轴承的噪声。

式中：Dw—钢球直径。

（2）保持架外径周向锁量J2={Δc-(Dc-Pc)}1/2

式中：Δc—兜孔直径，

Dc—保持架外径，

Pc—滚动体中心圆直径。为保证兜孔既能锁住球，而且又能将钢球顺利装入，根据增强尼龙材料弹性变形量及滚动体直径大小，经实践验证给出兜孔锁量值范围为：Dw-J2=0.15～0.4，如果此数值太大，滚动体无法装入兜孔。从（2）公式中可知，轴承主参数Dw、Pc选定后，兜孔直径Δc也为定值， 只有减小保持架外径Dc，才能使兜孔锁量值在合理范围内。但是如果减小保持架外径Dc，将影响保持架的强度，因此，在兜孔外径方向设计直径为ΔB圆窝（ΔB＞Δc），调整圆窝深度hB，使兜孔锁点处具有适合的锁量J2，保证钢球顺利装入保持架兜孔中。

（3）保持架内径锁量

内径轴向锁量：J={Δc2-(Pc-dc)2}1/2

式中：dc—保持架内径。

要求：J＞J1满足此式，可保证在装钢球时J1不对钢球干涉，保证钢球顺利装入保持架兜孔中；若J＜J1钢球将难以装入兜孔，可根据公式适当调整设计参数。

（4）为保证轴承旋转灵活性，滚动体在兜孔内不受卡、阻滞，成品保持架必须用控制钢球进行检验。检验时，控制钢球组外径不小于Dk,控制钢球组内径不大于dK。

钢球在保持架兜孔中外径方向窜动尺寸：

式中：D2max—外圈滚道最大直径，

Rwmax—外圈滚道最大沟曲率半径，

αmin—轴承最小接触角,

ε2—安全系数 ，ε2=0.3～0.8。

考虑到套圈过欠磨或保持架变形等多种因素，要求Dk1＜Dk，只有满足此式才能保证所设计的保持架外径方向不卡球，使钢球能在外圈滚道直径最大极限状态下与外滚道接触，轴承正常工作。

钢球在保持架兜孔中内径方向窜动尺寸：

式中：d2min—内圈滚道最小直径,

RNmax—内圈滚道最大沟曲率半径,

ε1—安全系数,ε1=0.2～0.6。

考虑到套圈过欠磨或保持架变形等多种因素， 要求dk1＞dk，只有满足此式，才能保证所设计的保持要求架内径方向不卡球，使钢球能在内圈滚道直径最小极限状态下与内滚道接触，轴承正常工作。

（5） 为使兜孔锁点处具有良好的弹性，将兜孔上、下锁点处打薄，分别设计成角度为α、β和25°角。

（6）为保证保持架注塑成型后，冷却均匀，使其收塑均匀一致，消除收塑凹坑，减小变形量，同时又可减轻保持架重量，提高轴承的极限转速，节省原材料，降低成本。因此在保证其强度的情况下将保持架两端面挖成槽形，其尺寸如下：

挖槽外径尺寸：Dc1=Pc+0.25Dw，

挖槽内径尺寸：dc1=Pc-0.25Dw，

挖槽深度尺寸：h=0.16Dw。

4 结束语

主要讨论了关于磁电机轴承保持架的结构以及不同结构、不同材质的保持架对该类轴承性能的影响，并给出了改进后的增强尼龙保持架设计方案。

改进后的增强尼龙PA66-GF25注塑成型保持架，替代了工艺复杂的铜板冲压型保持架。降低了成本，提高了生产效率，提高了轴承的性能。产品结构的改变，使轴承具有低 噪声、低温升、高转速、抗冲击能力强等原结构所不具备的优良性能。