提高圆柱滚子轴承轴向承载能力的设计改进

徐玲玲，苏军伟，范强

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

对于内、外圈有挡边的NF，NJ，NUP等结构形式的圆柱滚子轴承，其挡边可以承受一定的轴向载荷。通常情况下，轴承所能承受的载荷是以轴承运转过程中的疲劳寿命为依据的，但圆柱滚子轴承的轴向承载能力不取决于疲劳寿命，而是取决于挡边的强度及滚子端面与套圈挡边之间滑动摩擦的发热程度。特别对于高速或振动较大的工况，如果润滑不良或冲击过大，更容易引起挡边和滚子之间接触表面的磨损和擦伤，造成轴承早期失效。合理的接触方式设计可有效改善滚子与挡边间接触处的润滑，降低轴承发热从而提高轴承的轴向承载能力。

1 带挡边圆柱滚子轴承允许的最大轴向载荷

无论任何工况，带挡边圆柱滚子轴承所能承受的轴向载荷首先均取决于挡边的强度。为防止挡边断裂，所承受的轴向载荷不能超过CAmax1[1]。对于2直径系列轴承

CAmax1=0.004 5D1.5;

(1)

对于其他直径系列轴承

CAmax1=0.002 3D1.7。

(2)

而对于承受短暂或冲击轴向载荷的2直径系列轴承

CAmax1=0.013D1.5;

(3)

其他直径系列轴承

CAmax1=0.007D1.7，

(4)

式中：CAmax1为防止挡边断裂所能承受的最大轴向载荷，kN；D为轴承外径，mm。

同时，轴承所能承受的轴向载荷还取决于套圈挡边与滚子端面的接触摩擦发热程度。因此，对于轴承允许的轴向载荷还需考虑以下因素：(1)滚子端面与挡边接触面的接触面积、加工精度和跑合程度；(2)轴向载荷大小和作用时间；(3)润滑剂及润滑方式；(4)轴承转速或滑动速度；(5)冷却和散热条件。

研究发现，在滑动摩擦中发热量Q与接触压力P、滑动速度v和滑动摩擦因数μ之间存在正比关系，即

Q∝μPv。

动态轴向载荷能力是指在润滑充分(黏度比κ≥2)，轴承温度高于环境温度60 ℃的条件下，可以确保轴承稳定运行的许用轴向载荷值。根据轴承表面热损失AR(AR=πB(D+d))的大小，轴承允许的最大动态轴向载荷CAmax2计算如下。

当AR≤50 000 mm2时

(5)

当AR>50 000 mm2时

(6)

额外的冷却系统可在一定程度上增加允许的轴向载荷，此时允许的最大动态轴向载荷为

(7)

从(5)～(7)式可以看出，轴承所能承受的径向载荷越大，其能承受的动态轴向载荷也越大。

圆柱滚子轴承的轴向承载能力除了考虑挡边形状、接触方式和润滑等因素外，还应考虑挡边与滚道间越程槽的大小、挡边厚度等的影响，以降低轴承的非正常失效概率。

2 滚子与挡边接触方式的改进

在圆柱滚子轴承通用结构设计中，滚子端面与挡边为平面与平面接触，如图1a所示。该结构能很好地矫正滚子在运动过程中的歪斜，但滚子端面与挡边的平面接触滑动会产生大的摩擦，制约了轴承的轴向承载能力。

用于铁路车辆、较大振动等工况的圆柱滚子轴承，在设计时利用 (5)～(7) 式对轴向承载能力进行估算。为使其高速工作时挡边能较好地承受轴向载荷，在保证挡边强度的前提下将挡边和滚子端面分别设计成锥面和球基面(图1b)，使两者的接触由面接触变为点接触，从而改善了挡边的受力及挡边与滚子端面的润滑。同时，避免了平挡边加工过程中产生圆弧形挡边(图2)的可能性，消除了挡边边缘应力。

图1 滚子端面与挡边接触几何形状

图2 圆弧形挡边

需要注意的是，设计时必须保证滚子与挡边的接触位置尺寸H1满足H>H1>S(最好使接触点处于挡边中部)，S为越程槽径向最大值，H为挡边高度(图3、图4)。这样，即使滚子有轻微倾斜，也能促使润滑油膜的形成，降低滑动摩擦，同时也使挡边根部的应力降到最低限度。如果载荷作用在挡边边缘或者越程槽边缘，将会产生更大的接触应力并且达不到接触的最佳润滑状态。

图4 套圈挡边越程槽

目前，圆柱滚子轴承的斜挡边设计考虑到轴承轴向承载能力、转速及稳定性，其挡边倾角(图3)普遍选取θf=(10′～17′)±20″。同时，在实际设计中，滚子球基面半径Re可初取为

图3 滚子球基面与挡边的接触

Re=[(Dw/2)-H1]/sinθf,

(8)

式中：Dw为滚子直径；H1可初取为挡边有效接触长度的一半，并取内、外挡边中最小值。

由于Re和θf存在公差，为保证接触点在要求的合理区域内，必须对接触点位置进行校核

H1min=(Dw/2)-Remaxsinθfmax>S，

(9)

H1max=(Dw/2)-Reminsinθfmin

(10)

如果不满足要求，可调整Re直至(9)～(10)式成立。

3 结束语

对于高速和需要承受一定轴向载荷的场合，控制轴承的温升、改善挡边受力状况一直是带挡边圆柱滚子轴承中亟待解决的一个难题。而将挡边、滚子端面分别设计为带有一定角度的锥面、球基面，将滚子与挡边之间的面接触改为点接触，既减小了接触面积又改善了轴承润滑，降低了轴承的温升,提高了圆柱滚子轴承的轴向承载能力。