一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架及轴承的制作方法

本发明涉及轴承保持架领域，具体涉及一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架及轴承。

背景技术：

圆柱滚子轴承包括内圈、环绕内圈的外圈、位于内圈和外圈之间的保持架及位于保持架内且相互隔开的圆柱滚子(滚动体)。滚动体的导向在滚动轴承中需借助保持架保持稳定，保持架一般具有两个侧环，在两个侧环之间延伸有横梁，横梁之间形成与滚动体配合兜孔。保持架圆周引导面“面积”是影响引导面摩擦力的根本因素，传统轴承保持架的圆周引导面“面积”一般较大，造成摩擦力增大，轴承的性能降低。同时滚动体与润滑脂之间相对运动产生的绕流阻力与滚动体尺寸有关，在传统工程应用过程中，滚动体与保持架之间的相对引导面积较大，造成绕流阻力较大，会降低轴承性能。

技术实现要素：

本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架及轴承，来解决传统圆柱滚子轴承保持架的圆周引导面积较大、滚动体与保持架之间的相对引导面积较大，而造成摩擦力较大的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架及轴承，包括保持架本体，所述保持架本体设于外圈与内圈之间，所述保持架本体包括两根环形边梁和将两根环形边梁在轴向连接的多根横梁，相邻横梁间形成兜孔，所述兜孔侧面的横梁上设有至少一个夹持部，所述夹持部包括第一锁口凸台、第二锁口凸台以及与滚动体相持的圆弧形部，所述圆弧形部设置于所述第一锁口凸台和第二锁口凸台之间，所述第一锁口凸台和第二锁口凸台能对滚动体进行径向限位，所述横梁远离所述保持架本体中心的一侧设有减压凹槽，所述兜孔侧面的环形边梁上设有端部凹槽和至少一个凸起部，所述凸起部和端部凹槽交叉分布，所述凸起部能对滚动体进行轴向限位，所述环形边梁的外径面上设有多个引导接触部和引导非接触部，所述引导接触部的直径大于所述引导非接触部的直径。

优选地，所述减压凹槽沿所述保持架本体的轴向设置，所述减压凹槽的长度小于所述兜孔的轴向长度，所述减压凹槽的长度不小于所述夹持部的轴向分布范围。

优选地，所述第一锁口凸台设于所述横梁远离所述保持架本体中心的一侧，所述第二锁口凸台设于所述横梁靠近所述保持架本体中心的一侧，所述减压凹槽的深度不小于所述第一锁口凸台的径向长度。

优选地，所述兜孔呈矩形，所述凸起部沿所述保持架本体的径向设置，所述兜孔的每一侧环形边梁上均设有两个凸起部，两个凸起部之间形成端部凹槽，所述兜孔的每一侧横梁上均设有两个夹持部，两个夹持部之间设有空隙部，所述兜孔的四个角设有角部凹槽。

优选地，所述兜孔两侧的夹持部沿滚动体轴向对称设置，且相对的两个第一锁口凸台之间的距离与滚动体直径的差值等于(1-2)/54倍的滚动体直径值，相对的两个第二锁口凸台之间的距离与滚动体直径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体直径值，所述外圈的两端均设有挡边，所述挡边的内径与引导接触部外径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体直径值，所述引导接触部的直径与所述引导非接触部的直径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体直径值。

优选地，所述引导接触部和所述引导非接触部的数量均与滚动体数量相同，所述引导接触部的周向长度与所述环形边梁的周长比为1：3，所述环形边梁背离所述兜孔的一侧设有环形槽，所述环形槽内设有加强筋，所述环形槽的深度与所述环形边梁的轴向长度之比小于1：3。

优选地，所述凸起部的宽度与滚动体的直径之比为1：(5-6)，所述端部凹槽的宽度与所述凸起部的宽度之比为2：1，所述兜孔的轴向长度与所述夹持部的轴向长度比为6：1，所述兜孔的轴向长度与所述滚动体的轴向长度比为61：60，所述圆弧形部的直径与滚动体的直径之比为1.015：1。

优选地，所述加强筋处环形边梁的断裂拉伸力数值不小于1.3倍的滚动体直径与滚动体轴向长度的乘积数值，所述环形槽处环形边梁的断裂拉伸力数值不小于3倍的滚动体直径与滚动体轴向长度的乘积数值，所述横梁的拉伸断裂力数值不小于3倍的滚动体端面面积数值。

一种轴承，包括上述任意一项所述的保持架、外圈、内圈以及多个滚动体，所述滚动体设于兜孔内。

优选地，所述轴承为圆柱滚子轴承。

与现有技术比较，本发明所述的一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架及轴承的有益效果为：本发明中的滚动轴承保持架具有与滚动体及外径产生引导关系的混合引导模式，在与滚动体的接触相持面上开有多个降低摩擦的空隙区域，降低滚动体与保持架之间的滑动摩擦并存储一定量的油脂，改善滚动体与保持架之间接触面的润滑状态；在外径引导面上，采用对称双边梁外径引导，但外径引导面上有与滚动体数目一致的凹陷区域，以降低高速运行时保持架外径引导面与外圈挡边内径之间的摩擦发热，适宜铁路高速、重载车辆轴箱用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架结构。

附图说明

图1是本发明实施例中保持架安装的结构示意图(轴承外圈1/4断面)；

图2是本发明实施例中保持架与滚动体的装配相持状态图；

图3是本发明实施例中保持架的整体结构示意图；

图4是本发明实施例中保持架的局部结构示意图；

图5是本发明实施例中兜孔与滚动体的接触相持状态图；

图6是本发明实施例中保持架引导面与轴承外圈装配示意图；

图7是本发明实施例中环形边梁的结构尺寸示意图；

图8是本发明实施例中保持架边梁加强筋处轴向截面的结构尺寸示意图；

图9是本发明实施例中边梁最小截面的结构尺寸示意图；

图10是本发明实施例中横梁的轴向剖视结构示意图；

图11是本发明实施例中兜孔与滚动体的尺寸示意图；

图12是本发明实施例中兜孔与滚动体的相持状态示意图；

图13是本发明实施例中横梁剖视及边梁凹槽结构示意图；

图14是本发明实施例中横梁的最小径向截面示意图。

图中，1、保持架本体；2、滚动体；3、外圈；4、内圈；11、环形边梁；12、横梁；13、兜孔；111、凸起部；112、端部凹槽；113、角部凹槽；114、环形槽；115、加强筋；116、引导接触部；117、引导非接触部；121、减压凹槽；122、夹持部；123、空隙部；1221、第一锁口凸台；1222、第二锁口凸台；1223、圆弧形部。

rg01、lg01：保持架与滚动体端部第一间隙部(角部凹槽)；

rf01、lf01：保持架与滚动体端部第一相持部(凸起部)；

rmg01、lmg01：保持架与滚动体端部中间间隙部(端部凹槽)；

rf02、lf02：保持架与滚动体端部第二相持部(凸起部)；

rg02、lg02：保持架与滚动体端部第二间隙部(角部凹槽)；

ff01、bf01：保持架与滚动体滚动面第一相持部(夹持部)；

fmg01、bmg01：保持架与滚动体滚动面中间间隙部(空隙部)；

ff02、bf02：保持架与滚动体滚动面第二相持部(夹持部)；

ls01、rs01：外圈的挡边；

dc：保持架依托外圈挡边ls01、rs01引导的引导接触部的直径；

d2：轴承外圈引导保持架的内径面直径；

dc1：保持架依托轴承外圈的引导非接触部的直径；

sδ：保持架依托轴承外圈的引导非接触部的圆周长度；

sl：保持架依托轴承外圈的引导接触部的圆周长度；

δr：加强筋的宽度；

bc：保持架的总宽度；

lc：兜孔长度；

lδe：夹持部(第一锁口凸台、第二锁口凸台和圆弧形部)的轴向宽度；

δf：凸起部与端部凹槽之间的轴向深度差；

bc1：环形边梁的轴向宽度(包括凸起部)；

bc2：环形边梁的轴向宽度(不包括凸起部)；

hc：环形边梁的径向高度；

sweld：环形边梁的截面积(不包括凸起部)；

hc1：环形槽的径向高度；

bc：环形槽的轴向深度；

sb：环形边梁的最小截面积；

lec：减压凹槽的轴向长度；

lwe：滚动体的轴向长度；

dwe：滚动体的滚动面直径；

dwc：保持架与滚动体相持的圆弧形部的弧形面直径；

δi：兜孔内相对两侧的两个第二锁口凸台之间的距离；

δe：兜孔内相对两侧的两个第一锁口凸台之间的距离；

δb：横梁的截面最小宽度；

he：第一锁口凸台的径向高度；

δc：减压凹槽的径向深度；

δb1：横梁减压凹槽部分的截面半宽度；

tf：环形边梁与滚动体端部相持的凸起部的宽度；

tfg：环形边梁与滚动体端部相持的两个凸起部之间的间隔距离；

scb：横梁剖视最小截面的面积。

具体实施方式

如图1-3所示，一种高速、重载用圆柱滚子轴承的聚酰胺制保持架，包括保持架本体1，保持架本体1安装在轴承的外圈3与内圈4之间。保持架本体1包括两根环形边梁11和将两根环形边梁11在轴向连接的多根横梁12，横梁12从图中右边的环形边梁11延伸到左边的环形边梁11，两根环形边梁11成面对称布置。相邻横梁12间形成能装填滚动体2的兜孔13，兜孔13数量与滚动体2数量一致，每一兜孔13中含有一个滚动体2。兜孔13侧面的横梁12上设有至少一个夹持部122，夹持部122包括第一锁口凸台1221、第二锁口凸台1222和圆弧形部1223，第一锁口凸台1221设于横梁12远离保持架本体1本体中心的一侧(靠近横梁12外径面的一侧)，第二锁口凸台1222设于横梁12靠近保持架本体1本体中心的一侧(靠近横梁12内径面的一侧)，圆弧形部1223设于第一锁口凸台1221和第二锁口凸台1222之间。横梁12通过圆弧形部1223与滚动体2相持，通过第一锁口凸台1221和第二锁口凸台1222对滚动体2进行径向限位，保持滚动体2不向内或向外脱离，该保持架本体1适宜单列、双列或多列滚动轴承。

如图4所示，环形边梁11上设有多个引导接触部116，引导接触部116与横梁12表面的径向长度平齐且与横梁12为一体式结构。横梁12的外径作为外引导的接触面，同时环形边梁11上的引导接触部116也作为外引导接触面，环形边梁11在兜孔13的其余部分设计成引导非接触部117的凹陷形状。当轴承旋转时，只有引导接触部116与外圈3的左挡边ls01及挡边rs01进行引导接触，降低了接触面积，从而降低引导面摩擦力fcl，提升轴承性能。

兜孔13的每一侧环形边梁11上均设有两个凸起部111，凸起部111沿保持架本体1本体的径向设置，两个凸起部111之间形成端部凹槽112，环形边梁11通过凸起部111与滚动体2的端部相持，对滚动体2进行轴向限位。兜孔13呈矩形，兜孔13的四个角均设有角部凹槽113，环形边梁11上的凸起部111分别与角部凹槽113相连。当轴承旋转时，上述结构可以降低滚动体端部绕流阻力fd，提高轴承性能。

兜孔13每一侧的横梁12上均设有两个夹持部122，横梁12上的夹持部122分别与角部凹槽113相连，横梁12通过夹持部122与滚动体2的滚动面相持，两个夹持部122之间设有空隙部123。当轴承旋转时，只有圆弧形部1223与滚动体2滚动面相持接触，降低与滚动体2圆周接触面积降低，降低了滚动体圆周的绕流阻力fd。

横梁12远离保持架本体1中心的一侧(横梁12的外径面)中间设有非贯通的减压凹槽121，减压凹槽121沿保持架本体1的轴向设置，减压凹槽121的长度小于兜孔13的轴向长度，保证环形边梁11的强度不会受到影响。夹持部122的轴向分布范围不超过减压凹槽121的长度，本实施例中，减压凹槽121在轴向位置涵盖了两个夹持部122的位置，方便在进行拔模时，兜孔13模芯易从两个横梁12中间拔出，而不损坏第一锁口凸台1221。

如图5所示，滚动体2工作时在保持架的兜孔13中有8个相持接触部和8个间隙非接触部。滚动体2端面与兜孔13的相持接触部为四个凸起部111：rf01、rf02、lf01、lf02，滚动体2滚动面与兜孔13的相持接触部为四个夹持部122：ff01、ff02、bf01、bf02；滚动体2端面与兜孔13的非接触间隙部为四个角部凹槽113：rg01、rg02、lg01、lg02和两个端部凹槽112：rmg01、lmg01，滚动体2滚动面与兜孔13的非接触部为两个空隙部123：fmg01、bmg01。

如图6所示，保持架本体1与滚动体2安装在外圈3与内圈4之间的空隙处，外圈3的端部设计有两个挡边ls01、rs01，挡边ls01、rs01的内径为d2，保持架本体1的引导接触部116的外径为dc，挡边的内径与引导接触部116外径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体2直径值，即d2-dc＝(1-2)dwe/27。本实施例中，为了适应高速运行，引导接触部116的外径dc较ls01、rs01的内径d2至少小1～2mm，即dc＝d2-(1～2)。引导间隙直接影响引导阻力，上述方案公开的引导间隙，可以降低摩擦发热、减小振动、改善保持架运转稳定性、降低滚动体2打滑率，提高轴承稳定性。

如图7所示，环形边梁11的引导非接触部117的外径为dc1，引导接触部116的直径与引导非接触部117的直径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体2直径值，即dc1＝dc-(1-2)dwe/27。本实施例中，引导非接触部117的直径比引导接触部116的直径dc小1-2mm，即dc1＝dc-(1-2)，排除了引导非接触部117的引导摩擦阻力。引导接触部116部分的圆周长度sl约为兜孔13附近环形边梁11部分的圆周长度的1/3，引导非接触部117的圆周长度sδ约为兜孔13附近环形边梁11部分的圆周长度的2/3，即sl＝(πdc/z)/3，sδ＝2(πdc/z)/3，降低了2/3的引导摩擦阻力。

如图8-9所示，保持架本体1的总宽度为bc，兜孔13的轴向长度为lc，为了与滚动体2相持，兜孔13的轴向长度lc较滚动体2的长度lwe长1/60，即lc＝lwe+lwe/60。兜孔13与滚动体2之间的间隙有效保证滚动体2与保持架本体1的引导间隙，同时还有降低摩擦发热、减小振动、改善保持架本体1运转稳定性、滚动体2打滑率等作用。

横梁12上与滚动体2相持的夹持部122(即第一锁口凸台1221、第二锁口凸台1222和圆弧形部1223)的轴向宽度为lδe，lδe为兜孔13轴向长度lc的1/6，即lδe＝lc/6。圆弧形部1223与滚动体2外径面相持接触部面积降低了2/3，有效降低滚动体2旋转绕流阻力fd。

环形边梁11与滚动体2端部的非接触部分有四个角部凹槽113：rg01、rg02、lg01、lg02和两个端部凹槽112：rmg01、lmg01，环形边梁11与滚动体2端部的接触部分有四个凸起部111：rf01、rf02、lf01和lf02。环形边梁11的轴向厚度为bc1，环形边梁11上非接触部分相对于接触部分的深度为δf，δf选择为0.5mm，即rg01、rg02、rmg01等非接触部分的凹陷深度为0.5mm。上述结构设计排除了rg01、rg02、rmg01等非接触部分与滚动体2端部的摩擦绕流阻力，减小了环形边梁11与滚动体2之间的摩擦阻力，提升轴承性能。

环形边梁11背离兜孔13的端面设有环形槽114，环形槽114中间有熔接痕，熔接痕处设有加强筋115，形成熔接痕部。环形边梁11在剔除非接触部分后剩余的轴向厚度为bc2，环形边梁11的径向高度为hc，环形边梁11的熔接痕部横截面面积为sweld，即sweld＝bc2*hc。在设计sweld时，考虑注塑工艺最终形成的熔接痕部拉伸强度σt一般约为机体材料拉伸强度σ的50％左右，熔接痕部的断裂拉伸力f为熔接痕部拉伸强度σt与熔接痕部横截面面积sweld的乘积，即f＝σt*sweld。充分考虑铁路高速、重载车辆轴箱部位的运行工况，熔接痕部的断裂拉伸力f应不小于1.3倍dwe*lwe，即f＝σt*sweld≥1.3dwe*lwe，sweld≥1.3dwe*lwe/σt，可作为边梁熔接痕部强度校核的基本方法。如果熔接痕部的断裂拉伸力f小于1.3dwe*lwe，在铁路高速、重载车辆运行过程中存在熔接痕部断裂的风险。

环形槽114的轴向深度为bc，径向高度为hc1，环形边梁11的横截面面积(除去环形槽114截面积)为sb，即sb＝bc2*hc-bc*hc1。环形槽114的轴向深度bc应小于环形边梁11的轴向长度bc2的1/3，环形槽114的径向高度hc1为hc-2bc，即hc1＝hc-2bc。环形边梁11端面(有环形槽114)的拉伸断裂力f1为sb与机体材料拉伸强度σ的乘积，即f1＝sb*σ，f1应不小于3倍的dwe*lwe，即f1≥3*dwe*lwe，sb*σ≥3*dwe*lwe，sb≥3*dwe*lwe/σ，可作为边梁强度校核的基本方法。如果边梁拉伸断裂力f1小于3*dwe*lwe，在铁路高速、重载车辆运行过程中存在边梁断裂、变形的风险。

如图10所示，横梁12上设有减压凹槽121，减压凹槽121的轴向长度为lec，lec小于兜孔13的轴向长度lc，且大于横梁12与滚动体2圆柱面相持的两个夹持部122的轴向最大范围尺寸，即lc≥lec≥2lc/3，也可表示为lec≈5lc/6。本发明中的保持架采用注塑成型保持架，上述结构设计方便在进行拔模时，兜孔13模芯易从两个横梁12中间拔出，而不损坏第一锁口凸台1221，同时避开保持架的横梁12根部薄弱点，不会影响保持架的结构强度。

如图11所示，横梁12上与滚动体2圆柱面相持的圆弧形部1223的直径为dwc，dwc大于滚动体2的直径dwe，且增加量约为0.015倍的dwe，即dwc＝0.015dwe+dwe。上述设计保证了圆弧形部1223的相持与引导作用，增加了滚动体2圆柱面在圆弧形部1223中的旋转灵活性，降低摩擦发热、减小振动，改善保持架本体1运转稳定性与滚动体2打滑率等效果。

兜孔13两侧的夹持部122沿滚动体2轴向对称设置，兜孔13内相对两侧的两个第一锁口凸台1221之间的距离为δe，δe与滚动体2直径的差值等于(1-2)/54倍的滚动体2直径值，即dwe-δe＝(1-2)dwe/54；兜孔13内相对两侧的两个第二锁口凸台1222之间的距离为δi，δi与滚动体2直径的差值等于(1-2)/27倍的滚动体2直径值，即dwe-δi＝(1-2)dwe/27。本实施例中，δe较滚动体2直径dwe至多小1mm，δi较滚动体2直径dwe至少小1mm，有利于滚动体2的装填与脱离。

如图12所示，可以看出空隙部123和角部凹槽113与滚动面不接触，降低滚动体2与保持架摩擦发热。

如图13所示，横梁12的最小横截宽度为δb，横梁12上第一锁口凸台1221的径向高度为he，减压凹槽121的深度为δc。本技术方案要求δc应不小于he，保证减压凹槽121在拔模时有足够的变形量，兜孔13模芯易从两个横梁12中间拔出，而不损坏第一锁口凸台1221。

横梁12减压凹槽121部的截面半宽度为δb1，要求δb1不小于δb的1/2，即δb1≥δb/2，保证了横梁12横截面的一致性。

环形边梁11与滚动体2端部相持的凸起部111的宽度为tf，本技术方案要求tf约为滚动体2直径dwe的1/5～1/6；两个相邻凸起部111之间的距离(端部凹槽112的宽度)为tfg，tfg约为2倍的tf，即tfg＝2*tf。上述设计使得凸起部111与滚动体2端部的相持接触部面积降低了2/3，有效降低滚动体2端部滑动绕流阻力fd。

如图14所示，横梁12的最小横截面面积为scb，本技术方案要求scb与机体材料拉伸强度σ的乘积f2(横梁12的拉伸断裂力)应不小于3倍的πdwe²/4，即scb*σ≥3*π*dwe²/4，scb≥3*π*dwe²/(4σ)，作为横梁12强度校核的基本方法。如果横梁12拉伸断裂力f2小于3*π*dwe²/4，在铁路高速、重载车辆运行过程中存在横梁12断裂、变形的风险。

上述圆柱滚子轴承用聚酰胺制保持架结构，包含多个在轴向方向延伸的横梁12，构造了与滚动体2相持的多个引导面，在与外圈3构成的引导面上构造多起凹陷。滚动体2工作时，在保持架兜孔13的非接触部面积约为相持接触部面积的2倍，增加的非接触间隙部，在运转过程中不与滚动体产生较大的运转阻力，有效降低滚动体2旋转绕流阻力fd。与传统保持架相比，该保持架结构的相持接触部面积降低了2/3，有效降低了滚动体2旋转绕流阻力fd。

根据轴承现有设计理论，保持架引导面摩擦力fcl仅与引导面宽度bc1有关，是建立在金属实体保持架整体外径引导面的基础上，导致在保持架设计过程中仅考虑引导面的宽度影响。本发明保持架采用聚酰胺注塑成型保持架，使外径面加工成多段曲线成为可能，而圆周引导面“面积”才是影响引导面摩擦力fcl的根本因素。本发明所采用的保持架引导面结构设计方法，降低圆周引导面“面积”至原有的1/3，降低引导面摩擦力fcl至原有的1/3。

根据轴承现有设计理论，每个滚动体与润滑脂之间相对运动产生的绕流阻力fd与滚子直径dw以及滚动体长度l有关，在实际工程应用过程中，滚动体与保持架之间的相对引导面积才是绕流阻力fd的重要因素，通过降低滚动体与保持架之间的相对引导面积是本发明设计方法降低滚动体绕流阻力fd的设计方法。降低滚动体与保持架之间的相对引导面积至原有的1/3，从而降低滚动体与保持架之间绕流阻力fd至原有的1/3。

根据轴承现有设计理论，保持架强度校核办法处于研究阶段，没有实用的保持架边梁及横梁强度设计准则，本发明公开保持架边梁及横梁强度校核办法与滚动体直径与长度密切相关，适宜铁路高速、重载车辆轴箱部位轴承用保持架的强度校核。

本发明提供的一种聚酰胺制保持架的结构减摩设计方法及其强度校核办法，有效降低运转引导面摩擦阻力及运转绕流阻力，满足铁路高速、重载车辆轴箱部位轴承大冲击、高转速的运用工况。该保持架结构可以满足铁路高速、重载车辆运行给予轴箱用圆柱滚子轴承1000g的冲击加速度，并可以满足铁路高速、重载车辆运行当量动载荷为0.1cr(轴承额定动载荷)时、dn值不低于60×10⁴mm·r/min的高速运行工况。

本发明还提供一种圆柱滚子轴承(也可以是圆锥滚子轴承等滚动轴承类型)，包括上述保持架结构、外圈、内圈以及多个滚动体，滚动体设于保持架的兜孔内。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。