一种圆柱滚子轴承及其保持架

1.本发明属于轴承领域，特别是涉及一种圆柱滚子轴承及其保持架。


背景技术：

2.圆柱滚子轴承是回转机械广泛采用的基础部件，对转子有径向支撑的作用。
3.圆柱滚子轴承通常由外圈、内圈、保持架、滚子等结构组成。保持架设有兜孔，兜孔对滚子有限位和引导的作用。现有技术中，兜孔多为侧壁为平面的平面兜孔，滚子在转动时，与兜孔侧壁接触为线接触，存在较大的接触应力，造成滚子和保持架磨损较快。而且，轴承在高速转动时，在离心作用下，滚子易打滑或向外窜。
4.申请公布号为cn111765171a(公开日期2020.10.13)的中国发明专利申请公开了一种侧壁横截面为“v”形的兜孔，“v”形两侧壁配合，将滚子在径向上限制在理想的位置，可以有效改善滚子打滑，抑制滚子向外窜的趋势，减小滚子涡动半径。而滚子与兜孔侧壁之间仍为线接触，仍存在接触应力较大而影响寿命的问题。
5.因此，需要提供一种在减小滚子打滑和保持架涡动半径的同时，还能降低滚子和保持架接触应力的圆柱滚子轴承保持架。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种圆柱滚子轴承及其保持架，以在减小滚子打滑率和保持架涡动半径的同时，降低滚子和保持架接触应力，提高轴承稳定性、延长使用寿命。
7.为实现上述目的，本发明所提供的圆柱滚子轴承保持架的技术方案是：
8.一种圆柱滚子轴承保持架，包括环状主体，所述环状主体周向均布有兜孔，定义保持架的转动方向为从后往前，所述兜孔包括前侧壁和后侧壁，用于与滚子外周面接触；所述后侧壁为椭圆形的一段，所述椭圆形的长轴沿前后方向延伸。
9.有益效果是：首先在径向上，椭圆形对滚子有一定的“v”形定位作用，可以限制滚子的径向运动，减小滚子打滑率和保持架的涡动半径。与此同时，椭圆形对滚子有一定的圆周的包络度，保证了滚子和兜孔碰磨时具有足够大的轮廓密合度和接触面积，从而降低了接触应力，减小了磨损率，延长了轴承的寿命。最后，椭圆形与滚子之间有足够的间隙，便于形成润滑油路，即使长时间碰磨，磨损严重时，间隙仍然存在，保持较好的润滑效果。
10.作为进一步地改进，所述前侧壁为椭圆形的一段，所述前侧壁为所述椭圆形的一段，所述椭圆形的长轴沿前后方向延伸。
11.有益效果是：使得轴承无论是向前或向后旋转时，保持架与滚子之间的接触相同。
12.作为进一步地改进，所述椭圆形中心与兜孔中心重合，定义椭圆形的长轴长度a与短轴长度b为1时的圆半径r
p
与滚子半径rr之差为兜孔的引导间隙，引导间隙值为0.05mm-0.2mm，根据所述引导间隙确定引导点，所述引导点为椭圆形与环形主体外环面的交点，椭圆形的长轴长度与短轴长度之比为1.0-1.1。
13.有益效果是：提供了椭圆形的参数设计方法，先根据滚子半径确认引导间隙值，根
据引导间隙确定椭圆形的引导点，再基于引导点和长短轴比确定椭圆形。基于仿真结果可以得出，当长轴和短轴长度比在1.0-1.1时，兜孔椭圆面和滚子的接触应力小、磨损率低，同时也将打滑率和涡动半径控制在较小的范围。
14.作为进一步地改进，所述兜孔中心分布圆半径r
ε
大于保持架内径rn，小于保持架内径rn与外径rw之和的平均值。
15.有益效果是：使得兜孔椭圆面对滚子的支持力朝向内圈，进一步限制滚子的离心运动，减小保持架的打滑率和涡动半径。
16.作为进一步地改进，所述兜孔内设有进退刀孔，可用于机加工兜孔时刀具的进、出。
17.有益效果是：保持架兜孔加工工艺可为铣削加工，设置有进退刀孔可用于铣刀进、出，便于工艺的执行。
18.为实现上述目的，本发明提供的圆柱滚子轴承技术方案是：
19.一种圆柱滚子轴承，包括外圈、内圈、滚子、轴向限位结构和保持架，所述外圈包括设置在内壁的外滚道，所述内圈包括设置在外壁的内滚道，保持架包括环状主体，所述环状主体周向均布有兜孔，定义保持架的转动方向为从后往前，所述兜孔包括前侧壁和后侧壁，用于与滚子外周面接触；所述后侧壁为椭圆形的一段，所述椭圆形的长轴沿前后方向延伸。
20.有益效果是：首先在径向上，椭圆形对滚子有一定的“v”形定位作用，可以限制滚子的径向运动，减小滚子打滑率和保持架的涡动半径。与此同时，椭圆形对滚子有一定的圆周的包络度，保证了滚子和兜孔碰磨时具有足够大的轮廓密合度和接触面积，从而降低了接触应力，减小了磨损率，延长了轴承的寿命。最后，椭圆形与滚子之间有足够的间隙，便于形成润滑油路，即使长时间碰磨，磨损严重时，间隙仍然存在，保持较好的润滑效果。
21.作为进一步地改进，所述前侧壁为椭圆形的一段，所述前侧壁为所述椭圆形的一段，所述椭圆形的长轴沿前后方向延伸。
22.有益效果是：使得轴承无论是向前或向后旋转时，保持架与滚子之间的接触相同。
23.作为进一步地改进，所述椭圆形中心与兜孔中心重合，定义椭圆形的长轴长度a与短轴长度b为1时的圆半径r
p
与滚子半径rr之差为兜孔的引导间隙，引导间隙值为0.05mm-0.2mm，根据所述引导间隙确定引导点，所述引导点为椭圆形与环形主体外环面的交点，椭圆形的长轴长度与短轴长度之比为1.0-1.1。
24.有益效果是：提供了椭圆形的参数设计方法，先根据滚子半径确认引导间隙值，根据引导间隙确定椭圆形的引导点，再基于引导点和长短轴比确定椭圆形。基于仿真结果可以得出，当长轴和短轴长度比在1.0-1.1时，兜孔椭圆面和滚子的接触应力小、磨损率低，同时也将打滑率和涡动半径控制在较小的范围。
25.作为进一步地改进，所述兜孔中心分布圆半径r
ε
大于保持架内径rn，小于保持架内径rn与外径rw之和的平均值。
26.有益效果是：使得兜孔椭圆面对滚子的支持力朝向内圈，进一步限制滚子的离心运动，减小保持架的打滑率和涡动半径。
27.作为进一步地改进，所述兜孔内设有进退刀孔，可用于机加工兜孔时刀具的进、出。
28.有益效果是：保持架兜孔加工工艺可为铣削加工，设置有进退刀孔可用于铣刀进、
出，便于工艺的执行。
29.作为进一步地改进，内圈一端设置有挡边。
30.更进一步地，轴向限位机构为挡环，挡环与挡边配合，用于限制滚子的轴向位置。
31.有益效果是：挡边与挡环结构简单，便于布置。
附图说明
32.图1为本发明中实施例1的结构示意图；
33.图2为图1中内圈的立体图；
34.图3为图1所示圆柱滚子轴承的径向剖面图；
35.图4为图1中保持架结构示意图；
36.图5为图1中兜孔和保持架接触时的几何示意图；
37.图6为图5中不同长轴和短轴长度之比的平均磨损率的仿真结果图；
38.图7为图5中不同长轴和短轴长度之比的保持架涡动半径的仿真结果图；
39.图8为图5中不同长轴和短轴长度之比的打滑率的仿真结果图；
40.附图标记说明：
41.1、外圈；2、内圈；3、挡环；4、滚子；5、保持架；11、外滚道；21、内滚道；22、挡边；51、兜孔；511、后侧壁；512、端壁；513、进退刀孔；5111、长轴；5112、短轴；5113、引导点
具体实施方式
42.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
43.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
44.需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。
45.以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
46.本发明所提供的圆柱滚子轴承的具体实施例1：
47.如图1到图4所示，圆柱滚子轴承包括外圈1、内圈2、挡环3、滚子4、保持架5，外圈1内壁设有用于与滚子4滚动接触的外滚道11，内圈2外壁设有用于与滚子4滚动接触的内滚道21，内圈2一端还设有挡边22；保持架5包括一体式的环形主体，环形主体周向均布设有若干个兜孔51，滚子4放置于兜孔51中，在挡环3和挡边22的配合下，滚子4和保持架5的轴向位
置固定。
48.如图4和图5所示，定义保持架5的转动方向为由后向前，即图5中的顺时针方向。兜孔51包括后侧壁511，可与滚子4外周面接触；端壁512，可与滚子4端面接触；进退刀孔513，可用于铣削加工时刀具的进、出。后侧壁511为椭圆形的一段，椭圆形的长轴5111沿前后方向延伸，其轮廓由长轴5111和短轴5112共同确定。
49.如图5所示，兜孔51的中心与长轴5111和短轴5112的中心重合，设长轴5111的长度为a，短轴5112的长度为b，定义椭圆形的长轴5111长度a与短轴5112长度b为1时的圆半径r
p
与滚子4半径rr之差为兜孔51的引导间隙，引导间隙值为0.05mm-0.2mm，基于引导间隙确定引导点5113，此引导点5113为椭圆形上一点，当长轴5111的长度a与短轴5112的长度b之比为1.0-1.1时，滚子4和后侧壁511有比较大接触面积。基于matlab对a/b在1.0-1.1时保持架5的磨损率、滚子打滑率、保持架涡动半径进行了仿真计算，设定工况：内圈转速20000r/min，径向载荷1200n，磨损率结果如图6所示，可以看到，在a/b为1即后侧壁511横截面为圆弧形时，保持架5的磨损率最大，在a/b大于1即后侧壁511为椭圆形的一段时，磨损率均比a/b为1时小。对涡动半径和打滑率的仿真结果如图7和图8所示，可以看出，在a/b大于1时，涡动半径和打滑率同样均比a/b为1时小。
50.与后侧壁511相对的前侧壁的截面结构与后侧壁511一致，使得轴承向后旋转，即逆时针旋转时，兜孔51对滚子4的接触效果一致。为了便于滚子4装入兜孔51中，兜孔51内边缘的宽度b
in
应比滚子直径大。
51.如图5所示，弧形虚线为兜孔51的中心分布圆，其半径r
ε
大于保持架5内径rn，小于保持架5内径rn与外径rw之和的平均值，即兜孔51的中心更靠近内滚道21，可以实现后侧壁511对滚子4的支持力合力朝向内滚道21。同时，椭圆形形状上类似“v”形，因此，可以更有效地限制滚子4的径向离心趋势，减小保持架涡动半径。
52.本发明所提供的圆柱滚子轴承的具体实施例2：
53.本实施例2与实施例1的区别主要在于，实施例1中，保持架为一体式环形结构。本示例中，保持架为多段分体式，此结构便于加工兜孔，对每段兜孔加工完成后再拼装成圆环形。
54.本发明所提供的圆柱滚子轴承的具体实施例3：
55.本实施例3与实施例1的区别主要在于，实施例1中，后侧壁511和前侧壁横截面结构一致。本实施例中，轴承固定方向仅向前旋转，此时仅后侧壁511横截面为椭圆形，前侧壁为平面。
56.本发明所提供的圆柱滚子轴承的具体实施例4：
57.本实施例4与实施例1的区别主要在于，实施例1中，内圈2一端设有挡边22，与挡环3配合完成轴向限位。本实施例中，内圈2两端均设有挡边22，通过确定挡边22之间的间隔限制滚子4和保持架5的轴向位置。
58.本发明中的圆柱滚子轴承保持架的实施例：
59.本实施例即上述圆柱滚子轴承的实施例1-4的任一实施例中记载的保持架，此处不再具体说明。
60.最后需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以
对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。