本发明涉及一种圆柱滚子轴承及其保持架。
背景技术：
航空涡喷发动机的轴承大多采用圆柱滚子轴承，这些轴承通常工作于高速（目前dn值已达到3×106mm.r/min以上）、高温和轻载的环境下。
公告号为cn101910660b，公告日为2013.03.13的中国专利公开了一种圆柱滚子轴承，该轴承的保持架的环状本体周向均布有多个用于安装圆柱滚子的兜孔，圆柱滚子安装在兜孔中并与轴承的内、外圈接触，兜孔的前后侧壁对圆柱滚子进行周向上的限位，转动过程中圆柱滚子在轴承内外圈之间转动并通过兜孔的侧壁带动保持架转动。这种轴承的滚子的与内、外圈滚动配合的配合面不但要承受内、外圈的摩擦力，而且在带动保持架转动时还会受到保持架上的兜孔对其产生的摩擦力，这种轴承在使用时，尤其应用在航空发动机之类的高速工况下，很容易产生滚子与内、外圈的配合面过度磨损的问题，影响轴承的使用寿命。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种滚子与内、外圈的配合面不易磨损的圆柱滚子轴承；同时，本发明还提供上述圆柱滚子轴承的保持架。
为实现上述目的，本发明的圆柱滚子轴承保持架采用如下技术方案：圆柱滚子轴承保持架，包括轴线沿左右方向上延伸的环状本体以及径向贯通设置在环状本体上的兜孔，所述兜孔的侧壁在径向方向上的投影形状为两端窄、中间宽的框形，兜孔两端窄的部分具有两个周向相对的、用于与中间粗两端细的阶梯轴形滚子的两端小径段的外周面滑动配合的端侧壁，兜孔中间宽的部分具有两个周向相对的、用于与中间粗两端细的阶梯轴形滚子的中间大径端的外周面间隙配合的中侧壁。
所述兜孔的两端部分的宽度相同。
所述兜孔的端侧壁中的后侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜。
所述兜孔的端侧壁中的后侧壁的倾斜角度的正切值大于等于所述滚子的外周面与所述兜孔的后侧壁之间的摩擦系数。
所述兜孔的端侧壁中的前侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜。
所述兜孔的段侧壁中的前侧壁的倾斜角度的正切值等于所述滚子的外周面与所述兜孔的前侧壁之间的摩擦系数。
本发明的圆柱滚子轴承采用如下技术方案：圆柱滚子轴承，包括内圈、外圈以及保持架，保持架包括轴线沿左右方向上延伸的环状本体以及设置于环状本体上的兜孔，兜孔中设有滚子，所述滚子为中间粗两端细的阶梯轴形滚子，所述兜孔的侧壁在径向方向上的投影形状为与所述滚子的形状适配的、两端窄中间宽的框形，兜孔两端窄的部分具有两个周向相对的、用于与中间粗两端细的阶梯轴形滚子的两端小径段的外周面滑动配合的端侧壁，兜孔中间宽的部分具有两个周向相对的、用于与中间粗两端细的阶梯轴形滚子的中间大径端的外周面间隙配合的中侧壁。
所述阶梯轴形滚子的较细的两端部分的直径相同。
所述兜孔的端侧壁中的后侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜。
所述兜孔的端侧壁中的后侧壁的倾斜角度的正切值大于等于所述滚子的外周面与所述兜孔的后侧壁之间的摩擦系数。
所述兜孔的端侧壁中的前侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜。
所述兜孔的端侧壁中的前侧壁的倾斜角度的正切值等于所述滚子的外周面与所述兜孔的前侧壁之间的摩擦系数。
本发明的有益效果是：本发明的圆柱滚子轴承的滚子为中间粗两端细的阶梯轴形滚子，保持架上的兜孔为与阶梯轴形滚子的形状适配的、中间粗两端细的框形结构，轴承转动时，阶梯轴形滚子的两端小径段的外周面与兜孔的两端的段侧壁滑动配合以使阶梯型滚子在绕内圈转动时通过兜孔段侧壁对保持架施加驱动保持架转动的驱动力，而中间较粗的部分分别与轴承的内、外圈接触并与兜孔之间留有间隙，轴承转动时，滚子就通过两端小径段带动保持架转动，而滚子中间的较粗的圆柱部分仅与轴承的内、外圈接触配合，这样使滚子与保持架之间的摩擦力完全转移到滚子两端的小径段上，避免了滚子与内、外圈之间的配合面过度磨损的问题，提高了轴承的使用寿命；
进一步的，所述阶梯轴形滚子的较细的两端的圆柱部分的直径相同，便于加工；
进一步的，所述兜孔的两端的后侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜，转动过程中滚子通过兜孔带动保持架转动，各个滚子在离心力以及振动冲击的作用下与内圈的接触力减小，产生打滑，打滑的滚子会在兜孔的后侧壁的带动下继续绕内圈公转，此时滚子受到后侧壁对滚子的正压力以及滚子的外周面与后侧壁之间的摩擦力，其中正压力朝向保持架的转动方向且方向垂直于后侧壁，摩擦力沿后侧壁朝向轴承的径向外侧，由于后侧壁倾斜，使得正压力与摩擦力的合力的方向朝向轴承内侧转动一定角度，这样正压力与摩擦力的合力在径向向外的分力就会减小，此时滚子受到的径向向外的力就相应的减小，那么滚子受到的径向向内的力就会增大，最终使滚子与内圈之间的接触力也就增大，有利于遏制滚子的打滑趋势，减小因滚子打滑造成的磨损，提高了圆柱滚子轴承的寿命；
进一步的，所述后侧壁的倾斜角度的正切值大于所述滚子的外周面与所述兜孔的后侧壁之间的摩擦系数，这样后侧壁对打滑滚子的正压力与摩擦力的合力就会朝向轴承内侧转动并最终朝向轴承径向内侧，该合力就会产生径向向内的分力，进一步地增大了滚子与内圈之间的接触力；
进一步的，所述兜孔的前侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜，转动过程中非打滑滚子通过兜孔的前侧壁带动保持架转动，此时兜孔的前侧壁受到非打滑滚子的正压力以及非打滑滚子的外周面与兜孔的前侧壁之间的摩擦力，正压力与摩擦力的合力最终作用在兜孔的前侧壁上使保持架发生转动，由于兜孔的前侧壁在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜，使得正压力与摩擦力的合力朝向轴承内侧转动一定的角度，这样正压力与摩擦力的合力在径向向外的分力就会减小，而用于带动保持架转动的分力相应地增大，这样利于非打滑滚子带动保持架转动，而保持架受到的径向向外的分力减小使得保持架受到的径向向外方向上的扰动减弱，最终使保持架在非打滑滚子的带动下稳定地转动，提高轴承的稳定性；
进一步的，所述前侧壁的倾斜角度的正切值等于所述滚子的外周面与所述兜孔的前侧壁之间的摩擦系数，这样滚子对兜孔的前侧壁的正压力与摩擦力的合力就会与轴承滚道的切向方向一致并沿着轴承滚道朝前，这样使正压力与摩擦力的合力最大效率地带动保持架转动。
附图说明
图1为本发明的圆柱滚子轴承的具体实施例的结构示意图；
图2为图1中的保持架的结构示意图；
图3为图2的截面示意图；
图4为图1中的滚子的结构示意图；
图5为图1中的外圈的结构示意图；
图6为非打滑滚子的小径段对兜孔一端的前侧壁受力分力示意图；
图7为兜孔一端的后侧壁对打滑滚子的小径段受力分析示意图；
附图中：1、外圈；2、保持架；3、内圈；4、滚子；11、滚道；21、兜孔；41、大径段；42、小径段；43、端面；211、前侧壁；212、后侧壁；213、中间侧壁；214、立壁；n、非打滑滚子对兜孔的前侧壁的正压力；t、非打滑滚子对兜孔的前侧壁的摩擦力；f、非打滑滚子对兜孔的前侧壁的正压力n和非打滑滚子对兜孔的前侧壁的摩擦力t的合力；n1、兜孔的后侧壁对打滑滚子的正压力；t1、兜孔的后侧壁对打滑滚子的摩擦力；f1、兜孔的后侧壁对打滑滚子的正压力n1和兜孔的后侧壁对打滑滚子的摩擦力t1的合力；θ、兜孔的前侧壁的倾斜角度；a、兜孔的后侧壁的倾斜角度；b、兜孔的后侧壁对打滑滚子的正压力n1与兜孔的后侧壁对打滑滚子的摩擦力f1之间的夹角。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
本发明的圆柱滚子轴承的具体实施例，如图1至图7所示，为便于介绍，本实施例中保持架的转动方向为正向，兜孔在保持架的转动方向上处于前侧的侧壁为前侧壁，处于后侧的侧壁为后侧壁。圆柱滚子轴承包括内圈3、外圈1以及保持架2，保持架包括轴向左右延伸的环状本体以及设置与环状本体上的兜孔21，兜孔21中设有滚子4。
如图4所示，滚子4为中间粗两端细的阶梯轴形滚子，包括处于中间的大径段41以及同轴设置在大径段41的两端上的小径段42，两个小径段42的直径相同，便于加工。保持架2上的兜孔21为与滚子4的形状适配的、中间粗两端细的框形结构，框形结构的中间具有两个相对的中侧壁213，两个中侧壁213之间的宽度以及在左右方向上的长度与滚子4的大径段41的长度适配，框形结构的两端具有两个周向相对的端侧壁，段侧壁包括前侧壁211和后侧壁212，前侧壁211和后侧壁212之间的宽度以及两者在左右方向上的长度与滚子4两端的小径段42适配。具体的，兜孔的两个相对的中侧壁213与滚子4的大径段41之间的配合间隙大于兜孔的前侧壁211和后侧壁212与滚子4的小径段42之间配合间隙，这样，当滚子4带动保持架2转动时仅有两端的小径段42与保持架2接触，而滚子4的大径段41只与轴承的内、外圈接触，避免了因保持架与滚子4的大径段41之间产生摩擦而造成滚子的磨损。同时，由于滚子4的两端的小径段42的直径较细，而滚子的转速不变，这样滚子4两端的小径段42外周的线速度减小，降低了此处的摩擦损耗以及摩擦温升，进一步降低了轴承的磨损程度。滚子4两端的小径段42的端面43与兜孔两端的左右相对设置的立壁214之间留有一定的润滑间隙，滚子4的大径段41与小径段42之间过度的台阶面与兜孔之间也留有一定的间隙，而且该间隙大于端面43与立壁214之间的润滑间隙，这样转动过程中滚子4的大径段42就完全不与保持架接触，避免与保持架之间产生摩擦而造成滚子的磨损。
如图3所示，保持架的转动方向如图中的箭头的指示方向，兜孔21的形状与滚子4的形状适配，兜孔21两端的宽度较小部分的前侧壁211和后侧壁212均在径向方向上由内向外朝向保持架的转动方向的正向上倾斜，其中前侧壁的倾斜角度为θ，后侧壁的倾斜角度为a。兜孔21的前、后侧壁之间的距离略大于滚子的直径，这样使前、后侧壁与滚子的圆柱面之间留有一定的润滑间隙，利于润滑油进入，对滚子与保持架的接触位置处进行润滑。
本实施例中的圆柱滚子轴承为外引导式轴承，如图5所示，滚子的滚道11设在外圈1的内周上，滚道11设在外圈1的内周上，滚道11的截面为与滚子4的形状适配的阶梯形，滚道11的总宽度略微大于滚子4的长度，以使滚子4的端面与环槽的槽壁之间留有较小的润滑间隙，利于润滑油进入进行润滑。
圆柱滚子轴承装配到位后，滚子处于内、外圈之间，滚子的圆柱面分别与内圈的外周面以及外圈的滚道的内周面接触，滚子装配到位后需要与内、外圈之间产生一定的预紧量，以保证滚子的圆柱面与内、外圈之间产生一定的接触力。轴承在转动时的滚子与兜孔的前、后侧壁之间的受力分析示意图如图6和图7所示，内圈与滚子的转动方向如图中的箭头所示。具体的，如图6所示，内圈3的转动带动滚子4进行自传并在外圈1的滚道中绕轴承的轴线公转，图中的滚子4此时处于非打滑状态，此时滚子4在公转的过程中小径段42的外周面与兜孔21的前侧壁211接触并带动保持架2绕轴承的轴线转动，此时保持架受到非打滑滚子对前侧壁211的正压力n以及非打滑滚子的外周面与兜孔的前侧壁之间的摩擦力t，正压力n与摩擦力的合力f最终作用在兜孔的前侧壁上使保持架发生转动，由于兜孔的前侧壁211在径向方向上由内向外朝向环状本体的转动方向的正向倾斜，使得正压力与摩擦力的合力f朝向轴承内侧转动一定的角度，这样正压力与摩擦力的合力f在径向向外的分力就会减小，而用于带动保持架转动的分力相应地增大，这样利于非打滑滚子带动保持架转动，而保持架受到的径向向外的分力减小使得保持架受到的径向向外方向上的扰动减弱，最终使保持架在非打滑滚子的带动下稳定地转动，提高轴承的稳定性。同时，由于兜孔的前侧壁的倾斜角度θ的正切值等于滚子的外周面与兜孔的前侧壁之间的摩擦系数u，也就是tanθ=u，而u=t/n，这样使正压力与摩擦力的合力f与轴承滚道的切向方向一致并沿着滚动方向朝前，这样使正压力与摩擦力的合力最大效率地带动保持架转动。并且非打滑滚子与前侧壁211之间的碰撞变为斜碰撞，减小了碰撞冲击，提升了轴承的稳定性。
如图7所示，此时滚子4由于受到较大的离心力，会使滚子4的大径段41与内圈3之间的接触力变小，此时滚子4虽然仍然与内圈3之间有接触，但是两者之间的接触力已经不能够产生足够大的摩擦力使内圈带动滚子进行转动，即滚子与内圈之间产生相对打滑现象，滚子的运动会产生滞后现象，由于润滑间隙的存在，滚子的小径段42会与兜孔的后侧壁212接触，保持架通过后侧壁212带动滚子继续公转，此时滚子受到后侧壁对滚子的正压力n1以及滚子的外周面与后侧壁之间的摩擦力t1，其中正压力n1朝向保持架的转动方向且方向垂直于后侧壁212，摩擦力t1沿后侧壁212朝向轴承的径向外侧，由于后侧壁212倾斜，使得正压力与摩擦力的合力f1的方向朝向轴承内侧转动一定角度，这样正压力与摩擦力的合力在径向向外的分力就会减小，此时滚子受到的径向向外的力就相应的减小，那么滚子受到的径向向内的力增大，最终使滚子与内圈之间的接触力也就增大，有利于遏制滚子的打滑趋势，减小因滚子打滑造成的磨损，提高了圆柱滚子轴承的寿命。同时后侧壁212的倾斜角度a的正切值大于兜孔的后侧壁与滚子的外周面之间的摩擦系数u，而u=n1/f1=tanb，那么tana＞tanb，也就是兜孔的后侧壁对打滑滚子的正压力n1与兜孔的后侧壁对打滑滚子的摩擦力f1之间的夹角b小于后侧壁的倾斜角度a，这样后侧壁212对打滑滚子的正压力n1与摩擦力t1的合力f1就会朝向轴承内侧转动并最终朝向轴承径向内侧，该合力f1就会产生径向向内的分力，进一步地增大了滚子与内圈之间的接触力，进一步遏制滚子的打滑现象。后侧壁212与滚子之间的碰撞也变为斜碰撞，缓解了保持架与滚子之间的碰撞冲击，提高了运动的稳定性。
本发明的圆柱滚子轴承由于具有良好的防打滑效果，可以作为在航空发动机高压蜗轮前轴承或高低压转子后中介轴承使用，当然也可以应用在其他单向高速旋转的场合中。
在本发明的上述实施例中兜孔的前侧壁满足其正切值等于滚子的外周面与兜孔的前侧壁之间的摩擦系数，当然在其他实施例中，前侧壁的倾斜角度的正切值还可以大于或者小于滚子的外周面与兜孔的前侧壁之间的摩擦系数；兜孔的后侧壁的倾斜角度满足其正切值大于滚子的外周面与兜孔的后侧壁之间的摩擦系数，当然，在其他实施例中，兜孔的后侧壁的倾斜角度还可以满足其正切值等于滚子的外周面与兜孔的后侧壁之间的摩擦系数，或者后侧壁还可以是其他倾斜角度。
本发明的圆柱滚子轴承保持架的具体实施例，所述圆柱滚子轴承保持架的结构与上述圆柱滚子轴承的实施例中的保持架的结构相同，不再赘述。