保持架的案例
滾針軸承滾針—保持架沖擊碰撞特征仿真分析
項目背景
滾針—保持架組件廣泛應用于軸和座孔可作為滾道的場合，是一種獨立的滾動元件，如圖1所示。在可用空間較小的應用中，滾針和保持架組件提供了緊湊的解決方案，由于滾子數量眾多，滾針和保持架組件具有較高的承載能力。另外，由于其數量較多的小直徑滾子，滾針及保持架組件具有高剛度。
在實際應用中，由于潤滑污染、振動磨損、載荷不足等原因，容易誘發保持架裂紋萌生、擴展，甚至失效。本文利用LS-DYNA 顯式求解器對滾針—保持架局部模型進行數值分析，為保持架的失效分析提供參考。
圖1 滾針和保持架組件實物圖
2. 模型建立
取SKF38×46×32為研究對象，滾針和保持架分別建模。如圖2所示為整體滾針—保持架組件的三維結構圖示，共22個滾針和一個保持架。
圖2 SKF 38×46×32三維圖
對析滾針與保持架組件進行整體建模，如圖3所示，保持架材料為MAT1彈性材料，滾針為MAT20剛體。對滾針施加一定速度，進行沖擊碰撞，獲得保持架的應力分布。
圖3 保持架有限元建模
如圖4所示為整體滾針—保持架組件中提取出的局部模型用于數值分析，網格采用solid單元，保持架簡化模型共1464個網格單元，滾針共2436個單元。滾針與保持架之間的接觸為surface to surface，忽略他們之間的摩擦行為。另外，約束保持架兩端面，如圖4右圖所示。
圖4 滾針—保持架局部視圖和簡化模型及邊界條件
3. 結果及分析
下圖顯示了滾針10m/s沖擊碰撞保持架的動態變形過程。
展開 算例丨基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
一、問題描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區推動保持架轉動，而保持架在非承載區推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區域A和B發生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區域A、B、C和D區域集中分布，導致該區域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應力集中區域A、B、C和D
二、有限元建模
擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續力學問題的數值方法, 它繼承了常規有限元法(CFEM)的所有優點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發展與應用.
展開 基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，本案例建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
一
問題描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區推動保持架轉動，而保持架在非承載區推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區域A和B發生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區域A、B、C和D區域集中分布，導致該區域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。
圖1 保持架應力集中區域A、B、C和D
二
有限元建模
擴展有限元法(extended finite element method,XFEM)是1999年提出的一種求解不連續力學問題的數值方法, 它繼承了常規有限元法(CFEM)的所有優點, 在模擬界面、裂紋生長、復雜流體等不連續問題時特別有效, 短短幾年間得到了快速發展與應用.
展開 基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
基于ABAQUS的滾子軸承保持架橫梁裂紋擴展仿真分析
Cliff_Shi 重慶大學 400044
1. 摘要
滾子軸承在轉動過程中會在滾動體與保持架之間產生較大的沖擊載荷，導致應力集中分布在保持架橫梁的彎折位置，誘發保持架裂紋的萌生與擴展，影響軸承性能與壽命。針對這一問題，建立了3D保持架橫梁有限元模型，仿真分析了保持架橫梁在連續沖擊載荷作用下的裂紋萌生與擴展過程，結果顯示，保持架末端裂紋呈近似45?擴展，結果為滾子軸承保持架結構設計提供了有益指導。
2. 問題/任務描述
滾子軸承在運行過程中，滾動體在載荷區推動保持架轉動，而保持架在非承載區推動滾動體轉動，滾動體與保持架之間的載荷具有作用時間短，載荷幅值大的沖擊特征，而滾動體與保持架的打滑加劇了兩者之間的沖擊程度，容易導致保持架橫梁在端部萌生裂紋與擴展而發生斷裂，影響滾子軸承的服役性能和壽命。如圖1所示，滾動體與保持架在區域A和B發生接觸，載荷分布面積較小，沖擊幅值較大，應力容易在區域A、B、C和D區域集中分布，導致該區域內裂紋萌生，在滾動體的反復沖擊作用下，裂紋擴展直至保持架橫梁斷裂。具體參考《滾針軸承滾針—保持架沖擊碰撞特征仿真分析》一文[1]。
圖1 保持架應力集中區域A、B、C和D
3. 仿真計算采用的設備基本情況（CPU、內存等）
Intel(R) Core(TM) i7-8565U CPU @ 1.80GHz 1.99 GHz
8.00 GB (7.88 GB 可用)
Abaqus 6.14
4.
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高速球軸承球／保持架碰撞模型與沖擊特性研究
針對航空發動機主軸率軸承的結構特點、建立了高速球軸承率／傈特槊碰撞的力學模型．并時球與保持架的沖 擊特性進行了研究。結果表明，球觫持架沖擊戢荷受多種因素的影響，并體現為碰撞速度，沖擊栽荷與速度成正比：硅 撞彈性變形對于緩解沖擊具有重要作用
高速球軸承球／保持架碰撞模型與沖擊特性研究.pdf
深溝球軸承(帶保持架)高速瞬態動力學CAE仿真 ￥20
ANSYS Workbench仿真源文件
2025R1版本
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后置代號 — 保持架及其材料
實體保持架
A 或 B 置于保持架代號之后， A 表示保持架由外圈引導， B 表示保持架由內圈引導。
F—— 鋼制實體保持架，滾動體引導。
FA—— 鋼制實體保持架，外圈引導。
FAS—— 鋼制實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
FB—— 鋼制實體保持架，內圈引導。
FBS—— 鋼制實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
FH—— 鋼制實體保持架，經滲碳淬火。
H ， H1—— 滲碳淬火保持架。
FP—— 鋼制實體窗型保持架。
FPA—— 鋼制實體窗型保持架，外圈引導。
FPB—— 鋼制實體窗型保持架，內圈引導。
FV ， FV1—— 鋼制實體窗孔保持架，經時效、調質處理。
L—— 輕金屬制實體保持架，滾動體引導。
LA—— 輕金屬制實體保持架，外圈引導。
LAS—— 輕金屬制實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
LB—— 輕金屬制實體保持架，內圈引導。
LBS—— 輕金屬制實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
LP—— 輕金屬制實體窗型保持架。
LPA—— 輕金屬制實體窗型保持架，外圈引導。
LPB—— 輕金屬制實體窗型保持架，內圈引導（推力滾子軸承為軸引導）。
M ， M1—— 黃銅實體保持架。
MA—— 黃銅實體保持架，外圈引導。
MAS—— 黃銅實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
MB—— 黃銅實體保持架，內圈引導（推力調心滾子軸承為軸圈引導）。
MBS—— 黃銅實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
MP—— 黃銅實體直兜孔保持架。
MPA—— 黃銅實體直兜也保持架，外圈引導。
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后置代號—保持架及其材料
1、實體保持架
A 或 B 置于保持架代號之后， A 表示保持架由外圈引導， B 表示保持架由內圈引導。
F—— 鋼制實體保持架，滾動體引導。
FA—— 鋼制實體保持架，外圈引導。
FAS—— 鋼制實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
FB—— 鋼制實體保持架，內圈引導。
FBS—— 鋼制實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
FH—— 鋼制實體保持架，經滲碳淬火。
H ， H1—— 滲碳淬火保持架。
FP—— 鋼制實體窗型保持架。
FPA—— 鋼制實體窗型保持架，外圈引導。
FPB—— 鋼制實體窗型保持架，內圈引導。
FV ， FV1—— 鋼制實體窗孔保持架，經時效、調質處理。
L—— 輕金屬制實體保持架，滾動體引導。
LA—— 輕金屬制實體保持架，外圈引導。
LAS—— 輕金屬制實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
LB—— 輕金屬制實體保持架，內圈引導。
LBS—— 輕金屬制實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
LP—— 輕金屬制實體窗型保持架。
LPA—— 輕金屬制實體窗型保持架，外圈引導。
LPB—— 輕金屬制實體窗型保持架，內圈引導（推力滾子軸承為軸引導）。
M ， M1—— 黃銅實體保持架。
MA—— 黃銅實體保持架，外圈引導。
MAS—— 黃銅實體保持架，外圈引導，帶潤滑槽。
MB—— 黃銅實體保持架，內圈引導（推力調心滾子軸承為軸圈引導）。
MBS—— 黃銅實體保持架，內圈引導，帶潤滑槽。
MP—— 黃銅實體直兜孔保持架。
MPA—— 黃銅實體直兜也保持架，外圈引導。
MPB—— 黃銅實體直兜孔保持架，內圈引導。
T—— 酚醛層壓布管實體保持架，滾動體引導。
展開 滾動軸承的噪聲分析
為此，在低轉速下，當離心力小于滾動體自重時，滾動體就會下落從而與內滾道或保持架發生碰撞并激發軸承的固有振動而引起噪聲。
滾動體噪聲的特點如下∶
①使用潤滑油潤滑時不易產生噪聲，使用脂潤滑時容易產生，使用劣質潤滑脂更易產生噪聲；
②常常冬季發生；
③只承受徑向載荷且徑向游隙較大時也易產生，實際上滾子軸承最容易產生滾動嗓聲；
④在某特定范圍內也會產生，并且不同尺寸的軸承其速度范圍也不同;
⑤可能是連續聲亦可能是斷續聲；
⑥該強迫振動常激發外圈的二階、三階彎曲固有振動，從而發出噪聲。
（3）保持架噪聲
保持架噪聲是軸承在旋轉過程中保持架的自由振動以及保持架與滾動體或套圈相撞擊而發出的。一般情況下這種噪聲是由于滾動體和保持架、保持架與引導面之間的滑動摩擦而引起的。保持架和滾動體發生相互撞擊而發出的聲音具有周期性。當采用滾動體引導保持架時，這種運動的不穩定性較為嚴重。深溝球軸承的沖壓保持架較薄，在徑向和軸向平面內的彎曲剛度較低，整體穩定性差，軸承高速旋轉時就會因彎曲變形而產生自激振動，從而引起"蜂鳴聲"。保持架噪聲特點如下∶
①沖壓保持架及塑料保持架均可產生；
②不論是稀油還是脂潤滑均會出現；
③當外圈承受彎矩時最容易發生；
④徑向游隙大時容易出現。
防止保持架噪聲措施如下∶
①為使保持架公轉運動穩定，應盡量采用套圈引導方式并注意給予引導面充分的潤滑。
展開 新能源汽車驅動電機軸承噪聲分析及改進措施
表3 尼龍保持架軸承主要參數
Tab.3 Main parameters of bearing with nylon cage
選取3臺電動機，對3臺電動機的前后端軸承進行了一系列的排列組合試裝，驗證電動機是否有異常聲，結果見表4。
由表4可知：僅在前后端軸承全部換成工程塑料保持架時電動機異常聲才會消失，這也驗證了先前的測試結論。
為進一步驗證，選擇NVH測試設備對3臺前后端軸承均換為工程塑料保持架的電動機進行測試。在不同皮帶徑向力和轉速下采集的裝有鋼保持架C3游隙軸承和工程塑料保持架C3游隙軸承的電動機噪聲頻譜如圖5所示，鋼保持架軸承的噪聲要高于工程塑料保持架。
表4 不同軸承組合下電動機噪聲表現
Tab.4 Noise performances of motor with different bearing combinations
綜上分析可知，采用工程塑料保持架可降低噪聲。
展開 軸承結構對振動與噪聲的影響
4
保持架聲
在軸承旋轉過程中，保持架的自由振動以及它與滾動體或套圈相撞擊就會發出此噪聲。它在各類軸承中都可能出現，但其聲壓級不太高而且是低頻率的。其特點是：
沖壓保持架及塑料保持架均可產生。
不論是稀油還是脂潤滑均會出現。
當外圈承受彎矩時最易發生。
徑向游隙大時容易出現。
由于保持架兜孔間隙及保持架與套圈間隙在軸承成品中不可避免的存在，因此徹底消除保持架聲十分困難，但可通過減少裝配誤差，優選合理的間隙和保持架竄動量來改善。
另一種保持架特殊聲，是由于保持架與其他軸承零件引導面間的摩擦引發保持架的自激振動而發生的喧囂聲。深溝球軸承的沖壓保持架較薄，在徑向和軸向平面內的彎曲剛度較低，整體穩定性差，軸承高速旋轉時就會因彎曲變形而產生自激振動，引起“蜂鳴聲”。
當軸承在徑向載荷作用下且油脂性能差的情況下，運轉初期會聽到“咔嚓、咔嚓”的噪聲，這主要是由于滾動體在離開載荷區后，滾動體突然加速而與保持架相撞而發出的噪聲，這種撞擊聲不可避免但隨著運轉一段時間后會消失。
防止保持架噪聲措施如下：
為使保持架公轉運動穩定，應盡量采用套圈引導方式并注意給予引導面的充分潤滑，對高速工況下的軸承結構給予改進，將滾子引導的L型保持架改為套圈擋邊引導的Z型保持架。
展開 
滾動軸承的失效分析及防治方法 附滾動軸承的分析方法萬長森下載
保持架斷裂
保持架斷裂屬于偶發性非正常失效模式。其產生原因主要有以下五個方面：
a.保持架異常載荷。如安裝不到位、傾斜、過盈量過大等易造成游隙減少，加劇摩擦生熱，表面軟化，過早出現異常剝落。隨著剝落的擴展，剝落異物進入保持架兜孔中，導致保持架運轉阻滯并產生附加載荷，加劇了保持架的磨損，如此惡化的循環作用，便可能造成保持架斷裂。
b. 潤滑不良主要指軸承運轉處于貧油狀態，易形成粘著磨損，使工作表面狀態惡化，粘著磨損產生的撕裂物易進入保持架，使保持架產生異常載荷，有可能造成保持架斷裂。
c.外來異物的侵入是造成保持架斷裂失效的常見模式。由于外來硬質異物的侵入，加劇了保持架的磨損與產生異常附加載荷，也有可能導致保持架斷裂。
d. 蠕變現象也是造成保持架斷裂的原因之一。所謂蠕變多指套圈的滑動現象，在配合面過盈量不足的情況下，由于滑動而使載荷點向周圍方向移動，產生套圈相對軸或外殼向圓周方向位置偏離的現象。蠕變一旦產生，配合面顯著磨損，磨損粉末有可能進入軸承內部，形成異常磨損--滾道剝落-保持架磨損及附加載荷的過程，以至可能造成保持架斷裂。
e. 保持架材料缺陷(如裂紋、大塊異金屬夾雜物、縮孔、氣泡)及鉚合缺陷(缺釘、墊釘或兩半保持架結合面空隙，嚴重鉚傷)等均可能造成保持架斷裂。
采取對策為在制造過程中加以嚴格控制。
6. 卡傷
所謂卡傷是由于在滑動面損傷產生的部分的微小燒傷匯總而產生的表面損傷?；烂妗L動面圓周方句的線狀傷痕。滾子端面的擺線狀傷痕，靠近滾子端面的軸環面的卡傷。造成卡傷的主要原因有：過大載荷，過大預壓，潤滑不良，異物咬入，內圈外圈的傾斜，軸的撓度、軸、軸承箱的精度不良等。
展開 新型滾動式關節軸承的研制
1 新型軸承結構
新型軸承主要由主體、保持架、安裝軸、沖壓外圈滾針軸承和軸銷組成（見圖1）。其中主體圓柱體上同心的兩個孔通過軸銷支撐聯接保持架結構。保持架（見圖2）在X軸及Y軸上分別有兩個同心孔，用于安裝沖壓外圈滾針軸承；為減少擺動過程中發生竄動、提高擺動精度，四個軸承安裝孔應分布在同一平面內；保持架中間V型槽設計主要考慮安裝軸擺動避位；安裝軸與保持架之間通過軸銷及沖壓外圈滾動軸承聯接。
圖1 滾動式關節軸承結構示意
1.主體 2.軸銷 3.沖壓外圈滾針軸承 4.保持架 5.安裝軸
圖2 保持架
2 新型軸承工作原理
新型軸承的工作方式為擺動運動，擺動原理為主體通過螺釘與固定部件（如底座）聯接在一起，安裝軸相對于主體可在一定范圍內任意擺動，其擺動運動可分單軸擺動及雙軸擺動。如圖3所示，當安裝軸繞著X軸在YOZ平面內擺動時，X軸上兩個滾針軸承滾動，Y軸上兩個軸承靜止，保持架相當于主體靜止；當安裝軸繞著Y軸在XOZ平面內擺動時，Y軸上兩個滾針軸承滾動，X軸上兩個軸承靜止，保持架與安裝軸相對靜止，保持架與安裝軸同時繞著Y軸擺動。
展開 看領先軸承制造商如何在生產中應用3D打印技術？
圖片來源：Bowman AP
Bowman 應用3D打印技術開發的首款產品是塑料軸承保持架。3D打印技術的應用使Bowman 無需注塑模具即可以實現塑料軸承保持架的生產，這不僅使Bowman 可以對產品設計的修改做出迅速響應，還增強了快速生產中小批量定制軸承的競爭力。
圖片來源：Bowman AP
借助3D打印技術，Bowman 在保持架設計上進行了優化，保持架中集成了很多復雜結構，3D打印設備能夠以經濟的方式實現這種復雜設計的生產。
根據3D科學谷的了解，保持架的主要作用是使滾動體相互之間保持合適的距離，減少軸承的摩擦力矩和因摩擦產生的熱量，以及使滾動體均勻的分布在整個軸承內，優化載荷分布和降低噪聲。因此保持架的設計和材料對滾動軸承在特定應用中的適用性有重大影響。
圖片來源：TCT
在設計3D打印保持架時，Bowman 采用了互鎖結構，滾動體將保持架的每個部分固定在一起。這種設計的優勢是使保持架圓周周圍擁有更多的空間，因此與市場上同類產品相比，這款保持器產品能夠增加2-4個滾動體。這意味著軸承負載可以分布在更多數量的滾動體上。
Bowman公司表示，擁有這種設計的3D打印軸承保持架使其分體式軸承承載能力提高70%，工作壽命延長至500%。Bowman 可以在不改動軸承中其他組件設計的情況下就提升軸承負載力和壽命。
展開 電驅動丨高速球軸承噴油潤滑流場特性研究
2.4.2 保持架兜孔潤滑油分布 圖10為不同轉速下保持架表面潤滑油分布情況。在轉速低于等于20 000 r/min時,從圖中可以看出,大量的潤滑油可以到達保持架兜孔及保持架上表面;而當轉速升高到30 000 r/min以上時,保持架兜孔上幾乎沒有潤滑油油分布。
(a)轉速10 000 r/min
(b)轉速20 000 r/min
(c)轉速30 000 r/min
(d)轉速40 000 r/min
圖10 各轉速下保持架表面潤滑油分布
為進一步分析保持架區域潤滑油含量隨著轉速的變化情況,統計在各轉速下流經保持架內外表面的潤滑油流量差,以此衡量保持架區域潤滑油含量。當轉速等于20 000 r/min時,保持架內外表面的潤滑油流量差較大為3.58×10-4 kg/s;當轉速高于到40 000 r/min時,保持架內外表面的潤滑油流量差幾乎0。當轉速在50 000 r/min時,保持架兜孔區域流量大于40 000 r/min時的流量,由于轉速更高軸承腔內氣流運動更加劇烈,潤滑油在軸承腔內在沿著軸承轉動方向運動的同時,少量潤滑油沿徑向分散到保持架內圈表面,如圖10d所示。在側腔氣流作用下,當潤滑油無法通過滾球及附近氣流帶動到達保持架區域時,轉速越高到達保持架內表面的潤滑油含量越多。由此可得,對于側向噴油潤滑,當軸承運轉速度過高時,潤滑油無法到達保持架區域實現潤滑。
2.4.3 各轉速下滾球表面潤滑性能分析 由于滾球與內外圈、保持架的復雜接觸運動,表面的潤滑油分布對于改善滾球的潤滑性能具有重要意義。各轉速下滾動體表面潤滑油的分布情況如圖11所示。
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