崔傳榮，曹曉輝，李鑫輝，駱桂斌

(瓦房店軸承集團(tuán)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心，遼寧 瓦房店 116300)

1 工況條件

重型卡車變速箱內(nèi)第二根軸后端使用滿裝圓柱滾子軸承NUP312ENV/C3，在變速箱中承受徑向和軸向的聯(lián)合載荷，所承受的徑向力約為3.5～27.5 kN，軸向力約為6.36～7.07 kN，但無大的沖擊載荷；轉(zhuǎn)速為250～3 000 r/min；潤(rùn)滑方式為飛濺潤(rùn)滑。

2 故障原因分析

軸承在使用過程中滾子磨損較快，特別是靠近平擋圈外徑處的端面磨損嚴(yán)重(磨出深溝)，造成抱死及燒軸。

根據(jù)軸承的失效形式分析其原因有以下幾個(gè)方面。

(1)滿裝滾子結(jié)構(gòu)。在工作時(shí)滾子間滾動(dòng)面直接接觸，且相互間發(fā)生滑動(dòng)，作用力較大，在滾子接觸區(qū)不容易形成液體動(dòng)力潤(rùn)滑油膜，因此，在一定條件下，滾子損壞不是由于疲勞失效而是摩擦或磕傷所致。

(2)平擋圈及與平擋圈相接觸用于軸向定位的墊圈(圖1)。平擋圈外徑過大，加大了滾子端面與平擋圈的接觸面，不利于潤(rùn)滑油膜的形成，增加了滾子的磨損，也不利于承載軸向力。而且與平擋圈相接觸的墊圈設(shè)計(jì)過高且與平擋圈無間隙的接觸，也不利于飛濺潤(rùn)滑的形成，造成溫升較大。同時(shí)第二根軸最長(zhǎng)，剛性較差，系統(tǒng)制造誤差及軸承存在一定的徑向游隙，造成軸端將產(chǎn)生一定的位移量和撓度，導(dǎo)致第二根軸回轉(zhuǎn)中心線與軸承回轉(zhuǎn)中心線不重合，造成軸承的早期失效。

1—外圈；2—滾子；3—內(nèi)圈；4—平擋圈；5—墊圈

(3)軸向游隙。在軸承的軸向游隙不能滿足軸的軸向位移的情況下，滾子端面與擋邊及平擋圈之間將失去油膜而變?yōu)橹苯拥膲毫佑|，當(dāng)滾子高速工作時(shí)，極易造成滾子端面的嚴(yán)重磨損。同時(shí)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下溫升較高，內(nèi)、外圈溫差較大，內(nèi)、外圈熱膨脹量不一樣，造成徑向游隙減小，致使軸承卡死。

3 改進(jìn)方案

從使用條件分析，該軸承承受的為中等的徑向與軸向聯(lián)合載荷，轉(zhuǎn)速也不高，由于變速箱是成型的產(chǎn)品，在仍采用圓柱滾子軸承的前提下，對(duì)軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

(1)改用帶方頭鉚保持架的圓柱滾子軸承NUP312EMN/C3(圖2)。在轉(zhuǎn)速不高的情況下，該軸承的保持架使?jié)L子間不再直接接觸，潤(rùn)滑條件得到較大改善，其摩擦因數(shù)、極限轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn)優(yōu)于滿裝滾子結(jié)構(gòu)的軸承，降低了軸承的溫升和摩擦力矩，因此該軸承的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于滿裝圓柱滾子軸承。該軸承的最大徑向力為Fr=27.5 kN，只占該軸承額定動(dòng)載荷(Cr=150 kN)的18%，完全滿足要求。改進(jìn)前、后軸承的性能對(duì)比見表1。

1—外圈；2—保持架座；3—保持架蓋；4—滾子；5—內(nèi)圈；6—平擋圈；7—墊圈

表1 性能對(duì)比

(2)平擋圈及墊圈的改進(jìn)。使平擋圈的高度與內(nèi)圈擋邊高度一致，平擋圈的強(qiáng)度完全滿足使用要求，平擋圈高度的減小，使?jié)L子端面與平擋圈的接觸區(qū)域減小(圖2)，進(jìn)而降低了滾子端面的磨損；使墊圈高度與平擋圈高度一致即可，墊圈在這里只起軸向定位作用，其高度的降低可減小與平擋圈磨損的機(jī)會(huì)，其與平擋圈之間要留有一定的空間，以便于潤(rùn)滑。同時(shí)改善內(nèi)圈、外圈及平擋圈的形狀，使各自與滾子端面相接觸的擋邊部分帶有17′的角度(圖2)，這樣，滾子端面與各擋邊間將以楔形接觸(在圓周方向)，從而使?jié)L子與擋邊接觸區(qū)具有較好的接觸和潤(rùn)滑條件及較低的運(yùn)行溫度，可使軸承具有較大的軸向承載能力；另外，滾子凸度采用對(duì)數(shù)素線修形設(shè)計(jì)，滾子端面為球基面，在給定的載荷作用下可使?jié)L子與滾道之間的接觸應(yīng)力達(dá)到均勻分布。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該軸承對(duì)于由于制造誤差而造成軸的撓曲和歪斜及自身與軸回轉(zhuǎn)中心線的不重合都有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，提高了承載能力。

(3)適當(dāng)加大軸承的軸向游隙。為避免由于軸的軸向移動(dòng)較大而造成滾子與擋邊端面間的不良接觸，軸向游隙可增加0.05～0.10 mm，以使軸承的潤(rùn)滑條件得到改善，內(nèi)、外圈熱膨脹量變得較為均勻，軸承旋轉(zhuǎn)靈活性得到提高。

4 最大允許軸向載荷的計(jì)算

軸承的最大允許軸向載荷主要由滾子和擋邊接觸區(qū)滑動(dòng)表面的載荷能力決定，也就是說主要取決于軸承潤(rùn)滑狀況、運(yùn)行溫度及散熱條件，其計(jì)算公式為

式中：Fap為最大允許軸向載荷，kN；K1為潤(rùn)滑系數(shù)；Cor為基本額定靜載荷，kN；n為轉(zhuǎn)速，r/min；d為軸承內(nèi)徑，mm；D為軸承外徑，mm；K2為潤(rùn)滑系數(shù)；Fr為最大徑向載荷，kN。

取K1=0.5，Cor=166 kN，n=220 r/min，d=60 mm，D=130 mm，K2=0.05，F(xiàn)r=27.5 kN，計(jì)算得Fap=17.8 kN，此計(jì)算值是滿裝圓柱滾子軸承的最大允許軸向載荷。

改進(jìn)設(shè)計(jì)后，潤(rùn)滑條件得到大大改善，K1=1，K2=0.1；則Fap=35.6 kN，軸承的軸向承載能力可得到大幅提高。

5 結(jié)束語

改進(jìn)后的軸承經(jīng)上機(jī)和裝車試驗(yàn)，完全滿足使用要求，未出現(xiàn)溫升過高，軸承抱死的故障，現(xiàn)已批量供貨。