黃東勛，羅廷銀

重卡離合器分離軸承的接觸角設(shè)計(jì)和測(cè)量

黃東勛，羅廷銀

（杭州雷迪克節(jié)能科技股份有限公司，浙江 杭州 311231）

簡(jiǎn)要闡述了離合器的功能和分離軸承的重要性，介紹了重型卡車（后簡(jiǎn)稱“重卡”）離合器分離軸承的特點(diǎn)和使用環(huán)境，分析了分離軸承的結(jié)構(gòu)和接觸角的設(shè)計(jì)和測(cè)量方法。針對(duì)公司現(xiàn)有產(chǎn)品試制過程中出現(xiàn)的問題，提出接觸角測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)和使用，根據(jù)驗(yàn)證得出重卡分離軸承接觸角設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法，為以后產(chǎn)品設(shè)計(jì)和規(guī)范提供依據(jù)，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足使用需求，從而延長(zhǎng)重卡離合器的使用壽命。

重卡離合器；分離軸承；接觸角；載荷

根據(jù)牛錢網(wǎng)的數(shù)據(jù)，中國重卡市場(chǎng)2019年全年大約實(shí)現(xiàn)了117萬輛的總銷量，比上年同期的114.8萬輛小幅增長(zhǎng)2%，創(chuàng)造了中國乃至全球重卡市場(chǎng)年銷量的新高。隨著中國物流的發(fā)展，重卡在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)應(yīng)該是中國汽車業(yè)發(fā)展的中堅(jiān)力量。

1 離合器分離軸承的特點(diǎn)和使用環(huán)境

離合器是重卡中重要的三大系統(tǒng)之一，而離合器分離軸承則是應(yīng)用于離合器中連接和切斷動(dòng)力輸出的關(guān)鍵零件，對(duì)整個(gè)重卡的動(dòng)力傳遞起著決定性的作用。分離軸承相對(duì)于整個(gè)重卡離合器價(jià)值不高，但是其質(zhì)量決定整個(gè)離合器的壽命。重卡載重大，可達(dá)上百噸，需要很大的動(dòng)力輸出，傳遞很大的扭矩，扭矩越大，離合器在傳遞動(dòng)力時(shí)受到的載荷越大，因此分離軸承承受載荷也相應(yīng)增大，一般達(dá)到10 000 N以上。

一般軸承使用時(shí)固定在軸或箱體中，可以盡量地加大尺寸以滿足工況所需的大載荷。但是，分離軸承在工作中有一個(gè)很大的特點(diǎn)就是位置不固定，其在相對(duì)密閉的離合器殼體內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。即便是重型卡車這樣大體型的空間，離合器的體積也不會(huì)很大?；诳臻g的限制，分離軸承不能靠增大尺寸來達(dá)到增加承載能力的目的。一般需要使用較小的鋼球來縮小分離軸承的體積，減小其占用的空間。軸承承載能力最主要的決定因素就是鋼球的大小。因?yàn)榉蛛x軸承使用時(shí)承受的是純軸向載荷，接觸角是影響軸承軸向承載能力的重要因素。原則上接觸角越大，分離軸承的軸向承載能力越大，離合器工作的剛性和可靠性就越好。因此，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上來增大分離軸承的承載能力，如圖1所示。

2 分離軸承的結(jié)構(gòu)

雖然分離軸承的軸向承載能力隨著接觸角的增大而增大，但是由于軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)的約束，接觸角達(dá)到一定程度后不能繼續(xù)增加。

圖1 一個(gè)常見的離合器系統(tǒng)

軸承的接觸角根據(jù)其所處的狀態(tài)分為原始接觸角、安裝接觸角和工作接觸角，原始接觸角是產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)確定的理論接觸角，安裝接觸角是軸承安裝到使用工位后產(chǎn)品的實(shí)際接觸角，工作接觸角是軸承在一定的工況下工作時(shí)的實(shí)際接觸角。因?yàn)檩S承的工作接觸角是根據(jù)使用工況發(fā)生變化的，承受載荷越大接觸角的變化也越大，所以分離軸承的接觸角測(cè)量和設(shè)計(jì)同樣重要。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)軸承的接觸角普遍是通過溝道曲率和徑向游隙理論計(jì)算得到。也有廠家制作簡(jiǎn)易設(shè)備來測(cè)量，但是一般是測(cè)量其原始接觸角，載荷較小，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)重卡分離軸承這樣大載荷的工作接觸角的測(cè)量。

在工作中設(shè)計(jì)一個(gè)用于奔馳重卡的分離軸承，要求測(cè)試的最大軸向載荷為10 000 N，是軸承額定載荷的50%以上（一般軸承的要求在1/3左右）。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)限制，最大只能設(shè)計(jì)φ7.938的鋼球。所以，需要設(shè)計(jì)出盡可能大的接觸角，以滿足承載要求，初始設(shè)計(jì)原始接觸角為35.5°～42.6°。試驗(yàn)階段，為取得大的承載能力，選用原始接觸角為極限上差的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，在臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行到2/3要求周期時(shí)，試驗(yàn)失敗，軸承溝道出現(xiàn)明顯的剝落，如圖2、圖3所示。

圖2 外圈

圖3 內(nèi)圈

實(shí)物查看，剝落的位置都處于滾道的邊緣，鋼球出現(xiàn)明顯爬坡現(xiàn)象，由此推斷接觸角大了。

3 接觸角的設(shè)計(jì)和測(cè)量方法

結(jié)構(gòu)和尺寸設(shè)計(jì)是經(jīng)過專業(yè)客戶論證過的，應(yīng)該沒有問題。但是，軸承的工作接觸角是多少并不知道。因此，需要知道軸承在試驗(yàn)狀態(tài)下，工作接觸角到底是多少。需要設(shè)計(jì)一套重卡分離軸承在大載荷下工作接觸角的測(cè)量裝置。

重卡分離軸承屬于角接觸球軸承。角接觸球軸承的接觸角在內(nèi)外圈上略微不同，一般是以外圈的接觸角為準(zhǔn)。但重卡分離軸承以內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)工作，因此，測(cè)量?jī)?nèi)圈的接觸角更具實(shí)際意義。所以，設(shè)計(jì)的裝置要以內(nèi)圈接觸角測(cè)量為準(zhǔn)則。

3.1 裝置組成

裝置組成如圖4所示。由墊塊、角度刻度盤、指針、輔助軸承及加載機(jī)構(gòu)組成。輔助軸承是保證被測(cè)軸承在受到很大的載荷下可以順暢地旋轉(zhuǎn)；墊塊是用來支撐被測(cè)軸承的；一個(gè)指針固定在內(nèi)圈的墊塊上，以確定內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；另一個(gè)指針固定在保持架上以確認(rèn)鋼球轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。墊塊、刻度盤、輔助軸承和加載頭的中心要在同一軸線上。

圖4 裝置示意圖

3.2 測(cè)量方法

按照?qǐng)D4放好被測(cè)軸承，先將固定在內(nèi)圈和保持架上的指針同時(shí)對(duì)準(zhǔn)“0”位，然后用加載裝置施加所需載荷，手工扳動(dòng)壓在內(nèi)圈上的墊塊旋轉(zhuǎn)10圈整（3 600°），記錄保持架旋轉(zhuǎn)的角度。根據(jù)兩者的角度和內(nèi)部尺寸，利用幾何關(guān)系得出此時(shí)的接觸角即是該載荷狀態(tài)下軸承的工作接觸角。

3.3 測(cè)量原理

式（1）中，為被測(cè)軸承的工作接觸角；2為被測(cè)軸承鋼球運(yùn)行的角度，通過固定在保持架上的指針讀出；1為被測(cè)軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的角度，通過固定在內(nèi)圈上的指針讀出；為被測(cè)軸承的中心徑；為鋼球的直徑。

3.4 測(cè)量分析

針對(duì)這款重卡分離軸承，分別選用預(yù)緊載荷（200 N）、試驗(yàn)載荷（7 000 N）和最大載荷（10 000 N）對(duì)軸承三個(gè)狀態(tài)下的接觸角進(jìn)行測(cè)量，并和理論計(jì)算對(duì)比。測(cè)量前，分別測(cè)出被測(cè)軸承的內(nèi)部尺寸，然后根據(jù)內(nèi)部尺寸配出不同接觸角的5套產(chǎn)品，測(cè)得結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)得結(jié)果

編號(hào)外圈滾道內(nèi)圈滾道測(cè)量接觸角/°理論原始接觸角/° 直徑曲率直徑曲率加載200 N加載7 000 N加載10 000 N 1105.0294.16888.9604.17539.94744.01545.39739.529 2105.0274.17888.9644.16239.33743.73545.66938.991 3105.0084.17588.9864.15335.16240.84641.73034.590 4105.0494.16089.0044.16138.09441.73042.88539.160 5104.9974.14388.9734.11641.63346.12746.66541.291

4 結(jié)論

根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出，被測(cè)軸承受到預(yù)緊載荷（200 N）下所測(cè)得的接觸角和理論原始接觸角基本一致。隨著載荷的增加，接觸角在逐漸地增大，試驗(yàn)載荷下接觸角的增加量達(dá)到4°以上。反推測(cè)試失敗的兩套軸承，工作接觸角都達(dá)到48°以上，這樣軸承受到大載荷作用下，鋼球更接近滾道的邊沿，出現(xiàn)鋼球爬坡現(xiàn)象，也印證了之前的推測(cè)。使用以上測(cè)量裝置，可以方便地根據(jù)不同載荷下測(cè)出軸承的工作接觸角。對(duì)于重卡分離軸承的接觸角，只要空間允許，應(yīng)盡量選取較大的溝深比，適當(dāng)加大軸承的接觸角，提高軸向承載能力、剛性和可靠性。因此，核算并測(cè)量工作接觸角是非常必要的。

［1］鄧四二，賈群義.滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)原理［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

2095－6835（2020）06－0090－02

U463.211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.033

黃東勛（1977—），男，工學(xué)學(xué)士，中級(jí)工程師，主要從事動(dòng)力傳動(dòng)產(chǎn)品的研發(fā)和制造方面的工作。

〔編輯：辛霞〕