楊東棟

摘要：用于CVT變速箱輸出軸外側(cè)的圓錐滾子軸承在變速箱臺(tái)架耐久試驗(yàn)70%的循環(huán)時(shí)間出現(xiàn)了黏著磨損失效，經(jīng)分析是因軸承摩擦力矩較大引起的。對(duì)影響圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要因素進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而降低滾子與內(nèi)圈擋邊、滾子和滾道的摩擦。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)，改進(jìn)后軸承摩擦力矩低于改進(jìn)前摩擦力矩，同時(shí)也通過(guò)了客戶的變速箱耐久臺(tái)架試驗(yàn)。此次變速箱輸出軸圓錐滾子軸承改進(jìn)案例為圓錐滾子軸承低摩擦設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

Abstract： For the tapered roller bearing used for output shaft of CVT gearbox， adhesive wear failureoccurred at 70% cycle time of the transmission stand durability test. Analysis tells that the large friction torqueis the main reason for failure. Analyzing the main factors affecting friction torque of tapered roller bearing， and optimization design for the existing bearing's structure is made to reduce the friction between roller and inner/outer raceway and the friction between roller-end and inner ring's rib. After detection testing， the friction torque of the improved bearing is lower than before. In the meantime， the improved bearing passes the transmission's bench durability test. This case provides a basis for the low friction design of tapered roller bearing.

關(guān)鍵詞：CVT變速箱;圓錐滾子軸承;摩擦力矩;降低

0 ?引言

單列圓錐滾子軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體和保持架組成，能夠承受軸向和徑向的聯(lián)合載荷，承載能力強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)變速箱和主減速器等承受較大載荷的場(chǎng)合。在為國(guó)內(nèi)一家變速箱廠家開(kāi)發(fā)CVT無(wú)級(jí)變速箱輸出軸的圓錐滾子軸承時(shí)（軸承布置見(jiàn)圖1），輸出軸外側(cè)的圓錐滾子軸承在客戶處進(jìn)行變速箱的耐久臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了早期失效?？蛻粢蟊M快分析失效原因，并提供新的軸承方案。

1 ?圓錐滾子軸承失效分析

1.1 軸承失效背景描述

給客戶提供的型號(hào)為3562的圓錐滾子軸承在CVT變速箱輸出軸內(nèi)外兩側(cè)各安裝了1套，主軸外側(cè)的圓錐滾子軸承在變速箱臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)的70%時(shí)間出現(xiàn)了早期失效。根據(jù)GB/T 24611-2009《滾動(dòng)軸承損傷和失效術(shù)語(yǔ)、特征及原因》[1]的規(guī)定，判斷該軸承的失效形式為黏著磨損失效。黏著磨損是指材料從一表面轉(zhuǎn)移到另一表面，并伴隨有摩擦發(fā)熱，有時(shí)還有回火或重新淬火，這一過(guò)程會(huì)在接觸區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中并可能導(dǎo)致開(kāi)裂或剝落。該失效軸承照片見(jiàn)圖2。

1.2 失效件檢測(cè)分析

1.2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

利用火花直讀原子發(fā)射光譜儀，依據(jù)GB/T 18254-2016《高碳鉻軸承鋼》對(duì)內(nèi)圈和滾子的原材料化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2.2 熱處理及金相組織檢測(cè)

利用洛氏硬度計(jì)和蔡司顯微鏡依據(jù)JB/T 1255-2014《高碳鉻軸承零件熱處理?xiàng)l件》[2]和GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》[3]對(duì)內(nèi)圈和滾子的硬度、金相組織、網(wǎng)狀碳化物和夾雜物等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

1.2.3 剝落處電鏡掃描檢測(cè)

利用電子掃描顯微鏡對(duì)內(nèi)圈滾道失效處進(jìn)行電鏡掃描，掃描結(jié)果見(jiàn)圖3。

1.2.4 熱酸洗檢測(cè)

對(duì)剝落的的滾子和內(nèi)圈依據(jù)JB/T 1255-2014《高碳鉻軸承零件熱處理?xiàng)l件》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行酸洗處理，內(nèi)圈和滾子的工作表面無(wú)材料和制造缺陷。

1.3 檢測(cè)結(jié)果評(píng)判

內(nèi)圈和滾子原材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果符合GB/T18254-2016要求;未失效處內(nèi)圈和滾子熱處理質(zhì)量和夾雜物符合JB/T1255-2014《高碳鉻軸承鋼滾動(dòng)軸承零件熱處理技術(shù)條件》和GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求;失效處的內(nèi)圈滾道和心部硬度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，滾道表面組織為不正常的二次高溫回火組織;內(nèi)圈電鏡掃描未發(fā)現(xiàn)異常剝落形貌;內(nèi)圈工作表面和滾子滾道處無(wú)材料和磨制造缺陷。

1.4 失效原因分析

綜上檢測(cè)分析結(jié)果，此次臺(tái)架試驗(yàn)軸承失效可排除軸承原材料、熱處理等質(zhì)量原因。同時(shí)從失效狀態(tài)看，軸承沒(méi)有發(fā)生疲勞剝落源，即非疲勞剝落產(chǎn)生的失效。內(nèi)圈失效處的滾道表面和心部硬度降低，滾道表面出現(xiàn)高溫回火組織，應(yīng)為軸承內(nèi)圈在運(yùn)轉(zhuǎn)中有高溫發(fā)生，使軸承產(chǎn)生了二次高溫回火現(xiàn)象，引起了內(nèi)圈硬度和組織變化。經(jīng)和客戶溝通得知，CVT變速箱臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)主軸圓錐滾子軸承預(yù)緊力很大，輸出軸變速箱啟動(dòng)瞬間時(shí)轉(zhuǎn)速很高。綜合以上因素，失效原因可能是高的預(yù)緊和轉(zhuǎn)速使軸承因摩擦產(chǎn)生高溫，高溫引起軸承的二次回火，而二次回火引起的滾道硬度降低、應(yīng)力集中從而導(dǎo)致滾道接觸面開(kāi)裂和剝落。同時(shí)滾子不同程度發(fā)生滑動(dòng)傾斜運(yùn)轉(zhuǎn)，保持架因滑動(dòng)傾斜干涉后逐步被碾壓后失效、碎裂。

2 ?方案改進(jìn)

軸承摩擦力矩的大小決定了軸承的功率消耗和發(fā)熱量大小，直接影響軸承的溫升失效和傳動(dòng)系統(tǒng)的功率損失[4]。按上述的失效分析結(jié)果，此次方案未通過(guò)客戶臺(tái)架的主要原因就是圓錐滾子軸承摩擦力矩太大導(dǎo)致的。圓錐滾子軸承摩擦力矩受軸承的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)、制造、裝配、潤(rùn)滑和實(shí)際工況等眾多因素影響，通常由下列四個(gè)因素引起的：①滾動(dòng)面的滾動(dòng)摩擦阻力;②內(nèi)圈、滾子、保持架旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的潤(rùn)滑油攪拌阻力;③滾子和保持架的滑動(dòng)摩擦阻力;④滾子端面和內(nèi)圈擋邊的滑動(dòng)摩擦[5]。圓錐滾子軸承內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)圖4所示。

圖4中，dm為滾子中心圓直徑（mm）;Dw是滾子平均直徑（mm）;r0為外圈滾道平均半徑（mm），ri是內(nèi)圈滾道平均半徑（mm），l是滾子有效長(zhǎng)度（mm）;α為滾子和外圈滾道接觸角（°）;γ為滾子的半錐角（°）;β是內(nèi)圈滾道角度（°）;θ是滾子中心線和中心線夾角（°）。

日本學(xué)者H. Matsuyama 等認(rèn)為圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要由滾子和滾道滾動(dòng)摩擦力矩以及滾子和內(nèi)圈擋邊的摩擦力滑動(dòng)力矩組成，他運(yùn)用擬動(dòng)力學(xué)和彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑理論，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，得到圓錐滾子軸承的摩擦力矩表達(dá)式[6]。

式中η是潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度（Pa·S）;β0是潤(rùn)滑油粘溫系數(shù)（℃-1）;α0是潤(rùn)滑油粘度-壓力系數(shù)，u是表面平均速度（m/s）;n是軸承轉(zhuǎn)速（r/min），k是潤(rùn)滑油導(dǎo)熱系數(shù)（W/m/℃）;hm是滾道中心油膜厚度（mm）;μ是滾子球基面和擋邊的摩擦系數(shù);δ1是擋邊粗糙度（μm）;δ2是滾子球基面粗糙度（μm）;C1、C2、C3、C4是常數(shù)，可由試驗(yàn)結(jié)果推導(dǎo)出來(lái);Rci、Rco是內(nèi)外圈滾道凸度值;z是滾子個(gè)數(shù);E'是當(dāng)量彈性模量（Pa）。

由上可知，圓錐滾子軸承的中心圓直徑、滾子直徑、滾子數(shù)量、滾子長(zhǎng)度、滾子半錐角、滾道凸度、滾道和擋邊粗糙度等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響軸承摩擦力矩的大小。文獻(xiàn)[7]給出了幾種圓錐滾子軸承減摩設(shè)計(jì)的方法：①減少滾子中心圓直徑;②增大滾子直徑;③減小滾子長(zhǎng)度;④增大軸承接觸角;⑤對(duì)滾子和滾道接觸面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì);⑥改善內(nèi)圈大擋邊和滾子球基面的接觸狀況;⑦減少滾子數(shù)量。根據(jù)以上的減磨設(shè)計(jì)方法，在保證軸承額定動(dòng)載荷部不降低的前提下，對(duì)軸承進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變前后的設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表3（改型前型號(hào)為3562，改型后為SC35）。

3 ?試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)GB/T 32562-2016《摩擦力矩測(cè)量方法》[8]對(duì)改型前后的圓錐滾子軸承轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量原理是平衡測(cè)量法。測(cè)量設(shè)備示意圖如圖5所示。

試驗(yàn)軸承采用油浴的潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑油牌號(hào)L-AN32，使用純軸向加載，試驗(yàn)條件見(jiàn)表4。

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖6。其中#1、#2、#3是型號(hào)3562三個(gè)樣件，#4是SC35的樣件。

由上圖可知，軸向加載超過(guò)1000N后，改型后軸承的摩擦力矩低于改型前的摩擦力矩，在軸向載荷為6000N時(shí)，3562的平均摩擦力矩為1.2N·m，SC35的平均摩擦力矩為1.0N·m。可以看出，改型后的軸承平均摩擦力矩比改性前的降低了20%，減磨作用比較明顯。同時(shí)，根據(jù)客戶輸入工況數(shù)據(jù)利用ROMX對(duì)3562和SC35圓錐滾子軸承進(jìn)行壽命和接觸應(yīng)力分析計(jì)算，SC35的壽命損傷率和最差靜態(tài)安全系數(shù)都優(yōu)于3562，具體結(jié)果見(jiàn)表5。同時(shí)改型后的SC35圓錐滾子軸承通過(guò)了客戶的變速箱耐久臺(tái)架試驗(yàn)，證明了改進(jìn)方案的正確性。

4 ?總結(jié)

綜上，通過(guò)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)失效軸承的分析，找出軸承的摩擦力矩大是失效的主要原因。然后對(duì)影響圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要因素進(jìn)行分析，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)摩擦力矩檢測(cè)試驗(yàn)和變速箱耐久臺(tái)架試驗(yàn)，證明了在不降低軸承的額定動(dòng)載荷前提下，增大滾子直徑、減少滾子數(shù)量、改善內(nèi)圈滾道形狀、降低內(nèi)圈擋邊和滾子球基面粗糙度等措施可降低圓錐滾子軸承的摩擦力矩。

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