圓錐滾子軸承間隙調(diào)整對(duì)其可靠性影響的實(shí)驗(yàn)研究

陳俊宇， 王偉健， 陳林昭

（陜西法士特齒輪有限責(zé)任公司，西安710119）

0 引 言

軸承是機(jī)械系統(tǒng)中一個(gè)常用的零件，被廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、飛機(jī)等機(jī)械總成上。軸承種類繁多，有球軸承、圓錐滾子軸承、圓柱滾子軸承、滾針軸承等，其中圓錐滾子軸承與其他類軸承相比特點(diǎn)鮮明，優(yōu)勢(shì)明顯，它可以同時(shí)承受軸向和徑向兩個(gè)方向的載荷，并均有較大的承載能力，其經(jīng)常被應(yīng)用在工況較為復(fù)雜、惡劣的環(huán)境下。從結(jié)構(gòu)上講圓錐滾子軸承直徑小，且軸承內(nèi)圈與外圈分離式的設(shè)計(jì)，拆裝更加便捷，在商用車上有著重要應(yīng)用。

在商用車領(lǐng)域，消費(fèi)市場(chǎng)對(duì)整車安全性、舒適性及節(jié)油性等方面的要求都在不斷提高，為了適應(yīng)這一需求，隨之而改變的是變速器與液力緩速器所使用的齒輪也都逐步升級(jí)為全斜齒齒輪，與傳統(tǒng)的直齒齒輪相比，全斜齒齒輪的變速器在工作時(shí)傳動(dòng)效率更高，噪聲更小，使用壽命更長(zhǎng)，很好地滿足了客戶對(duì)整車舒適性和節(jié)油性的需求，而斜齒液力緩速器的匹配應(yīng)用，則保證了整車在長(zhǎng)下坡過(guò)程中的安全性。但斜齒齒輪在嚙合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的軸向分力，特別是整車在長(zhǎng)下坡路段液力緩速器滿負(fù)荷工作時(shí)，產(chǎn)生的軸向力非常大，此時(shí)軸承會(huì)因?yàn)檩S向力的作用而損壞，最終導(dǎo)致液力緩速器工作腔的損壞，造成漏油、竄油等故障的發(fā)生。因此，在液力緩速器中，更多地采用了圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承一般都成對(duì)使用，其裝配的關(guān)鍵在于軸承預(yù)留間隙的調(diào)整，預(yù)留間隙是否合理直接影響著液力緩速器的性能和可靠性，間隙過(guò)小會(huì)使軸承卡滯，導(dǎo)致液力緩速器空轉(zhuǎn)高溫；而間隙過(guò)大，則會(huì)造成花鍵軸的軸向竄動(dòng)，裝在花鍵軸上的油封在液力緩速器高溫高壓的工作環(huán)境下會(huì)很容易被油液沖壞，造成漏油、竄油現(xiàn)象。因此液力緩速器工作腔內(nèi)一對(duì)圓錐滾子軸承預(yù)留間隙的控制是其裝配環(huán)節(jié)的關(guān)鍵步驟。所以，有必要就圓錐滾子軸承間隙調(diào)整及其在液力緩速器內(nèi)工作的可靠性展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。本文的研究對(duì)象是法士特FHB320B液力緩速器（以下簡(jiǎn)稱緩速器）內(nèi)的成對(duì)圓錐滾子軸承。

1 緩速器圓錐滾子軸承間隙測(cè)量與調(diào)整方法

如圖1所示，F(xiàn)HB320B緩速器工作腔總成主要由殼體、花鍵軸、前/后軸承及其他零部件組成。在緩速器工作腔裝配過(guò)程中，圓錐滾子軸承預(yù)留間隙測(cè)量與調(diào)整的基本步驟是：先將花鍵軸及前軸承裝入殼體，靠殼體及工作腔自身的重力壓緊前軸承，將前/后軸承的軸向間隙集中于后軸承處，然后測(cè)量后軸承處的實(shí)際間隙，再通過(guò)計(jì)算選取合適厚度的調(diào)整墊片，最后將軸承的預(yù)留間隙調(diào)整到合適的目標(biāo)值。

在測(cè)量后軸承處的實(shí)際間隙時(shí)（如圖2），先測(cè)量軸承外圈安裝面到軸承內(nèi)圈安裝面的距離，即圖示殼體到軸肩的垂直距離，記為L(zhǎng)1，軸肩低于殼體取正，反之則取負(fù)。再將后軸承反向置于水平臺(tái)面上（如圖3），測(cè)量軸承內(nèi)圈平面到軸承外圈平面的距離，記為L(zhǎng)2。假設(shè)目標(biāo)間隙為L(zhǎng)，需要選取的調(diào)整墊片厚度為D，那么它們之間存在如下關(guān)系，D=L1+L2+L。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：1）要求測(cè)量平臺(tái)水平，測(cè)量?jī)x器精準(zhǔn)可靠；2）多次測(cè)量取平均值，一般情況下是在圓周均布的3個(gè)方向測(cè)3組，然后取算術(shù)平均值；3）通常情況下，調(diào)整墊片的厚度分布不是連續(xù)的，是呈正態(tài)分布的離散值，在選取時(shí)一般是在目標(biāo)間隙偏差允許的范圍內(nèi)選取與計(jì)算厚度D最接近的那一組實(shí)際厚度為D1的墊片。

圖1 緩速器工作腔總成

圖2 殼體到軸肩的垂直距離L1

圖3 軸承外圈到內(nèi)圈的垂直距離L2

根據(jù)變速器總成設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，在設(shè)計(jì)圓錐滾子軸承軸向間隙時(shí)，輸入軸軸承預(yù)留間隙為0.02～0.12 mm，驅(qū)動(dòng)齒輪軸向預(yù)留間隙為0.03～0.09 mm，中間軸后軸承預(yù)留間隙為0.09～0.19 mm，副中間軸軸承預(yù)留間隙為0.09～0.19 mm[1]。緩速器的使用工況與變速器相比同樣非?？量蹋徦倨鞯淖畲筝敵鲛D(zhuǎn)矩可以達(dá)到4000 N·m，但緩速器的工況條件與變速器相比也有其特別之處。緩速器在工作時(shí)，工作腔內(nèi)的油液產(chǎn)生巨大的軸向推力，方向是沿著花鍵軸指向齒輪。而緩速器與變速器的轉(zhuǎn)矩傳遞是靠一對(duì)常嚙合的斜齒齒輪完成的，在傳遞轉(zhuǎn)矩的過(guò)程中，斜齒嚙合也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向分力，方向與工作腔產(chǎn)生的軸向力正好相反，是沿著花鍵軸從齒輪指向工作腔方向。這兩個(gè)軸向力可以相互抵消一部分，軸承也會(huì)承擔(dān)一部分。這就是在緩速器如此大的轉(zhuǎn)矩工況下，需要選擇使用圓錐滾子軸承的力學(xué)原理。

為了進(jìn)一步分析緩速器用的這對(duì)圓錐滾子軸承的間隙對(duì)其可靠性的影響，本文設(shè)計(jì)了如下的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行具體的研究。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

本文研究所涉及的實(shí)驗(yàn)是基于法士特FHB320B并聯(lián)液力緩速器進(jìn)行的，將緩速器搭載在法士特緩速器專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、變速器加緩速器和負(fù)載電動(dòng)機(jī)組成，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)模擬整車的發(fā)動(dòng)機(jī)，提供動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速，帶動(dòng)變速器和緩速器工作，而在傳動(dòng)軸后方的加載電動(dòng)機(jī)可以模擬整車車重和摩擦力。通過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好地模擬實(shí)況完成緩速器的相關(guān)性能的測(cè)試，緩速器專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以采集變速器的輸出軸轉(zhuǎn)速、緩速器的輸出轉(zhuǎn)矩及緩速器工作腔內(nèi)的溫度等參數(shù)，可以進(jìn)行緩速器空載和加載2種模式的測(cè)試，模擬緩速器在整車上工作和退出2種狀態(tài)[2]。實(shí)驗(yàn)時(shí)將不同軸承預(yù)留間隙的緩速器搭載在專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)測(cè)試記錄工作腔內(nèi)的實(shí)時(shí)溫度變化來(lái)評(píng)測(cè)軸承的工作狀態(tài)，工作腔溫度越高，表明軸承磨損越嚴(yán)重；反之工作腔溫度越低，則表明軸承磨損較輕。最后在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，拆檢緩速器，實(shí)際觀察軸承的磨損情況。

圖4 緩速器專用實(shí)驗(yàn)臺(tái)

實(shí)驗(yàn)方法具體為：首先裝配3臺(tái)全新的FHB320B液力緩速器，將工作腔內(nèi)成對(duì)圓錐滾子軸承的間隙分別調(diào)整為偏小間隙L-、偏大間隙L+和適合間隙L3組；將3臺(tái)緩速器先后搭載在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，先進(jìn)行加載運(yùn)行3 h，再以緩速器轉(zhuǎn)速為2000 r/min空轉(zhuǎn)運(yùn)行10 h，然后將空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速調(diào)整為4000 r/min，再運(yùn)行10 h，最后再加載運(yùn)行1 h，完成共24 h為一輪的實(shí)驗(yàn)，每臺(tái)緩速器進(jìn)行兩輪實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)測(cè)試結(jié)果取算術(shù)平均值；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別拆檢3臺(tái)緩速器。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，軸承預(yù)留間隙和緩速器轉(zhuǎn)速均對(duì)緩速器工作腔的溫度變化有較大影響。預(yù)留間隙偏大或偏小都會(huì)導(dǎo)致工作腔溫度偏高。在緩速器轉(zhuǎn)速為4000 r/min條件下，當(dāng)軸承間隙為L(zhǎng)-和L+時(shí)，工作腔溫度較高，分別為140 ℃和135 ℃；而軸承間隙為L(zhǎng)時(shí)，工作腔溫度較低，約為100 ℃。在緩速器轉(zhuǎn)速為2000 r/min條件下，當(dāng)軸承間隙為L(zhǎng)-和L+時(shí)，工作腔溫度相對(duì)偏高，分別為107 ℃和104 ℃；而軸承間隙為L(zhǎng)時(shí)，工作腔溫度較低，約為90 ℃。

圖5 不同轉(zhuǎn)速及軸承間隙時(shí)緩速器的工作腔溫度

實(shí)驗(yàn)完成后，拆檢緩速器工作腔發(fā)現(xiàn)，不管是軸承預(yù)留間隙偏大的一組還是偏小的一組，軸承都完好無(wú)明顯磨損，也未見(jiàn)明顯高溫灼燒的現(xiàn)象，如圖6和圖7所示。

圖6 預(yù)留間隙為L(zhǎng)-(上)和L+(下)的前軸承實(shí)驗(yàn)后拆檢對(duì)比

圖7 預(yù)留間隙為L(zhǎng)-(左)和L+(右)的前軸承實(shí)驗(yàn)后拆檢對(duì)比

3 結(jié) 語(yǔ)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，緩速器圓錐滾子軸承的預(yù)留間隙偏大或偏小時(shí)，都會(huì)引起緩速器工作腔內(nèi)工作溫度偏高，因此應(yīng)該將軸承預(yù)留間隙調(diào)整在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。而就圓錐滾子軸承自身而言，在緩速器工作腔內(nèi)工作，對(duì)預(yù)留間隙的精度要求不必太高，在一定的范圍內(nèi)，由預(yù)留間隙大小而引起的緩速器軸承磨損較為有限，一般條件下不會(huì)造成軸承的損壞，磨損也在可接受的范圍內(nèi)。