重型汽車推力桿用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承

莊鴻鳴

(福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司，福建 漳州 363000)

1 概述

載重汽車懸掛系統(tǒng)的V型推力桿，一端與車架鉸接，另一端安裝在車橋上，主要作用是穩(wěn)定車橋，克服彈簧鋼板只能傳遞縱向力和側(cè)向力而不能傳遞牽引力、制動(dòng)力及其反作用力矩的弊端。因此當(dāng)載重汽車過(guò)載時(shí)，V型推力桿可將沖擊載荷有效均衡地分配給車身兩邊縱梁，減輕橋殼和底盤(pán)受到的沖擊。

國(guó)內(nèi)原有重型汽車的V型推力桿接頭(圖1)是在球頭銷外面硫化橡膠，通過(guò)橡膠的變形進(jìn)行擺動(dòng)和抵抗沖擊，但在惡劣工況下,該接頭損壞率極高,不能滿足使用要求。為此，需要設(shè)計(jì)一種損壞率低的新型推力桿接頭。

圖1 原V型推力桿接頭示意圖

2 新型推力桿接頭

根據(jù)V型推力桿的工作特點(diǎn)，把推力桿接頭設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)形式。這就要求軸承具有較高的承受交變徑向和軸向載荷的能力、較高的承受高頻沖擊能力、較大的擺動(dòng)角度、低維護(hù)率、能夠承受高溫差等，并能適應(yīng)惡劣的路況及多粉塵泥沙環(huán)境。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型推力桿接頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。關(guān)節(jié)軸承外圈采用中碳鋼，內(nèi)球面有雙金屬自潤(rùn)滑材料的襯墊；內(nèi)圈采用40Cr，心部調(diào)質(zhì)，表面高頻淬火，外球面鍍硬鉻，可滿足耐磨、抗高頻沖擊的要求。外圈內(nèi)球面通過(guò)專用模具包壓成形，使雙金屬襯墊與內(nèi)圈外球面之間形成良好的耦合摩擦副。在外圈的外表面硫化一層聚氨酯，用于吸收高頻沖擊，消除推力桿使用過(guò)程中的噪聲。

1—球頭銷；2—雙金屬材料；3—外圈；4—聚氨酯

2.2 摩擦副的選擇

由于使用環(huán)境惡劣，且在擺動(dòng)時(shí)需承受高頻沖擊，采用表面硬度較低的PTFE織物和PTFE復(fù)合材料作為摩擦副時(shí)，污染物入侵會(huì)損傷自潤(rùn)滑層，從而影響軸承的使用壽命。因此，設(shè)計(jì)中采用雙金屬自潤(rùn)滑材料作為摩擦副，該材料是鋼和銅經(jīng)過(guò)高溫?zé)Y(jié)而成，銅層彌散著一定比例的固體自潤(rùn)滑材料，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可以在摩擦面形成有效的轉(zhuǎn)移膜，延長(zhǎng)軸承的使用壽命，滿足推力桿的使用要求。

2.3 徑向游隙的確定

通常關(guān)節(jié)軸承安裝后的工作游隙比配套游隙小，安裝配合越緊，工作游隙越小。但此種關(guān)節(jié)軸承安裝時(shí)的過(guò)盈量由聚氨酯變形消除，對(duì)關(guān)節(jié)軸承的作用力很小，工作游隙與配套游隙相差不大。經(jīng)試驗(yàn)，擠壓成形后的徑向游隙控制在0.01～0.08 mm最為合適。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

雙金屬自潤(rùn)滑材料不僅經(jīng)過(guò)端面摩擦、PV摩擦等試驗(yàn)驗(yàn)證，為了保證軸承的可靠性，又采用專用的關(guān)節(jié)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)，在低速重載下對(duì)3套軸承進(jìn)行摩擦磨損性能，以獲得該材料在模擬工況下的使用壽命。試驗(yàn)參數(shù)：初始溫度15 ℃，徑向載荷Fr=32.5 kN，擺動(dòng)角度β=40°，擺動(dòng)頻率f=35 次/min。軸承失效的判定條件為溫度超過(guò)150 ℃或摩擦因數(shù)大于0.2。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

軸承摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

以1#軸承的試驗(yàn)結(jié)果為例進(jìn)行分析。軸承溫度隨擺動(dòng)次數(shù)的變化情況如圖3所示，磨損量的變化情況如圖4所示，摩擦因數(shù)的變化情況如圖5所示。

由圖可知，軸承在正常磨損情況下，溫度穩(wěn)定在50 ℃以下，摩擦因數(shù)穩(wěn)定在0.08～0.15，實(shí)際壽命超過(guò)了計(jì)算壽命，可見(jiàn)該軸承采用雙金屬自潤(rùn)滑材料作為摩擦副符合產(chǎn)品的使用要求。

圖3 溫升變化圖

圖4 磨損量變化圖

圖5 摩擦因數(shù)變化圖

4 加工要點(diǎn)

4.1 球頭銷的機(jī)加工

由于球頭銷是鍛件，尺寸公差大，需要2次裝夾才能完成加工，因此，選擇加工基準(zhǔn)非常關(guān)鍵。在鍛件表面加工中心孔無(wú)法保證其與端面的垂直度，后道工序加工球面以中心孔定位造成球形偏差大，廢品率高。只有保證中心孔與端面的垂直度才能為后道工序的加工提供準(zhǔn)確的定位基準(zhǔn)。因此，加工時(shí)先在球頭銷一側(cè)柄端面加工0.1 mm左右作為基準(zhǔn)面，再加工中心孔，從而保證端面與中心孔垂直。

4.2 球頭銷的高頻淬火

一般的高頻淬火件為圓柱型，在球面進(jìn)行高頻淬火難度較大，特別對(duì)于包覆角較大的球面，要在球面形成一層均勻的淬硬層難度更大。采用球面分段加熱的高頻處理工藝無(wú)法在球面形成均勻的淬硬層，且在邊緣處有未淬硬層。根據(jù)球面的特點(diǎn)，把感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)成仿球狀，球面同時(shí)整體加熱，然后噴水冷卻，從而使球面淬硬層均勻，硬度及金相組織符合要求。

4.3 外圈的擠壓成形

采用MARC AUTOFORGE軟件模擬擠壓過(guò)程，把擠壓過(guò)程(圖6)分解，逐步變形以達(dá)到精密擠壓的效果。

(a)初步擠壓

(b)擠壓成形

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)計(jì)專用的擠壓模具(圖7)，擠壓成形后既要保證外圈球面和球頭銷的球面完全貼合，又要保證外形飽滿，滿足后續(xù)機(jī)加工的要求。擠壓模具的材料選用GCr15，熱處理硬度為55～60 HRC。模具的型腔采用數(shù)控車床加工，以保證模具尺寸精度達(dá)到使用要求。

1—上墊塊；2—擠壓上模；3—球頭銷；4—外圈；5—下墊塊；6—擠壓下模；7—底板

5 結(jié)束語(yǔ)

由試驗(yàn)及分析可知，推力桿用自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承的設(shè)計(jì)加工具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：

1)傳統(tǒng)關(guān)節(jié)軸承的內(nèi)、外圈采用軸承鋼，熱處理整體淬硬，在高頻沖擊下套圈容易破碎；新產(chǎn)品內(nèi)圈采用合金結(jié)構(gòu)鋼，心部調(diào)質(zhì)，球面高頻感應(yīng)淬火，不僅滿足了耐磨要求，也滿足了抗高頻沖擊要求。

2)該關(guān)節(jié)軸承采用新型的雙金屬自潤(rùn)滑材料，除具有高承載、耐沖擊、耐磨損和長(zhǎng)壽命的特性外，又具有免維護(hù)自潤(rùn)滑功能。

3)該關(guān)節(jié)軸承外圈外表面硫化一層聚氨酯，可以吸收高頻沖擊，消除推力桿使用過(guò)程中的噪聲，這種金屬與非金屬組合的關(guān)節(jié)軸承組件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上具有創(chuàng)新性。

4)由于該產(chǎn)品采用雙金屬自潤(rùn)滑材料，且外圈球面的包角較大，大尺寸外圈的精密擠壓成形技術(shù)在工藝加工方面也是創(chuàng)新。

該產(chǎn)品經(jīng)過(guò)批量使用，成功解決了重型汽車推力桿接頭損壞率高的難題，產(chǎn)品性能可靠，壽命提高一倍以上。