軸承調(diào)隙用彈性隔套設(shè)計淺析

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳亞軍

1 彈性隔套應(yīng)用現(xiàn)狀

圖1 康邁輪轂軸承模型

在成對使用的單列圓錐滾子軸承中間加裝隔套，可有效保證軸承游隙的合理性。在提高軸承疲勞壽命的同時，可實(shí)現(xiàn)軸承游隙的免調(diào)整。美國康邁公司研制開發(fā)的Preset- plus 輪轂軸承，在進(jìn)行游隙控制時，考慮實(shí)際工作溫度、預(yù)緊等因素對工作游隙的影響在尺寸鏈控制的基礎(chǔ)上又增加了一個可以預(yù)調(diào)整的彈性套圈（如圖1 所示），較好實(shí)現(xiàn)了重卡輪轂軸承游隙的免調(diào)整。在國內(nèi)，輪轂軸承的預(yù)調(diào)整方面也做了一些很有價值的探索，主要的軸承開發(fā)商已經(jīng)開始免調(diào)整軸承的研究與開發(fā)，但還處于初期階段，與國外有一定差距[1]。

2 彈性隔套生產(chǎn)應(yīng)用特點(diǎn)分析

應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，彈性隔套可以解決軸承裝配高調(diào)整的麻煩，裝配時，只需保證預(yù)緊力矩在合適范圍，便可得到合理的軸承游隙；此外，彈性隔套還可以防止預(yù)緊力過大。防止軸承磨損發(fā)熱，提高軸承壽命；另外，裝有彈性隔套后，企業(yè)裝配軸承時，操作相對簡單，勞動強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高；所以，彈性隔套廣泛應(yīng)用于圓錐滾子軸承的調(diào)隙中[2]。

企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，由于軸承游隙尺寸范圍窄，受軸承工作環(huán)境的影響，隔套材料、形狀、尺寸及所受載荷、溫度及加工工藝的選擇設(shè)計不當(dāng)，都無法使其實(shí)現(xiàn)調(diào)整游隙的目的。

所以，盡管彈性隔套使用方便且能提高軸承疲勞壽命，但設(shè)計生產(chǎn)難度較大，只有合格的隔套才能實(shí)現(xiàn)軸承游隙的調(diào)整。

3 彈性隔套生產(chǎn)設(shè)計影響要素分析

3.1 彈性隔套結(jié)構(gòu)設(shè)計

彈性隔套安裝于成對使用的單列圓錐滾子軸承中間（見圖2），既可對其兩側(cè)的軸承內(nèi)圈提供穩(wěn)定支撐，又可推動兩內(nèi)圈向兩側(cè)移動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)軸承裝配高即游隙的調(diào)整。

圖2 帶有彈性隔套的輪轂軸承結(jié)構(gòu)圖

按照需調(diào)隙圓錐滾子軸承及其安裝軸自身的結(jié)構(gòu)尺寸，通常設(shè)計彈性隔套兩端尺寸內(nèi)徑與安裝軸直徑一致且與軸承間隙配合。由于軸徑的不同，常設(shè)計為（圖3）所示形狀，長度及壁厚依其屈服應(yīng)力設(shè)計（長度大于輪轂臺間距L2，壁厚在2m左右）。

圖3 彈性隔套結(jié)構(gòu)模型

3.2 彈性隔套材料選擇

彈性隔套通過螺母鎖緊來支撐兩軸承，擰緊鎖緊螺母產(chǎn)生的軸向力按下式計算[3]：

式中：T 為螺母擰緊力矩；k 為扭矩系數(shù)；F 為軸向力；d 為螺栓公稱直徑。據(jù)研究[4]，螺母鎖緊時產(chǎn)生的軸向力基本上用來使隔套屈服。隔套屈服即發(fā)生塑性變形時所需載荷及變形量的關(guān)系可利用實(shí)驗(yàn)法或有限元分析法，繪制出隔套所受軸向壓力及其塑性變形量的曲線圖（如圖4 所示）。

圖4 彈性隔套的壓縮力與變形量關(guān)系曲線

彈性隔套在軸向壓力作用下進(jìn)入塑性變形階段δ2后，在一定范圍內(nèi)隨著變形量的增加，曲線趨于平緩，反作用力變化較小，此區(qū)間即為其使用范圍。

此時，彈性隔套所需屈服壓力F 為[4]：

式中：δ2為材料的屈服極限；A 為可壓縮隔套的截面積A=π（r22- r12）。

其中，r2、r1分別為可壓縮隔套外徑與內(nèi)徑。所以，隔套設(shè)計時，其所受軸向壓力F 必須介于使其發(fā)生穩(wěn)定塑形變形的Pmax 和Pmin 之間，故可依據(jù)此來完成隔套材料的選取，依據(jù)A 來完成隔套厚度的設(shè)計。

3.3 彈性隔套長度的設(shè)計

（1）隔套長度L1 太大。隔套長度太大時，螺母按規(guī)定的預(yù)緊力擰緊后，不能將隔套壓縮變形到位，使得兩軸承外圈大端面無法與輪轂臺間相接觸，致使軸承裝配

后存在竄動現(xiàn)象，易因軸承定位不穩(wěn)定而導(dǎo)致車輛運(yùn)行偏擺[5]。（2）隔套長度L1 偏小。當(dāng)隔套長度偏小時，螺母按規(guī)定的預(yù)緊力擰緊后，隔套既不能起到支撐軸承內(nèi)圈又不能使內(nèi)圈向兩側(cè)移動的作用，軸承只會在預(yù)緊力的作用下使裝配高和游隙嚴(yán)重減小，致使軸承“過緊”，導(dǎo)致啟動力矩過大。車輛運(yùn)行時，軸承易因磨損嚴(yán)重而出現(xiàn)點(diǎn)蝕、過早疲勞、過燒現(xiàn)象。（3）合格的隔套長度L1。當(dāng)隔套被壓縮δ2后，其長度等于輪轂臺間距與兩軸承內(nèi)圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離時，隔套長度L 合格，即：L=L1+δ2（L1=L2+ 兩軸承內(nèi)圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離）。

其中：（1） 隔套長度壓縮量δ2可通過試驗(yàn)法或利用有限元分析法進(jìn)行測定。本文采用有限元分析法完成，首先完成隔套三維模型的繪制，再對隔套進(jìn)行材料屬性設(shè)置、網(wǎng)格劃分、約束及小端軸向載荷F 的施加，接著在后處理中完成計算和軸向位移的顯示及軸向位移與應(yīng)力關(guān)系圖的繪制，可得出隔套在F 作用下的位移量δ2，如圖5 所示。（2）輪轂臺間距L2 的測量可通過逆向掃描或三坐標(biāo)測量法來精確測定。（3）軸承內(nèi)圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離，可在軸承寬度、合格的裝配高、滾子長度、內(nèi)外圈軸向尺寸間組成的封閉尺寸鏈中求解。

圖5 彈性隔套的軸向位移圖

4 結(jié)論

在成對使用的單列圓錐滾子軸承中加裝彈性隔套可有效調(diào)整隔套游隙，從而提高軸承壽命及車輛運(yùn)行穩(wěn)定性。但隔套設(shè)計生產(chǎn)難度大、影響因素多，稍有不當(dāng)，會使隔套發(fā)揮不了應(yīng)有的作用。本文從隔套結(jié)構(gòu)、材料、尺寸方面進(jìn)行了淺顯的分析，為隔套設(shè)計提供了理論指引。