淺談一種減輕軸承內(nèi)環(huán)與軸頸磨損的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳浩宇，李黎，陳金

（中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲 412002）

1 概述

某型減速器采用懸臂支撐方式，軸承采用過(guò)盈配合安裝、負(fù)游隙結(jié)構(gòu)。在以往的臺(tái)架試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)大錐軸承內(nèi)環(huán)與相配合的齒輪軸軸頸標(biāo)記線錯(cuò)位，即軸承內(nèi)環(huán)與軸頸出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪軸軸頸出現(xiàn)異常微動(dòng)磨損、軸肩出現(xiàn)掉塊等現(xiàn)象；軸肩貼合區(qū)域細(xì)微金屬塊剝落，剝落的金屬塊可能進(jìn)入潤(rùn)滑循環(huán)，引起齒輪副在嚙合過(guò)程中由于異物造成齒面擦傷等情況。為避免齒輪軸軸頸異常微動(dòng)磨損，軸肩掉塊的現(xiàn)象，本文研究了軸承克服過(guò)盈配合發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)理，并針對(duì)該型減速器懸臂支撐、軸承負(fù)游隙的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)理分析

大錐軸承與軸采用過(guò)盈配合，過(guò)盈量為-0.102～-0.076mm。運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，功率及載荷通過(guò)軸傳遞，軸承內(nèi)環(huán)與齒輪軸過(guò)盈聯(lián)接，軸承滾子對(duì)軸承內(nèi)環(huán)產(chǎn)生拖拽力矩，造成內(nèi)環(huán)克服與齒輪軸過(guò)盈配合產(chǎn)生的周向靜摩擦力，從而軸承內(nèi)環(huán)與齒輪軸出現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)相關(guān)內(nèi)容，過(guò)盈聯(lián)接傳遞扭矩過(guò)程中，發(fā)生周向滑移視為破壞過(guò)盈配合；在不破壞過(guò)盈配合情況下，承載的最大扭矩與過(guò)盈量成正比，在過(guò)盈摩擦系數(shù)0.2條件下，各個(gè)過(guò)盈量可承載最大扭矩估計(jì)值見(jiàn)表1。

表1 各個(gè)過(guò)盈量可承載最大扭矩估計(jì)值

而在實(shí)際中，過(guò)盈配合的摩擦系數(shù)并不一定為0.2，以下推導(dǎo)過(guò)盈摩擦系數(shù)并對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)傳遞扭矩T時(shí)，應(yīng)保證過(guò)盈聯(lián)接在此載荷作用下，不產(chǎn)生周向滑移（即相對(duì)滑動(dòng)）。即在外載荷T的作用下，配合面上所能產(chǎn)生的周向最大摩擦力矩M應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T。

定義過(guò)盈配合中：配合面外徑為df，配合面間的摩擦系數(shù)為μt，配合長(zhǎng)度為lf，配合面壓強(qiáng)為Pf，配合位置的周長(zhǎng)為l，摩擦力為f。則有：

其中：

在配合表面對(duì)摩擦力進(jìn)行積分得：

由式(1)、(2)、(3)，并考慮軸套結(jié)合長(zhǎng)度上的過(guò)盈量在沿軸向及周向分布是均勻的，得：

即得：

根據(jù)實(shí)際情況，按式(4)計(jì)算得出，對(duì)表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，重新計(jì)算表1中過(guò)盈配合不產(chǎn)生周向滑移情況下所能承受的最大扭矩。將數(shù)據(jù)代入仿真分析，在過(guò)盈量0.09mm情況下，加載扭矩T逐漸增加直至到達(dá)過(guò)盈聯(lián)接破壞點(diǎn)1380Nm。在過(guò)盈聯(lián)接被破壞時(shí)，結(jié)合面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在經(jīng)歷很短的滑動(dòng)時(shí)間后，試件重新接觸形成靜摩擦（1200Nm），直到下一次滑動(dòng)的到來(lái)。

3 軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)設(shè)計(jì)

為了防止該型減速器軸承內(nèi)環(huán)工作中相對(duì)齒輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，增加軸承內(nèi)環(huán)過(guò)盈量方案不適用于該型減速器。因此，采用特制的軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)結(jié)構(gòu)，依靠增加額外的靜摩擦力矩止動(dòng)。

3.1 軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)結(jié)構(gòu)

該型減速器軸承附近空間較為寬裕，因此，在錐滾軸承之間設(shè)計(jì)止動(dòng)間隔套，在大錐軸承內(nèi)環(huán)處配合止動(dòng)。在大錐軸承內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)止動(dòng)凸臺(tái)；輸入止動(dòng)間隔套設(shè)計(jì)有止動(dòng)槽，裝配時(shí)，與大錐軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)凸臺(tái)配合；輸出導(dǎo)油套設(shè)計(jì)止動(dòng)槽，即可承擔(dān)導(dǎo)流潤(rùn)滑油同時(shí)也可對(duì)輸出大錐軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)，裝配時(shí)與大錐軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)凸臺(tái)配合。

止動(dòng)機(jī)理：止動(dòng)間隔套、導(dǎo)油套小端由小錐軸承、軸承調(diào)整墊壓緊在齒輪軸軸肩，小錐軸承與齒輪軸過(guò)盈配合，通過(guò)溫差法壓緊形成拖拽力矩，再通過(guò)軸端鎖緊螺母施加預(yù)緊力壓實(shí)間隔套（導(dǎo)油套）；由于軸承內(nèi)環(huán)凸臺(tái)卡在間隔套（導(dǎo)油套）止動(dòng)槽內(nèi)，依靠間隔套（導(dǎo)油套）被壓緊的軸向預(yù)緊力產(chǎn)生靜摩擦力防止軸承內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.2 軸端鎖緊預(yù)緊力選取

為保證減速器止動(dòng)間隔套軸向預(yù)緊力形成的靜摩擦力矩能夠抵御大錐軸承內(nèi)環(huán)破壞過(guò)盈聯(lián)接時(shí)的扭矩，選取合適的軸端鎖緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的預(yù)緊力至關(guān)重要，本節(jié)闡述軸端預(yù)緊力的選取。根據(jù)圖1中仿真結(jié)果，在軸承內(nèi)環(huán)發(fā)生周向滑移時(shí)，減速器止動(dòng)間隔套需承受至少1200Nm扭矩。亟需中減止動(dòng)間隔套配合面上所能產(chǎn)生的最大摩擦力矩M應(yīng)大于或等于轉(zhuǎn)矩T。

圖1 克服過(guò)盈配合的扭矩曲線

在T=1200Nm時(shí)，可得軸向壓力N=42857N。

由于輸出小錐軸承與齒輪軸為過(guò)盈配合，過(guò)盈量將影響軸端鎖緊產(chǎn)生的預(yù)緊力傳遞，如在圖樣規(guī)定的過(guò)盈配合公差帶中，較大過(guò)盈量將導(dǎo)致傳遞的軸向預(yù)緊力損失。為了確定減速器間隔套實(shí)際所受軸向壓力，對(duì)間隔套貼應(yīng)變片并標(biāo)定，得到標(biāo)定所受軸向力與應(yīng)變關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 間隔套所受實(shí)際軸向力標(biāo)定

選取不同裝配過(guò)盈量的中輸出小錐軸承，在特定的軸端鎖緊力矩（300Nm）情況下，軸端鎖緊產(chǎn)生的預(yù)緊力傳遞至間隔套產(chǎn)生的應(yīng)變見(jiàn)表3～5。

由表3～5可知，裝配過(guò)盈量與間隔套實(shí)際所受軸向力成反比，裝配過(guò)盈量為-0.101～-0.095mm的輸出小錐軸承（間隔套實(shí)際所受軸向預(yù)緊力最?。┖螅瑢?duì)應(yīng)表3中應(yīng)變標(biāo)定數(shù)據(jù)，間隔套所受軸向力為47000N左右，該軸向力可滿足抵御1200Nm軸承內(nèi)環(huán)周向滑移扭矩需求。

表3 間隔套試驗(yàn)（小錐軸承過(guò)盈量-0.101～-0.095）

表4 間隔套試驗(yàn)（小錐軸承過(guò)盈量-0.091～-0.085）

表5 間隔套試驗(yàn)（小錐軸承過(guò)盈量-0.075～-0.069）

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

該型減速器裝配輸入止動(dòng)間隔套、輸出導(dǎo)油套后，其他裝配條件：軸端螺母擰緊力矩選用290Nm，小錐軸承過(guò)盈量0.101mm，進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，輸入、輸出齒輪軸軸頸配合處未出現(xiàn)異常微動(dòng)磨損。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

（1）經(jīng)檢查，試驗(yàn)后大錐軸承位置無(wú)微動(dòng)磨損。

（2）軸端鎖緊機(jī)構(gòu)所提供的軸向預(yù)緊力可以滿足該型最大功率下的軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)要求。

（3）根據(jù)計(jì)算，在加載至極限扭矩情況下，大錐軸承內(nèi)環(huán)克服過(guò)盈配合產(chǎn)生周向相對(duì)滑移，滑移力矩達(dá)到1200Nm；在此基礎(chǔ)上增加止動(dòng)間隔套，軸端鎖緊螺母擰緊力矩290Nm以上時(shí)，可實(shí)現(xiàn)該型減速器大錐軸承內(nèi)環(huán)止動(dòng)。