汽車(chē)變速器中,傳統系統大多采用滾動(dòng)軸承對轉動(dòng)的輪軸進(jìn)行支撐,以保證旋轉輪軸的轉動(dòng)穩定,這里采用的是圓柱滾子軸承支撐轉動(dòng)輪軸的傳動(dòng)穩定,在使用過(guò)程中,發(fā)現圓柱滾子軸承內圈出現了脫出現象。導致圓柱滾子軸承內圈脫出的原因是什么?如果解決為最好的方案?下面本公司簡(jiǎn)稱(chēng)根據對軸承知識的了解,來(lái)分享相關(guān)內容。
一、圓柱滾子軸承內圈脫出故障現象及影響
故障件從整箱內拆出檢查,如圖1所示,發(fā)現主動(dòng)輪軸的圓柱滾子軸承內圈脫離內測所貼平面位置3mm。若圓柱滾子軸承內圈脫出一定距離,滾子與軸承內圈滾道面未進(jìn)行全長(cháng)度接觸,在載荷下軸承會(huì )出現異常振動(dòng),而該振動(dòng)會(huì )直接影響變速箱整箱運行,產(chǎn)生不良噪音,從而影響正常使用。
圖1 圓柱滾子軸承內圈脫出圖示
二、圓柱滾子軸承內圈脫出故障原因分析
1、系統結構分析:如圖2所示,根據結構設計,主動(dòng)輪軸的兩端軸承,固定端采用深溝球軸承,自由端采用圓柱滾子軸承。深溝球軸承受到鋼帶產(chǎn)生的徑向以及主軸油壓產(chǎn)生軸向力。圓柱滾子軸承僅受到從輪軸傳遞過(guò)來(lái)的鋼帶拉力,無(wú)軸向力施加到此軸承上,即圓柱滾子軸承不會(huì )受到軸向力使其脫出。
圖2 帶輪系統軸承受力示意圖
2、原因分析:從機械原理可以得知,兩個(gè)過(guò)盈配合的零件使用過(guò)程出現了脫離,要么是零件制造超差,使緊固力減小不足,要么是設計的配合過(guò)盈偏小使產(chǎn)生的緊固力不足,零件工作中產(chǎn)生的推力大過(guò)了緊固力,從而使零件送動(dòng)脫移。軸承的脫出原因基于這個(gè)思路進(jìn)行探尋。
1)尺寸檢測:
若零件尺不合格,則有導致軸承內圈脫出風(fēng)險。對兩個(gè)樣機的軸承配合件進(jìn)行測量結果如表1所示,零件尺寸符合設計要求,可排除該因素影響。
2)結合力計算:
軸承內圈與輪軸是過(guò)盈配合,內圈脫出的原因可能為設計的過(guò)盈量不足。檢查輪軸與軸承的尺寸設計,發(fā)現二者之間在極限狀態(tài)下的最小過(guò)盈量為0.002mm,此時(shí)軸承內圈與輪軸的結合可通過(guò)以下公式(1)進(jìn)行計算:
其中:
P - 內圈與軸的結合力,N
d1 - 軸的直徑,mm
d2 - 軸承內徑,mm
B - 軸承與內圈接觸寬度,mm
E - 軸的彈性模量,Mpa
根據計算可知,軸承與輪軸的過(guò)盈量為0.002mm 時(shí),結合緊固力 P 為 23.73N,此值過(guò)于小,容易使主動(dòng)輪軸對軸承內圈的緊固固定不足而造成軸承脫出。但在前面的結構分析中,圓柱滾子軸承是不受軸向力的,貌似還不能說(shuō)明結合力小就會(huì )產(chǎn)生脫出問(wèn)題,問(wèn)題需要更深一步的探究。
3)輪軸與軸承受力 CAE 分析按照圖2 結構建立模型,運用計算機軟件進(jìn)行 CAE 分析。根據 CAE 計算分析結果,輪軸未受到鋼帶拉力作用時(shí)的狀態(tài)如圖 3 所示;輪軸在受到鋼帶拉力作用下的狀態(tài)如圖 4所示,輪軸受力時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定的彎曲變形,進(jìn)而對軸承產(chǎn)生軸向力。
圖 3 輪軸在未受到鋼帶拉力時(shí)狀態(tài)示意圖
圖4 輪軸在鋼帶拉力下變形示意圖
同時(shí),主動(dòng)輪軸的 CAE 分析結果顯示,接觸鋼帶的錐面法蘭也產(chǎn)生變形,如圖 5 所示,最大鋼帶拉力產(chǎn)生的軸承位置變形為0.084mm。錐面法蘭的變形也對軸承產(chǎn)生軸向力。
圖5 帶輪軸變曲CAE分析云圖
3)原因確認
根據上述的分析可知,在鋼帶拉力作用下,輪軸與圓柱滾子軸承之間不會(huì )完全不存在軸向力的產(chǎn)生,再加上產(chǎn)品制造及裝配的誤差,軸向力會(huì )加大。當輪軸受力運轉及制造誤差造成的軸向力總和大過(guò)軸承的結合緊固力時(shí),軸承就會(huì )在輪軸上的原始位置發(fā)生滑移。
輪軸變形產(chǎn)生的軸向力的數值計算比較復雜,此處就不作具體推導計算。從 CAE 分析的結果——主動(dòng)輪軸的錐面法蘭軸承位處有 0.084mm 變形可知軸向力不會(huì )太小,軸承與軸的最小過(guò)盈量結合緊固力 23.73N 與其相比肯定微乎其微。
由此,可以確認,此 CVT 產(chǎn)品在臺架試驗出現的主動(dòng)輪軸的圓柱滾子軸承內圈脫出的故障原因,是零件設計給定的軸承與輪軸的配合過(guò)盈量不足,同時(shí)結構設計上沒(méi)有軸承在輪軸上的限位防脫結構。
三、解決方案
針對上述確認的兩個(gè)方面原因,制定出解決問(wèn)題的兩條措施:
a) 增大軸承內圈與輪軸的過(guò)盈量。調整輪軸對軸承配合處的直徑公差,將使輪軸與圓柱滾子軸承的最小配合過(guò)盈量值由0.002mm 增加到 0.011mm。
b) 對軸承內圈增加一個(gè)限位防脫結構。在輪軸上軸承配合外側位置增加一個(gè)擋圈槽,裝上擋圈,對軸承內圈進(jìn)行限位,防止內圈脫出,如圖 6 所示。
圖6 擋圈安裝位置示意圖
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