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變速器軸承受力分析與失效改善

2021-03-05 10:38:23·  來源：EDC電驅(qū)未來  
　
滾動軸承是變速器及其他機器中的重要通用部件，它依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零部件，將運轉(zhuǎn)的軸與軸承座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，具有摩擦阻力小、
滾動軸承是變速器及其他機器中的重要通用部件，它依靠主要元件間的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零部件，將運轉(zhuǎn)的軸與軸承座之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，具有摩擦阻力小、起動容易及效率高等優(yōu)點。
滾動軸承一般由外圈、內(nèi)圈、滾動體和保持架組成。其中內(nèi)圈的作用是與軸相配合并與軸一起旋轉(zhuǎn)，外圈的作用是與軸承座孔配合，起支撐作用。外圈與內(nèi)圈都制有一定形狀的滾道，以保證滾動體在其間做精確的旋轉(zhuǎn)。保持架則用來把滾動體隔開并沿滾道均勻分布。隨著對變速器運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性及NVH性能要求越來越高，軸承的性能提高顯得尤為重要，因此對軸承的研究是十分必要的。本文以圓柱滾子軸承為研究對象，圍繞受力情況，對軸承的設(shè)計提出優(yōu)化，從而解決變速器中軸承的失效問題。

軸承受力分析

某手動檔變速器二軸一檔端圓柱滾子軸承（簡稱“AS1軸承”），在變速器質(zhì)量耐久臺架試驗中數(shù)次出現(xiàn)軸承失效，具體表現(xiàn)為軸承一端擋圈脫出。

1.軸承位置及其與軸的配合●

變速器總成如圖1所示，一軸左右兩端各有一個圓錐滾子軸承進行支撐。二軸左右兩端也分別裝有軸承進行支撐，其中二軸一檔端采用左右?guī)跞Φ膱A柱滾子軸承即AS1軸承進行支撐，二軸六檔端采用深溝球軸承（簡稱“AS6軸承”）進行支撐。二軸AS1軸承內(nèi)圈與二軸采用過盈配合，與二軸一起轉(zhuǎn)動，外圈與殼體采用間隙配合，AS1軸承在軸承座孔中是浮動的，無軸向固定。二軸AS6軸承內(nèi)圈與軸采用過盈配合，外圈與殼體采用間隙配合，外圈左右兩端各裝有一個卡環(huán)，一個卡環(huán)在殼體內(nèi)側(cè)，另一卡環(huán)在殼體外側(cè)，AS6軸承通過這兩個卡環(huán)與殼體配合一起實現(xiàn)對二軸總成的軸向定位。
圖1 變速器總成

2.軸承受力分析

軸承在軸上的位置及配合關(guān)系已明確，那么軸承在運轉(zhuǎn)中會承受哪些力的作用呢？下面將以變速器在二檔位置為例，對二軸及二軸軸承受力進行分析（圖2）。
變速器在二檔時，發(fā)動機的動力從一軸二檔主動齒輪傳遞給二軸上的二檔從動齒輪，再經(jīng)過同步器傳遞到二軸，經(jīng)二軸上的常嚙合主減速齒輪與齒圈的嚙合，最終通過齒圈把動力傳遞給傳動軸。在整個過程中有兩對齒輪副參與嚙合及動力傳遞，這兩對齒輪副分別是二檔主從動齒輪副及主減速齒輪副。
在動力傳遞過程中，發(fā)動機帶動一軸旋轉(zhuǎn)的方向如n1所示，根據(jù)右手螺旋法則，二軸上的二檔從動齒輪所受的力F1分解到軸向、徑向及圓周方向，分別為Fa1、Fr1、 Ft1，二軸上主減速齒輪所受的力F分解到軸向、徑向及圓周方向，分別為Fa、 Fr、 Ft 。
圓周力在從動齒輪上是驅(qū)動力，與齒輪旋轉(zhuǎn)方向相同。在這里圓周力只起驅(qū)動齒輪及軸旋轉(zhuǎn)的作用，與軸承的擋圈脫出失效沒有關(guān)系，所以不再進一步分析。關(guān)于軸向力，二軸總成在軸向上承受兩個軸向力：Fa1及Fa，這兩個軸向力的方向相反，所以，二軸總成所受的軸向力方向由這兩個軸向力中較大的軸向力的方向決定。根據(jù)斜齒圓柱齒輪受力公式可得，F(xiàn)a1及Fa大小分別為：
圖2 變速器在二檔位置時二軸及二軸軸承受力分析
式中，T1為輸入轉(zhuǎn)矩；d1為二檔主動齒輪直徑；β1為二檔主動齒輪的螺旋角；T2為二軸轉(zhuǎn)矩；d2為主減速齒輪直徑；β2為二軸主減速齒輪的螺旋角；Ⅰ為傳動比；η為傳動效率（這里假定傳動效率為100%）。
代入數(shù)據(jù)，F(xiàn)a大于Fa1,二軸總成所受軸向力方向沿Fa方向，指向六檔端，即二軸總成在軸向力作用下有向六檔端移動的趨勢。因AS1軸承外圈與殼體軸承座孔是間隙配合，且在軸向與殼體間沒有固定，故AS1軸承相對殼體在軸向是浮動的。而二軸總成的軸向定位是由AS6軸承外圈卡環(huán)實現(xiàn)的，故二軸總成所受的指向六檔端的軸向力由AS6軸承外圈右側(cè)卡環(huán)承受。若二軸總成只受軸向這一個方向的力的作用，那么軸承座孔不會限制軸承外圈的軸向運動，軸向力并不會傳遞到AS1軸承上。
然而，齒輪傳動不可能只有軸向力，徑向力是一定存在的，而且齒輪及軸在徑向方向上所受的力更大。有徑向力作用，二軸必定會存在彎曲變形，二軸軸線便不再是水平的，此時，裝在二軸上的軸承軸線同樣不再是水平的，而是有一定的傾斜角，至此，二軸上的AS1軸承與軸承座孔軸線便不再平行。當二軸的彎曲變形達到一定程度，二軸AS1軸承外圈的傾斜使其與軸承座孔的配合間隙消除，軸承外圈便會與軸承座孔接觸，從而外圈的運動便會被軸承座孔限制。AS1軸承外圈被限制住，內(nèi)圈卻隨二軸總成在運轉(zhuǎn)中受軸向力及徑向力，那么此時二軸所受的力便會通過AS1軸承內(nèi)圈傳遞給AS1軸承。
在徑向方向上，因徑向力方向始終指向齒輪軸心，如圖2所示，二檔從動齒輪的徑向力Fr1方向垂直向下，二軸上主減速齒輪的徑向力Fr方向垂直向上，兩者方向剛好相反。因二軸上有兩個支撐點：AS1軸承、AS6軸承，二軸在Fr1及Fr這兩個徑向力的作用下，彎曲變形呈現(xiàn)兩頭向上翹、中間下彎的趨勢，如圖3所示。
AS1圓柱滾子軸承左右各帶一個L形擋圈，如圖4所示。在二軸彎曲變形情況下，AS1軸承內(nèi)圈隨二軸一起發(fā)生傾斜，外圈受殼體孔的限制將保持不動。此時，內(nèi)圈帶動滾子傾斜進而擠壓軸承左側(cè)擋圈，因擋圈與軸承外圈的擋圈槽在軸向及徑向均是間隙配合，擋圈在滾子的擠壓力作用下會發(fā)生傾斜移位傾向，而擋圈與擋圈槽的配合間隙給擋圈傾斜移位提供了活動空間。當二軸的彎曲達到一定的程度，擋圈在滾子擠壓力作用下就有可能發(fā)生傾斜移位并脫出的問題。
圖3 二軸上的支撐點
圖4 擋圈在滾子的擠壓力下發(fā)生傾斜移位

3.AS1軸承左側(cè)擋圈受力分析●

在二軸彎曲變形情況下，軸承左側(cè)擋圈受滾子擠壓產(chǎn)生傾斜移位，擋圈會受到兩個力的作用，如圖5所示。
首先，滾子擠壓擋圈，擋圈會承受滾子對其的軸向推力F1，其作用點是滾子與擋圈的接觸點。推力F1將對擋圈產(chǎn)生一個順時針力矩F1·L1，在此力矩作用下，軸承擋圈會產(chǎn)生順時針旋轉(zhuǎn)傾向，進而產(chǎn)生歪斜移位。
其次，擋圈是開口彈性擋圈，擋圈裝配后開口被壓縮，擋圈L形臺階面與外圈在徑向上是過盈配合的，擋圈始終會承受外圈對其的徑向預(yù)緊力F0， 此預(yù)緊力F0將會產(chǎn)生一逆時針力矩F0·L0。
圖5 軸承左側(cè)檔圈受力
圖6 徑向尺寸增大前后的歪斜對比
圖7 鎖圈
擋圈所受的預(yù)緊力產(chǎn)生的力矩F0·L0與滾子對擋圈的推力產(chǎn)生的力矩F1·L1方向相反，從而可以減弱或抵消滾子對擋圈的推力作用，緩解軸承擋圈的歪斜傾向。所以，若要預(yù)防擋圈受力脫出，F(xiàn)0·L0應(yīng)適當大一些。因L0由軸承及擋圈結(jié)構(gòu)尺寸決定，不便更改，故只能在適當范圍內(nèi)增大擋圈所受的預(yù)緊力F0。

改善方案

根據(jù)軸承受力及擋圈受力分析可知，擋圈在受力下會發(fā)生歪斜移位并脫出，主要有兩方面原因：一是擋圈在擋圈槽中活動空間偏大，即擋圈槽對擋圈空間移位的限制偏小，擋圈容易從外圈擋圈槽中脫出；二是擋圈L形臺階面與外圈徑向配合過盈量即預(yù)緊力偏小，不足以減弱或抵消滾子對擋圈的推力力矩作用。所以，若想避免擋圈受力脫出，則應(yīng)使擋圈在擋圈槽內(nèi)的活動空間盡可能小，同時適當增大擋圈L形臺階面與外圈配合面的過盈量。
根據(jù)上述分析，可對AS1軸承進行兩點優(yōu)化：①將擋圈槽及擋圈卡入部分的徑向尺寸L增大0.3～0.4 mm。圖6是擋圈槽及擋圈卡入部分徑向尺寸增大前后的歪斜對比示意圖，從中可以看出，在相同的歪斜角度下，擋圈及擋圈槽徑向尺寸增大后，擋圈脫出風(fēng)險更低。②在標準范圍內(nèi)，將擋圈L形臺階面的直徑d增大0.92 mm，如圖7所示。擋圈L形臺階面的直徑d增大0.92 mm，則裝配后擋圈在直徑方向上的壓縮量對應(yīng)增大0.92 mm，擋圈所受的預(yù)緊力F0也相應(yīng)變大，從而使其抵抗?jié)L子推力的能力變大。

結(jié)論

為驗證改善效果，按照此改善方案，加工了樣件分別進行軸承壽命試驗及質(zhì)量臺架耐久試驗。改善樣件順利通過了軸承壽命試驗，改善后軸承壽命滿足使用要求。質(zhì)量臺架耐久試驗結(jié)束后拆解變速器，發(fā)現(xiàn)軸承完好無損，擋圈無傾斜移位痕跡。經(jīng)此試驗證明，上述軸承改善方案是合理的、可行的。至此，我們的改善方案可以正式在失效變速器上進行實施。
軸承擋圈脫出不屬于常規(guī)的軸承失效模式范疇，這種失效方式并不常見，本文僅針對這一失效模式進行軸承受力分析，從軸承機構(gòu)及設(shè)計本身給出優(yōu)化的方案，為類似軸承失效分析提供一種參考。
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