變速箱圓柱滾子軸承的設計改進

崔傳榮，曹曉輝，李鑫輝，駱桂斌

(瓦房店軸承集團有限責任公司 技術中心，遼寧 瓦房店 116300)

1 工況條件

重型卡車變速箱內第二根軸后端使用滿裝圓柱滾子軸承NUP312ENV/C3，在變速箱中承受徑向和軸向的聯合載荷，所承受的徑向力約為3.5～27.5 kN，軸向力約為6.36～7.07 kN，但無大的沖擊載荷；轉速為250～3 000 r/min；潤滑方式為飛濺潤滑。

2 故障原因分析

軸承在使用過程中滾子磨損較快，特別是靠近平擋圈外徑處的端面磨損嚴重(磨出深溝)，造成抱死及燒軸。

根據軸承的失效形式分析其原因有以下幾個方面。

(1)滿裝滾子結構。在工作時滾子間滾動面直接接觸，且相互間發生滑動，作用力較大，在滾子接觸區不容易形成液體動力潤滑油膜，因此，在一定條件下，滾子損壞不是由于疲勞失效而是摩擦或磕傷所致。

(2)平擋圈及與平擋圈相接觸用于軸向定位的墊圈(圖1)。平擋圈外徑過大，加大了滾子端面與平擋圈的接觸面，不利于潤滑油膜的形成，增加了滾子的磨損，也不利于承載軸向力。而且與平擋圈相接觸的墊圈設計過高且與平擋圈無間隙的接觸，也不利于飛濺潤滑的形成，造成溫升較大。同時第二根軸最長，剛性較差，系統制造誤差及軸承存在一定的徑向游隙，造成軸端將產生一定的位移量和撓度，導致第二根軸回轉中心線與軸承回轉中心線不重合，造成軸承的早期失效。

1—外圈；2—滾子；3—內圈；4—平擋圈；5—墊圈

(3)軸向游隙。在軸承的軸向游隙不能滿足軸的軸向位移的情況下，滾子端面與擋邊及平擋圈之間將失去油膜而變為直接的壓力接觸，當滾子高速工作時，極易造成滾子端面的嚴重磨損。同時在高速運轉的條件下溫升較高，內、外圈溫差較大，內、外圈熱膨脹量不一樣，造成徑向游隙減小，致使軸承卡死。

3 改進方案

從使用條件分析，該軸承承受的為中等的徑向與軸向聯合載荷，轉速也不高，由于變速箱是成型的產品，在仍采用圓柱滾子軸承的前提下，對軸承內部結構設計進行改進。

(1)改用帶方頭鉚保持架的圓柱滾子軸承NUP312EMN/C3(圖2)。在轉速不高的情況下，該軸承的保持架使滾子間不再直接接觸，潤滑條件得到較大改善，其摩擦因數、極限轉速均遠優于滿裝滾子結構的軸承，降低了軸承的溫升和摩擦力矩，因此該軸承的性能要遠優于滿裝圓柱滾子軸承。該軸承的最大徑向力為Fr=27.5 kN，只占該軸承額定動載荷(Cr=150 kN)的18%，完全滿足要求。改進前、后軸承的性能對比見表1。

1—外圈；2—保持架座；3—保持架蓋；4—滾子；5—內圈；6—平擋圈；7—墊圈

表1 性能對比

(2)平擋圈及墊圈的改進。使平擋圈的高度與內圈擋邊高度一致，平擋圈的強度完全滿足使用要求，平擋圈高度的減小，使滾子端面與平擋圈的接觸區域減小(圖2)，進而降低了滾子端面的磨損；使墊圈高度與平擋圈高度一致即可，墊圈在這里只起軸向定位作用，其高度的降低可減小與平擋圈磨損的機會，其與平擋圈之間要留有一定的空間，以便于潤滑。同時改善內圈、外圈及平擋圈的形狀，使各自與滾子端面相接觸的擋邊部分帶有17′的角度(圖2)，這樣，滾子端面與各擋邊間將以楔形接觸(在圓周方向)，從而使滾子與擋邊接觸區具有較好的接觸和潤滑條件及較低的運行溫度，可使軸承具有較大的軸向承載能力；另外，滾子凸度采用對數素線修形設計，滾子端面為球基面，在給定的載荷作用下可使滾子與滾道之間的接觸應力達到均勻分布。通過優化設計，該軸承對于由于制造誤差而造成軸的撓曲和歪斜及自身與軸回轉中心線的不重合都有很強的適應能力，提高了承載能力。

(3)適當加大軸承的軸向游隙。為避免由于軸的軸向移動較大而造成滾子與擋邊端面間的不良接觸，軸向游隙可增加0.05～0.10 mm，以使軸承的潤滑條件得到改善，內、外圈熱膨脹量變得較為均勻，軸承旋轉靈活性得到提高。

4 最大允許軸向載荷的計算

軸承的最大允許軸向載荷主要由滾子和擋邊接觸區滑動表面的載荷能力決定，也就是說主要取決于軸承潤滑狀況、運行溫度及散熱條件，其計算公式為

式中：Fap為最大允許軸向載荷，kN；K1為潤滑系數；Cor為基本額定靜載荷，kN；n為轉速，r/min；d為軸承內徑，mm；D為軸承外徑，mm；K2為潤滑系數；Fr為最大徑向載荷，kN。

取K1=0.5，Cor=166 kN，n=220 r/min，d=60 mm，D=130 mm，K2=0.05，Fr=27.5 kN，計算得Fap=17.8 kN，此計算值是滿裝圓柱滾子軸承的最大允許軸向載荷。

改進設計后，潤滑條件得到大大改善，K1=1，K2=0.1；則Fap=35.6 kN，軸承的軸向承載能力可得到大幅提高。

5 結束語

改進后的軸承經上機和裝車試驗，完全滿足使用要求，未出現溫升過高，軸承抱死的故障，現已批量供貨。