重型汽車推力桿用自潤滑關節軸承

莊鴻鳴

(福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363000)

1 概述

載重汽車懸掛系統的V型推力桿，一端與車架鉸接，另一端安裝在車橋上，主要作用是穩定車橋，克服彈簧鋼板只能傳遞縱向力和側向力而不能傳遞牽引力、制動力及其反作用力矩的弊端。因此當載重汽車過載時，V型推力桿可將沖擊載荷有效均衡地分配給車身兩邊縱梁，減輕橋殼和底盤受到的沖擊。

國內原有重型汽車的V型推力桿接頭(圖1)是在球頭銷外面硫化橡膠，通過橡膠的變形進行擺動和抵抗沖擊，但在惡劣工況下,該接頭損壞率極高,不能滿足使用要求。為此，需要設計一種損壞率低的新型推力桿接頭。

圖1 原V型推力桿接頭示意圖

2 新型推力桿接頭

根據V型推力桿的工作特點，把推力桿接頭設計成關節軸承結構形式。這就要求軸承具有較高的承受交變徑向和軸向載荷的能力、較高的承受高頻沖擊能力、較大的擺動角度、低維護率、能夠承受高溫差等，并能適應惡劣的路況及多粉塵泥沙環境。

2.1 結構設計

新型推力桿接頭結構如圖2所示。關節軸承外圈采用中碳鋼，內球面有雙金屬自潤滑材料的襯墊；內圈采用40Cr，心部調質，表面高頻淬火，外球面鍍硬鉻，可滿足耐磨、抗高頻沖擊的要求。外圈內球面通過專用模具包壓成形，使雙金屬襯墊與內圈外球面之間形成良好的耦合摩擦副。在外圈的外表面硫化一層聚氨酯，用于吸收高頻沖擊，消除推力桿使用過程中的噪聲。

1—球頭銷；2—雙金屬材料；3—外圈；4—聚氨酯

2.2 摩擦副的選擇

由于使用環境惡劣，且在擺動時需承受高頻沖擊，采用表面硬度較低的PTFE織物和PTFE復合材料作為摩擦副時，污染物入侵會損傷自潤滑層，從而影響軸承的使用壽命。因此，設計中采用雙金屬自潤滑材料作為摩擦副，該材料是鋼和銅經過高溫燒結而成，銅層彌散著一定比例的固體自潤滑材料，在運轉中可以在摩擦面形成有效的轉移膜，延長軸承的使用壽命，滿足推力桿的使用要求。

2.3 徑向游隙的確定

通常關節軸承安裝后的工作游隙比配套游隙小，安裝配合越緊，工作游隙越小。但此種關節軸承安裝時的過盈量由聚氨酯變形消除，對關節軸承的作用力很小，工作游隙與配套游隙相差不大。經試驗，擠壓成形后的徑向游隙控制在0.01～0.08 mm最為合適。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

雙金屬自潤滑材料不僅經過端面摩擦、PV摩擦等試驗驗證，為了保證軸承的可靠性，又采用專用的關節軸承壽命試驗機，在低速重載下對3套軸承進行摩擦磨損性能，以獲得該材料在模擬工況下的使用壽命。試驗參數：初始溫度15 ℃，徑向載荷Fr=32.5 kN，擺動角度β=40°，擺動頻率f=35 次/min。軸承失效的判定條件為溫度超過150 ℃或摩擦因數大于0.2。

3.2 試驗結果與分析

軸承摩擦磨損試驗結果見表1。

表1 摩擦磨損試驗結果

以1#軸承的試驗結果為例進行分析。軸承溫度隨擺動次數的變化情況如圖3所示，磨損量的變化情況如圖4所示，摩擦因數的變化情況如圖5所示。

由圖可知，軸承在正常磨損情況下，溫度穩定在50 ℃以下，摩擦因數穩定在0.08～0.15，實際壽命超過了計算壽命，可見該軸承采用雙金屬自潤滑材料作為摩擦副符合產品的使用要求。

圖3 溫升變化圖

圖4 磨損量變化圖

圖5 摩擦因數變化圖

4 加工要點

4.1 球頭銷的機加工

由于球頭銷是鍛件，尺寸公差大，需要2次裝夾才能完成加工，因此，選擇加工基準非常關鍵。在鍛件表面加工中心孔無法保證其與端面的垂直度，后道工序加工球面以中心孔定位造成球形偏差大，廢品率高。只有保證中心孔與端面的垂直度才能為后道工序的加工提供準確的定位基準。因此，加工時先在球頭銷一側柄端面加工0.1 mm左右作為基準面，再加工中心孔，從而保證端面與中心孔垂直。

4.2 球頭銷的高頻淬火

一般的高頻淬火件為圓柱型，在球面進行高頻淬火難度較大，特別對于包覆角較大的球面，要在球面形成一層均勻的淬硬層難度更大。采用球面分段加熱的高頻處理工藝無法在球面形成均勻的淬硬層，且在邊緣處有未淬硬層。根據球面的特點，把感應線圈設計成仿球狀，球面同時整體加熱，然后噴水冷卻，從而使球面淬硬層均勻，硬度及金相組織符合要求。

4.3 外圈的擠壓成形

采用MARC AUTOFORGE軟件模擬擠壓過程，把擠壓過程(圖6)分解，逐步變形以達到精密擠壓的效果。

(a)初步擠壓

(b)擠壓成形

根據試驗結果設計專用的擠壓模具(圖7)，擠壓成形后既要保證外圈球面和球頭銷的球面完全貼合，又要保證外形飽滿，滿足后續機加工的要求。擠壓模具的材料選用GCr15，熱處理硬度為55～60 HRC。模具的型腔采用數控車床加工，以保證模具尺寸精度達到使用要求。

1—上墊塊；2—擠壓上模；3—球頭銷；4—外圈；5—下墊塊；6—擠壓下模；7—底板

5 結束語

由試驗及分析可知，推力桿用自潤滑關節軸承的設計加工具有以下創新點：

1)傳統關節軸承的內、外圈采用軸承鋼，熱處理整體淬硬，在高頻沖擊下套圈容易破碎；新產品內圈采用合金結構鋼，心部調質，球面高頻感應淬火，不僅滿足了耐磨要求，也滿足了抗高頻沖擊要求。

2)該關節軸承采用新型的雙金屬自潤滑材料，除具有高承載、耐沖擊、耐磨損和長壽命的特性外，又具有免維護自潤滑功能。

3)該關節軸承外圈外表面硫化一層聚氨酯，可以吸收高頻沖擊，消除推力桿使用過程中的噪聲，這種金屬與非金屬組合的關節軸承組件，在產品設計上具有創新性。

4)由于該產品采用雙金屬自潤滑材料，且外圈球面的包角較大，大尺寸外圈的精密擠壓成形技術在工藝加工方面也是創新。

該產品經過批量使用，成功解決了重型汽車推力桿接頭損壞率高的難題，產品性能可靠，壽命提高一倍以上。