趙坤，張恒

(慈興集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，浙江 寧波 315301)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車心臟，而張緊輪軸承是其動(dòng)力穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵零部件[1-5]。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的張緊輪軸承壽命基本在(8～12)×104km，個(gè)別企業(yè)能達(dá)到(14～16)×104km，與國外一流主機(jī)客戶20×104km以上的要求差距較大。張緊輪軸承運(yùn)行在高速、高溫的工況條件下，密封性能是影響軸承壽命的主要因素，故有必要對張緊輪軸承的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1 軸承工況及設(shè)計(jì)要求

張緊輪的結(jié)構(gòu)及安裝位置示意圖如圖1、圖2所示。張緊輪用深溝球軸承6203PLLH工況及設(shè)計(jì)要求為：1)轉(zhuǎn)速0～12 000 r/min；2)工作環(huán)境溫度-40～120 ℃；3)良好的密封性能，防漏脂、防雜質(zhì)侵入；4)低的啟動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)扭矩；5)長壽命,高可靠性(壽命20×104km以上)。

圖1 張緊輪結(jié)構(gòu)

圖2 張緊輪安裝位置示意圖

2 密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

6203PLLH軸承在寬溫度范圍、高轉(zhuǎn)速工況下工作，為確保高、低溫環(huán)境下的密封圈性能保持穩(wěn)定，選擇ACM橡膠作為密封材料，并要求低的啟動(dòng)扭矩和旋轉(zhuǎn)扭矩。較低的扭矩可有效減少密封圈的磨損，降低溫升，從而延長密封圈壽命，使軸承密封更可靠。

為確保低的扭矩，可通過減少密封圈主接觸唇與內(nèi)圈防塵槽接觸面的過盈量實(shí)現(xiàn)，但過盈量過小，會(huì)增大油脂泄漏風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及試驗(yàn)可對過盈量進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)前、后的密封結(jié)構(gòu)如圖3所示。為增加外圈旋轉(zhuǎn)時(shí)密封圈的緊固性，骨架外徑改進(jìn)為“兩次折邊”的結(jié)構(gòu)，增大骨架外徑，提高密封圈安裝到外圈密封槽中的緊固性。

圖3 密封結(jié)構(gòu)

改進(jìn)前、后的密封唇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。對套圈密封槽的要求：1)內(nèi)圈密封槽與密封唇接觸面的表面粗糙度Ra≤0.63 mm；2)內(nèi)、外圈密封槽的對稱差不大于0.03 mm；3)內(nèi)、外圈密封槽的深度差不大于0.02 mm。

表1 密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 有限元分析

以軸承各零部件的尺寸中間公差值建模，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析。改進(jìn)前、后密封結(jié)構(gòu)的主接觸唇與內(nèi)圈密封槽接觸面的接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力分別如圖4，圖5所示。

圖4 接觸應(yīng)力云圖

圖5 等效應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，改進(jìn)前、后接觸應(yīng)力分別為1.68，0.96 MPa;改進(jìn)前、后等效應(yīng)力分別為1.88，1.36 MPa;改進(jìn)后密封結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力及等效應(yīng)力明顯小于原密封結(jié)構(gòu)，從而使改進(jìn)后軸承的摩擦力矩小于原軸承。

4 試驗(yàn)分析

4.1 啟動(dòng)扭矩

使用有定位指針的扭矩表測量，測量前扭矩表的定位指針和活動(dòng)指針均調(diào)零，內(nèi)圈固定在扭矩表所夾持的芯軸上，測量時(shí)水平勻速轉(zhuǎn)動(dòng)軸承外圈，當(dāng)扭矩表顯示穩(wěn)定的最大值時(shí)，其值即為測量值，測量示意圖如圖6所示。

圖6 扭矩測量示意圖

改進(jìn)前、后軸承的啟動(dòng)扭矩測量值見表2，密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的軸承啟動(dòng)扭矩較低，降低了約47.2%。

表2 啟動(dòng)扭矩測量值

4.2 旋轉(zhuǎn)扭矩

試驗(yàn)條件為：徑向力Fr=120 N,內(nèi)圈轉(zhuǎn)速800 r/min,室溫,試驗(yàn)時(shí)間10 min。試驗(yàn)原理如圖7所示，裝入2套相同的待測軸承，施加徑向力，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，測量扭矩。

圖7 旋轉(zhuǎn)扭矩試驗(yàn)原理圖

改進(jìn)前、后軸承的旋轉(zhuǎn)扭矩測量數(shù)據(jù)見表3，密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的軸承旋轉(zhuǎn)扭矩更低，降低了約72.0%。

表3 旋轉(zhuǎn)扭矩測量值

4.3 高溫變速漏脂測試

將裝有被測軸承的張緊輪安裝在張緊輪變速試驗(yàn)臺上，6套一組，通過編程自動(dòng)控制軸承的轉(zhuǎn)速變化。試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度110 ℃，徑向載荷600 N，外圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速變化如圖8所示。變化過程如下：1)從0加速到7 000 r/min，加速時(shí)間為15 s；2)7 000 r/min維持60 s；3)從7 000 r/min減速到2 500 r/min，減速時(shí)間為5 s；4)2 500 r/min維持30 s；5)從2 500 r/min加速到7 000 r/min，加速時(shí)間為5 s。重復(fù)步驟(2)～(5)直至40 h。

圖8 轉(zhuǎn)速變化圖

密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后軸承的高溫變速漏脂試驗(yàn)結(jié)果見表4。結(jié)果表明：2種密封結(jié)構(gòu)軸承都符合要求。

表4 漏脂試驗(yàn)對比

4.4 浸油試驗(yàn)

試驗(yàn)條件為：將軸承浸入Fuchs 03WC油中，室溫，內(nèi)圈以2 000 r/min旋轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)24 h。試驗(yàn)原理如圖9所示。通過試驗(yàn)，改進(jìn)前、后的軸承內(nèi)部均未進(jìn)入03WC油，抗液體進(jìn)入性能相當(dāng)。

圖9 浸油試驗(yàn)原理圖

注：考慮稱重誤差及試驗(yàn)過程中正常油脂量損耗，漏脂百分比不大于3%視為可接受。

4.5 高速耐久試驗(yàn)

試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速12 000 r/min，徑向載荷800 N，環(huán)境溫度100 ℃。張緊輪疲勞耐久試驗(yàn)原理如圖10所示，1#～6#為測試軸承，7#～10#為輔助定位軸承，11#為驅(qū)動(dòng)軸，F(xiàn)為浮動(dòng)加載力。密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后軸承各測試6套。改進(jìn)前軸承在未達(dá)到2 000 h前，有3套溫升超過150 ℃而停機(jī)，拆套分析發(fā)現(xiàn)主接觸唇磨損嚴(yán)重，油脂泄漏嚴(yán)重，內(nèi)、外圈溝道和鋼球表面由于高溫產(chǎn)生回火氧化。改進(jìn)后軸承的運(yùn)行時(shí)間均超過2 000 h，外圈溫度均未超過150 ℃，在運(yùn)行到2 300 h后停機(jī)。

圖10 張緊輪耐久試驗(yàn)機(jī)原理圖

5 結(jié)束語

通過對2種密封結(jié)構(gòu)的有限元分析和軸承的5項(xiàng)對比試驗(yàn)，結(jié)果表明，密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后軸承與原密封結(jié)構(gòu)軸承相比，具有更低的啟動(dòng)和旋轉(zhuǎn)扭矩，密封壽命更優(yōu)。密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的6203PLLH軸承銷量已達(dá)800余萬套，市場證明其滿足高端汽車張緊輪的應(yīng)用要求。