6203PLLH張緊輪軸承密封結構的改進設計

趙坤，張恒

(慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301)

發動機是汽車心臟，而張緊輪軸承是其動力穩定輸出的關鍵零部件[1-5]。國內企業生產的張緊輪軸承壽命基本在(8～12)×104km，個別企業能達到(14～16)×104km，與國外一流主機客戶20×104km以上的要求差距較大。張緊輪軸承運行在高速、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構進行改進設計。

1 軸承工況及設計要求

張緊輪的結構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工況及設計要求為：1)轉速0～12 000 r/min；2)工作環境溫度-40～120 ℃；3)良好的密封性能，防漏脂、防雜質侵入；4)低的啟動扭矩和旋轉扭矩；5)長壽命,高可靠性(壽命20×104km以上)。

圖1 張緊輪結構

圖2 張緊輪安裝位置示意圖

2 密封結構設計

6203PLLH軸承在寬溫度范圍、高轉速工況下工作，為確保高、低溫環境下的密封圈性能保持穩定，選擇ACM橡膠作為密封材料，并要求低的啟動扭矩和旋轉扭矩。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圈防塵槽接觸面的過盈量實現，但過盈量過小，會增大油脂泄漏風險。根據經驗及試驗可對過盈量進行改進設計，改進前、后的密封結構如圖3所示。為增加外圈旋轉時密封圈的緊固性，骨架外徑改進為“兩次折邊”的結構，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 密封結構

改進前、后的密封唇結構設計參數見表1。對套圈密封槽的要求：1)內圈密封槽與密封唇接觸面的表面粗糙度Ra≤0.63 mm；2)內、外圈密封槽的對稱差不大于0.03 mm；3)內、外圈密封槽的深度差不大于0.02 mm。

表1 密封圈結構設計參數

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進行分析。改進前、后密封結構的主接觸唇與內圈密封槽接觸面的接觸應力和等效應力分別如圖4，圖5所示。

圖4 接觸應力云圖

圖5 等效應力云圖

從圖中可以看出，改進前、后接觸應力分別為1.68，0.96 MPa;改進前、后等效應力分別為1.88，1.36 MPa;改進后密封結構的接觸應力及等效應力明顯小于原密封結構，從而使改進后軸承的摩擦力矩小于原軸承。

4 試驗分析

4.1 啟動扭矩

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指針均調零，內圈固定在扭矩表所夾持的芯軸上，測量時水平勻速轉動軸承外圈，當扭矩表顯示穩定的最大值時，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

改進前、后軸承的啟動扭矩測量值見表2，密封結構改進后的軸承啟動扭矩較低，降低了約47.2%。

表2 啟動扭矩測量值

4.2 旋轉扭矩

試驗條件為：徑向力Fr=120 N,內圈轉速800 r/min,室溫,試驗時間10 min。試驗原理如圖7所示，裝入2套相同的待測軸承，施加徑向力，電動機驅動內圈旋轉，測量扭矩。

圖7 旋轉扭矩試驗原理圖

改進前、后軸承的旋轉扭矩測量數據見表3，密封結構改進后的軸承旋轉扭矩更低，降低了約72.0%。

表3 旋轉扭矩測量值

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臺上，6套一組，通過編程自動控制軸承的轉速變化。試驗條件為：環境溫度110 ℃，徑向載荷600 N，外圈旋轉，轉速變化如圖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，加速時間為5 s。重復步驟(2)～(5)直至40 h。

圖8 轉速變化圖

密封結構改進前、后軸承的高溫變速漏脂試驗結果見表4。結果表明：2種密封結構軸承都符合要求。

表4 漏脂試驗對比

4.4 浸油試驗

試驗條件為：將軸承浸入Fuchs 03WC油中，室溫，內圈以2 000 r/min旋轉，運轉24 h。試驗原理如圖9所示。通過試驗，改進前、后的軸承內部均未進入03WC油，抗液體進入性能相當。

圖9 浸油試驗原理圖

注：考慮稱重誤差及試驗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

試驗條件為：轉速12 000 r/min，徑向載荷800 N，環境溫度100 ℃。張緊輪疲勞耐久試驗原理如圖10所示，1#～6#為測試軸承，7#～10#為輔助定位軸承，11#為驅動軸，F為浮動加載力。密封結構改進前、后軸承各測試6套。改進前軸承在未達到2 000 h前，有3套溫升超過150 ℃而停機，拆套分析發現主接觸唇磨損嚴重，油脂泄漏嚴重，內、外圈溝道和鋼球表面由于高溫產生回火氧化。改進后軸承的運行時間均超過2 000 h，外圈溫度均未超過150 ℃，在運行到2 300 h后停機。

圖10 張緊輪耐久試驗機原理圖

5 結束語

通過對2種密封結構的有限元分析和軸承的5項對比試驗，結果表明，密封結構改進后軸承與原密封結構軸承相比，具有更低的啟動和旋轉扭矩，密封壽命更優。密封結構改進后的6203PLLH軸承銷量已達800余萬套，市場證明其滿足高端汽車張緊輪的應用要求。