某型發動機三聯軸承結構改進報告

摘要：本文簡要介紹了某型發動機三聯軸承磨損故障原因及結構改進方案，并對改進后的結構進行了強度計算及滑油系統評估分析，更改后的結構及潤滑系統能夠滿足發動機使用要求。

關鍵詞：三聯軸承;磨損;滑油系統

中圖分類號：V263???文獻標識碼：A??文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

1 概述

三聯軸承為某渦軸發動機測扭機構的重要組成部分，本文分析了三聯軸承磨損的故障原因及其改進方案（三聯軸承改為單個球軸承），并對改進后的結構進行了強度計算及滑油潤滑評估分析。

2 結構簡介

三聯軸承（見圖1）由三個角接觸球軸承串聯而成，安裝在減速器中間齒輪腔后部，用于支撐測扭柱塞。該軸承內、外環都有螺母壓緊。測扭柱塞內部安裝有潤滑導管，具體見圖2。

3 三聯軸承磨損原因分析

發動機起動和工作時，中間齒輪受到向前的軸向力，載荷通過三聯軸承傳遞給柱塞，并由柱塞前的滑油壓力平衡。發動機停車時，中間齒輪受到向后的軸向力。

三聯軸承這種結構設計是為了讓三聯軸承分擔中間齒輪向前的軸向力。三聯軸承為三個軸承的組合，因此要求三個軸承間組配間隙合理。三聯軸承如組配合格，三個內、外環彼此相互貼緊，在中間齒輪向前的軸向力作用下，軸向游隙可以同時消除，此時可均勻分擔中間齒輪向前的軸向力。

所謂組配間隙是指三聯軸承中的每一個軸承都消除軸向游隙后，外環端面相對內環端面的高度兩兩之差（見圖1）。

如果三聯軸承組配不合格，三個軸承將不能均勻分擔中間齒輪向前的軸向力，并最終導致1#軸承磨損失效。在組配間隙合格的情況，軸承接觸角的不一致也是導致軸承磨損剝落失效的潛在原因。由此可知，三聯軸承結構對軸承的加工精度、裝配精度要求極高，極小的偏差就可能引起三個軸承載荷分配不均而導致磨損。

4 結構改進方案

圖2、3為三聯軸承改進前、后結構示意圖，改進內容如下：

（1）用1個球軸承代替原有的三聯軸承;

（2）將螺母4改為了自鎖形式;

（3）為滿足改進后球軸承的裝配與潤滑需要，對中間齒輪、柱塞、潤滑導管進行了適應性改進。

5滑油分析

軸承在工作時，滾珠與其滾道之間發生急劇的摩擦，產生摩擦熱，如果產生的摩擦熱不能有效地散發，軸承就會因過熱產生早期報廢，對系統的可靠性和使用壽命產生影響。因此，滑油系統對軸承進行潤滑，既減緩滾珠與滾道之間的摩擦，也將大部分廢熱帶走。對于計算軸承的滑油量是否滿足要求，主要取決于滑油供給量和軸承發熱量。

5.1供給量分析

（1）公式：按照下式（1）計算，可得到滑油的供給量：

（1）

式中：

m-孔徑比系數，m= D2 ?/ d2 ?;

D-噴嘴內徑;

d-潤滑導管內徑;

A0-噴嘴孔口面積，A0?=ЛD2 ?/4;

Cd-流量系數

ΔP-噴嘴油腔與機匣腔之間的壓力差

ρ-滑油密度

（2）供給量分析：除了潤滑導管與供給量相關外，其余零部件的更改與滑油量的供給無關。由于潤滑導管只是調整了噴嘴的位置，其余尺寸未變，且工作環境一致，滑油牌號未變，根據公式可知供給量未變。具體相關參數和結論見表1。

（3）小結：根據以上分析，結構改進前后滑油供給量并未改變。

5.2載荷計算

5.2.1 受力分析

中間齒輪主要承受來自主動齒輪的軸向力Fa1，徑向力Fr1，切向力Ft1;來自輸出齒輪的軸向力Fa2，徑向力Fr2，切向力Ft2;來自柱塞的軸向力Fa0（見圖4）。

圖4中間齒輪受力分析

根據齒輪所受切向力計算公式FT=2000*T/d及《齒輪手冊》中輪齒受力分析圖可知齒輪所受軸向力：

中間齒輪第一級斜齒軸向力：?????（2）

第二級斜齒軸向力：?????（3）

斜齒圓柱齒輪軸向力：Fa=Fa2-Fa1 ??????（4）

式中：T1、T2 ???— 中間齒輪大、小齒輪傳遞的扭矩

d1、d2 ???— 中間齒輪大、小齒輪分度圓直徑

β1、β2 ?— 中間齒輪大、小齒輪螺旋角

5.2.2 載荷分析

根據方案，改進前的三聯軸承與改進后的滾珠軸承所受的軸向力一致，相關參數和結論見表2。

5.2.3 小結

根據以上分析，結構改進前后，軸承的所受載荷一致。

5.3需求量分析

此處滑油的供給主要用于潤滑軸承，因此需對軸承的需求量進行分析。軸承的需求量主要取決于摩擦力矩，形成正比例關系。在軸承的摩擦力矩中，一是由載荷產生的摩擦力矩，二是由潤滑油粘性產生的力矩，其中第二個力很小，可忽略不計。

5.3.1 公式

按照下式（5）計算得到滾動軸承摩擦力矩M，從而確定滑油需求量。

M=μ F d/2 ???????????????????????????（5）

式中：

μ?—摩擦系數

d —軸承內徑

F —軸承所受載荷

5.3.2 需求量分析

根據軸承的工作狀況，兩處軸承所受載荷相同，工作環境一致，滑油牌號未變，根據公式可知軸承產生的力矩相同，而滑油的作用是通過滑油系統帶走熱量，滑油的需求量與力矩成正比例關系，滑油需求量未變，具體相關參數如表3。

5.3.3 小結

根據以上分析，結構改進后，潤滑軸承的滑油需求量不變。

5.4結論

根據以上分析可知，單個滾珠軸承結構的滑油供給量和需求量保持不變，且潤滑更加方便，改進后的結構能滿足設計要求。

6 強度分析

由于改進前、后中間齒輪的齒面和幅板參數未變，且材料均為16Ni3CrMoE，因此只需要校核齒輪的內腔。用ANSYS對改進前、后的中間齒輪進行有限元計算，更改前中間齒輪與更改后中間齒輪的最大當量應力處基本一致，均為大端齒與腹板的轉接處，分別為77.3 MPa和76.4 MPa，差異僅為1.16%。

對改進前、后中間齒輪的前端、小端齒、后端的對應應力點進行分析，可知兩中間齒輪的應力差異很小，且應力值均不高，均在30MPa以下，滿足使用要求。

7 結語

通過以上滑油系統評估分析及強度分析可知，用一個球軸承代替三聯軸承承受載荷是可行的，能夠滿足發動機使用要求。

參考文獻

[1]《齒輪手冊（上下冊）》[M].齒輪手冊委員會，機械工業出版社，2004年2月1日.

收稿日期：2019-07-06

作者簡介：張麗秀（1990—），女，漢族，福建漳州人，本科，技術員，工程師，研究方向：減速傳動。