圓柱滾子軸承內圈脫出問題的解決

劉玉舒　藍余永　李良　文敏　鄭榮亮

摘 要：汽車變速器產品中，傳動系統大多采用滾動軸承對轉動的輪軸進行支撐，以保證旋轉輪軸的傳動穩定。一款使用圓柱滾子軸承支撐傳動輪軸的無級自動變速器在試驗過程中出現軸承內圈脫出問題，本文通過傳動軸布置結構分析及CAE輔助計算分析，研究圓柱滾子軸承脫出故障，找出問題原因和解決方法。

關鍵詞：無級自動變速器;軸承;脫出

1 引言

汽車變速器產品種類中，無級自動變速器（簡稱：CVT，以下都使用簡稱。）因其舒適性和自動性以及相對簡單的結構在行業中應用越來越大。在CVT結構中，主動輪軸接受輸入的動力扭矩，通過鋼帶將扭矩傳遞到從動輪軸。主動輪軸和從動輪軸通都常采用2套軸承進行徑向和軸向的支撐，若軸承與軸及軸承座之間有固定結構無相對軸向移動，則稱為“固定端軸承”，軸承與軸及軸承座之間無固定結構可進行相對軸向移動的則稱為“自由端軸承”。目前大多廠家的CVT產品的結構設計中都是一端固定另一端自由的主、從動輪軸軸承。在某個公司的某款CVT產品的臺架驗證中出現故障問題，拆解發現主動輪軸的自由端的圓柱滾子軸承內圈脫出。為解決軸承內圈脫出問題，對系統進行分析研究。

2 故障現象及影響分析

2.1 故障現象

故障件從整箱內拆出檢查，如圖1所示，發現主動輪軸的圓柱滾子軸承內圈脫離內側所貼平面位置3mm，此類型的故障現象在樣機試驗階段連續出現兩次。

2.2 影響分析

由于圓柱滾子軸承屬于分體式軸承，即內圈、外圈可分離，外圈由卡簧固定在相鄰殼體上，若內圈脫出一定距離，滾子與軸承內圈滾道面未進行全長度接觸，在載荷下軸承會出現異常振動，該振動會影響變速箱整箱運行，產生不良噪音，影響用戶體驗與使用。

3 故障原因探索

3.1 系統結構分析

如圖2所示，根據結構設計，主動輪軸的兩端軸承，固定端采用深溝球軸承，自由端采用圓柱滾子軸承。深溝球軸承受到鋼帶產生的徑向力以及主軸油壓產生軸向力。圓柱滾子軸承僅受到從輪軸傳遞過來的鋼帶拉力，無軸向力施加到此軸承上，即圓柱滾子軸承不會受到軸向力使其脫出。

3.2 原因分析

從機械原理可以得知，兩個過盈配合的零件使用過程出現了脫離，要么是零件制造超差，使緊固力減小不足，要么是設計的配合過盈偏小使產生的緊固力不足，零件工作中產生的推力大過了緊固力，從而使零件送動脫移。軸承的脫出原因基于這個思路進行探尋。

3.2.1 尺寸檢測

若零件尺寸不合格，則有導致軸承內圈脫出風險。對兩個樣機的軸承配合件進行測量，結果如表1所示，零件尺寸符合設計要求，可排除該因素影響。

3.2.2 結合力計算

軸承內圈與輪軸是過盈配合，內圈脫出的原因可能為設計的過盈量不足。檢查輪軸與軸承的尺寸設計，發現二者之間在極限狀態下的最小過盈量為0.002mm，此時軸承內圈與輪軸的結合力可通過以下公式（1）進行計算：

根據計算可知，軸承與輪軸的過盈量為0.002mm時，結合緊固力P為23.73N，此值過于小，容易使主動輪軸對軸承內圈的緊固固定不足而造成軸承脫出。但在前面的結構分析中，圓柱滾子軸承是不受軸向力的，貌似還不能說明結合力小就會產生脫出問題，問題需要更深一步的探究。

3.2.3 輪軸與軸承受力CAE分析

按照圖2結構建立模型，運用計算機軟件進行CAE分析。根據CAE計算分析結果，輪軸未受到鋼帶拉力作用時的狀態如圖3所示;輪軸在受到鋼帶拉力作用下的狀態如圖4 所示，輪軸受力時會產生一定的彎曲變形，進而對軸承產生軸向力。

同時，主動輪軸的CAE分析結果顯示，接觸鋼帶的錐面法蘭也產生變形，如圖5所示，最大鋼帶拉力產生的軸承位置變形為0.084mm。錐面法蘭的變形也對軸承產生軸向力。

3.3 原因確認

根據上述的分析可知，在鋼帶拉力作用下，輪軸與圓柱滾子軸承之間不會完全不存在軸向力的產生，再加上產品制造及裝配的誤差，軸向力會加大。當輪軸受力運轉及制造誤差造成的軸向力總和大過軸承的結合緊固力時，軸承就會在輪軸上的原始位置發生滑移。

輪軸變形產生的軸向力的數值計算比較復雜，此處就不作具體推導計算。從CAE分析的結果——主動輪軸的錐面法蘭軸承位處有0.084mm變形可知軸向力不會太小，軸承與軸的最小過盈量結合緊固力23.73N與其相比肯定微乎其微。

由此，可以確認，此CVT產品在臺架試驗出現的主動輪軸的圓柱滾子軸承內圈脫出的故障原因，是零件設計給定的軸承與輪軸的配合過盈量不足，同時結構設計上沒有軸承在輪軸上的限位防脫結構。

4 解決方案及驗證

4.1 解決方案

針對上述確認的兩個方面原因，制定出解決問題的兩條措施：

a）增大軸承內圈與輪軸的過盈量。調整輪軸對軸承配合處的直徑公差，將使輪軸與圓柱滾子軸承的最小配合過盈量值由0.002mm增加到0.011mm。

b）對軸承內圈增加一個限位防脫結構。在輪軸上軸承配合外側位置增加一個擋圈槽，裝上擋圈，對軸承內圈進行限位，防止內圈脫出，如圖6所示。

4.2 措施驗證及效果

采用上述兩條措制造出新的CVT樣件產品，重新進行完整的臺架試驗，在后續所有樣件的試驗過程中，再無軸承脫出故障問題，確認了對問題的原因分析正確，以及制定的改進措施有效，可以應用到生產產品。

5 結束語

在CVT以及其他類型變速器產品結構中，不可避免地要使用軸承來對輪軸系統進行支撐，當使用圓柱滾子軸承時，需考慮到輪軸的工作彎曲變形對軸承內圈的影響。在無法避免或改善輪軸變形的情況下，增加一個擋圈防止軸承內圈脫出是一個較為直接有效的解決方法，可為大家提供解決類似問題提供參考。

參考文獻：

[1]尤紹軍，軸承內圈與軸的配合過盈量分析[J].軸承，2011年10期：12-13.

作者簡介

劉玉舒：（1992—），女，廣西柳州人，本科，工程師，現任職于柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，主要從事自動變速器無級傳動系統開發的工作。