降低CVT變速箱輸出軸圓錐滾子軸承摩擦力矩方法

楊東棟

摘要：用于CVT變速箱輸出軸外側的圓錐滾子軸承在變速箱臺架耐久試驗70%的循環時間出現了黏著磨損失效，經分析是因軸承摩擦力矩較大引起的。對影響圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要因素進行分析，對現有結構進行優化設計，從而降低滾子與內圈擋邊、滾子和滾道的摩擦。經過試驗檢測，改進后軸承摩擦力矩低于改進前摩擦力矩，同時也通過了客戶的變速箱耐久臺架試驗。此次變速箱輸出軸圓錐滾子軸承改進案例為圓錐滾子軸承低摩擦設計提供了依據。

Abstract： For the tapered roller bearing used for output shaft of CVT gearbox， adhesive wear failureoccurred at 70% cycle time of the transmission stand durability test. Analysis tells that the large friction torqueis the main reason for failure. Analyzing the main factors affecting friction torque of tapered roller bearing， and optimization design for the existing bearing's structure is made to reduce the friction between roller and inner/outer raceway and the friction between roller-end and inner ring's rib. After detection testing， the friction torque of the improved bearing is lower than before. In the meantime， the improved bearing passes the transmission's bench durability test. This case provides a basis for the low friction design of tapered roller bearing.

關鍵詞：CVT變速箱;圓錐滾子軸承;摩擦力矩;降低

0 ?引言

單列圓錐滾子軸承由內圈、外圈、滾動體和保持架組成，能夠承受軸向和徑向的聯合載荷，承載能力強，廣泛應用于汽車變速箱和主減速器等承受較大載荷的場合。在為國內一家變速箱廠家開發CVT無級變速箱輸出軸的圓錐滾子軸承時（軸承布置見圖1），輸出軸外側的圓錐滾子軸承在客戶處進行變速箱的耐久臺架試驗時出現了早期失效。客戶要求盡快分析失效原因，并提供新的軸承方案。

1 ?圓錐滾子軸承失效分析

1.1 軸承失效背景描述

給客戶提供的型號為3562的圓錐滾子軸承在CVT變速箱輸出軸內外兩側各安裝了1套，主軸外側的圓錐滾子軸承在變速箱臺架試驗循環的70%時間出現了早期失效。根據GB/T 24611-2009《滾動軸承損傷和失效術語、特征及原因》[1]的規定，判斷該軸承的失效形式為黏著磨損失效。黏著磨損是指材料從一表面轉移到另一表面，并伴隨有摩擦發熱，有時還有回火或重新淬火，這一過程會在接觸區產生應力集中并可能導致開裂或剝落。該失效軸承照片見圖2。

1.2 失效件檢測分析

1.2.1 化學成分檢測

利用火花直讀原子發射光譜儀，依據GB/T 18254-2016《高碳鉻軸承鋼》對內圈和滾子的原材料化學成分進行檢測分析，結果見表1。

1.2.2 熱處理及金相組織檢測

利用洛氏硬度計和蔡司顯微鏡依據JB/T 1255-2014《高碳鉻軸承零件熱處理條件》[2]和GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》[3]對內圈和滾子的硬度、金相組織、網狀碳化物和夾雜物等項目進行檢測，檢測結果見表2。

1.2.3 剝落處電鏡掃描檢測

利用電子掃描顯微鏡對內圈滾道失效處進行電鏡掃描，掃描結果見圖3。

1.2.4 熱酸洗檢測

對剝落的的滾子和內圈依據JB/T 1255-2014《高碳鉻軸承零件熱處理條件》標準進行酸洗處理，內圈和滾子的工作表面無材料和制造缺陷。

1.3 檢測結果評判

內圈和滾子原材料化學成分檢測結果符合GB/T18254-2016要求;未失效處內圈和滾子熱處理質量和夾雜物符合JB/T1255-2014《高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件》和GB/T18254-2016《高碳鉻軸承鋼》標準要求;失效處的內圈滾道和心部硬度低于標準要求，滾道表面組織為不正常的二次高溫回火組織;內圈電鏡掃描未發現異常剝落形貌;內圈工作表面和滾子滾道處無材料和磨制造缺陷。

1.4 失效原因分析

綜上檢測分析結果，此次臺架試驗軸承失效可排除軸承原材料、熱處理等質量原因。同時從失效狀態看，軸承沒有發生疲勞剝落源，即非疲勞剝落產生的失效。內圈失效處的滾道表面和心部硬度降低，滾道表面出現高溫回火組織，應為軸承內圈在運轉中有高溫發生，使軸承產生了二次高溫回火現象，引起了內圈硬度和組織變化。經和客戶溝通得知，CVT變速箱臺架試驗時主軸圓錐滾子軸承預緊力很大，輸出軸變速箱啟動瞬間時轉速很高。綜合以上因素，失效原因可能是高的預緊和轉速使軸承因摩擦產生高溫，高溫引起軸承的二次回火，而二次回火引起的滾道硬度降低、應力集中從而導致滾道接觸面開裂和剝落。同時滾子不同程度發生滑動傾斜運轉，保持架因滑動傾斜干涉后逐步被碾壓后失效、碎裂。

2 ?方案改進

軸承摩擦力矩的大小決定了軸承的功率消耗和發熱量大小，直接影響軸承的溫升失效和傳動系統的功率損失[4]。按上述的失效分析結果，此次方案未通過客戶臺架的主要原因就是圓錐滾子軸承摩擦力矩太大導致的。圓錐滾子軸承摩擦力矩受軸承的結構、設計、制造、裝配、潤滑和實際工況等眾多因素影響，通常由下列四個因素引起的：①滾動面的滾動摩擦阻力;②內圈、滾子、保持架旋轉產生的潤滑油攪拌阻力;③滾子和保持架的滑動摩擦阻力;④滾子端面和內圈擋邊的滑動摩擦[5]。圓錐滾子軸承內部結構參數見圖4所示。

圖4中，dm為滾子中心圓直徑（mm）;Dw是滾子平均直徑（mm）;r0為外圈滾道平均半徑（mm），ri是內圈滾道平均半徑（mm），l是滾子有效長度（mm）;α為滾子和外圈滾道接觸角（°）;γ為滾子的半錐角（°）;β是內圈滾道角度（°）;θ是滾子中心線和中心線夾角（°）。

日本學者H. Matsuyama 等認為圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要由滾子和滾道滾動摩擦力矩以及滾子和內圈擋邊的摩擦力滑動力矩組成，他運用擬動力學和彈性流體動壓潤滑理論，并結合試驗結果，得到圓錐滾子軸承的摩擦力矩表達式[6]。

式中η是潤滑油動力粘度（Pa·S）;β0是潤滑油粘溫系數（℃-1）;α0是潤滑油粘度-壓力系數，u是表面平均速度（m/s）;n是軸承轉速（r/min），k是潤滑油導熱系數（W/m/℃）;hm是滾道中心油膜厚度（mm）;μ是滾子球基面和擋邊的摩擦系數;δ1是擋邊粗糙度（μm）;δ2是滾子球基面粗糙度（μm）;C1、C2、C3、C4是常數，可由試驗結果推導出來;Rci、Rco是內外圈滾道凸度值;z是滾子個數;E'是當量彈性模量（Pa）。

由上可知，圓錐滾子軸承的中心圓直徑、滾子直徑、滾子數量、滾子長度、滾子半錐角、滾道凸度、滾道和擋邊粗糙度等內部結構參數都會影響軸承摩擦力矩的大小。文獻[7]給出了幾種圓錐滾子軸承減摩設計的方法：①減少滾子中心圓直徑;②增大滾子直徑;③減小滾子長度;④增大軸承接觸角;⑤對滾子和滾道接觸面進行優化設計;⑥改善內圈大擋邊和滾子球基面的接觸狀況;⑦減少滾子數量。根據以上的減磨設計方法，在保證軸承額定動載荷部不降低的前提下，對軸承進行優化設計，改變前后的設計方案見表3（改型前型號為3562，改型后為SC35）。

3 ?試驗驗證

根據GB/T 32562-2016《摩擦力矩測量方法》[8]對改型前后的圓錐滾子軸承轉動摩擦力矩進行測量，測量原理是平衡測量法。測量設備示意圖如圖5所示。

試驗軸承采用油浴的潤滑方式，潤滑油牌號L-AN32，使用純軸向加載，試驗條件見表4。

試驗檢測結果見圖6。其中#1、#2、#3是型號3562三個樣件，#4是SC35的樣件。

由上圖可知，軸向加載超過1000N后，改型后軸承的摩擦力矩低于改型前的摩擦力矩，在軸向載荷為6000N時，3562的平均摩擦力矩為1.2N·m，SC35的平均摩擦力矩為1.0N·m。可以看出，改型后的軸承平均摩擦力矩比改性前的降低了20%，減磨作用比較明顯。同時，根據客戶輸入工況數據利用ROMX對3562和SC35圓錐滾子軸承進行壽命和接觸應力分析計算，SC35的壽命損傷率和最差靜態安全系數都優于3562，具體結果見表5。同時改型后的SC35圓錐滾子軸承通過了客戶的變速箱耐久臺架試驗，證明了改進方案的正確性。

4 ?總結

綜上，通過對臺架試驗失效軸承的分析，找出軸承的摩擦力矩大是失效的主要原因。然后對影響圓錐滾子軸承的摩擦力矩主要因素進行分析，對產品的結構進行優化設計。優化后的產品經過摩擦力矩檢測試驗和變速箱耐久臺架試驗，證明了在不降低軸承的額定動載荷前提下，增大滾子直徑、減少滾子數量、改善內圈滾道形狀、降低內圈擋邊和滾子球基面粗糙度等措施可降低圓錐滾子軸承的摩擦力矩。

參考文獻：

[1]GB/T 24611-2009，滾動軸承損傷和失效術語、特征及原因[S].北京：中國標準化出版社，2009.

[2]JB/T 1255-2014，高碳鉻軸承零件熱處理條件[S].北京：中國標準化出版社，2014.

[3]GB/T18254-2016，高碳鉻軸承鋼[S].北京：中國標準化出版社，2016.

[4]朱愛華，朱成九，張衛華.滾動軸承力矩的計算分析[J].軸承，2008（7）：1-3.

[5]張茂良，彭曉紅.降低圓錐滾子軸承摩擦力矩的方法[J].軸承，2006（9）：4-5.

[6]H.Matsuyama， S.Kamamoto. Analysis of Frictional Torque in Raceway Contacts of Tapered Roller Bearing[J]. KOYO Engineering Journal English Edition， 2001（1009E）： 53-60.

[7]楊曉蔚.滾動軸承的減摩設計[J].軸承，2013（11）：55-58.

[8]GB/T 32562-2016，摩擦力矩測量方法[S].北京：中國標準化出版社，2016.