軸承調隙用彈性隔套設計淺析

甘肅機電職業技術學院 陳亞軍

1 彈性隔套應用現狀

圖1 康邁輪轂軸承模型

在成對使用的單列圓錐滾子軸承中間加裝隔套，可有效保證軸承游隙的合理性。在提高軸承疲勞壽命的同時，可實現軸承游隙的免調整。美國康邁公司研制開發的Preset- plus 輪轂軸承，在進行游隙控制時，考慮實際工作溫度、預緊等因素對工作游隙的影響在尺寸鏈控制的基礎上又增加了一個可以預調整的彈性套圈（如圖1 所示），較好實現了重卡輪轂軸承游隙的免調整。在國內，輪轂軸承的預調整方面也做了一些很有價值的探索，主要的軸承開發商已經開始免調整軸承的研究與開發，但還處于初期階段，與國外有一定差距[1]。

2 彈性隔套生產應用特點分析

應用中發現，彈性隔套可以解決軸承裝配高調整的麻煩，裝配時，只需保證預緊力矩在合適范圍，便可得到合理的軸承游隙；此外，彈性隔套還可以防止預緊力過大。防止軸承磨損發熱，提高軸承壽命；另外，裝有彈性隔套后，企業裝配軸承時，操作相對簡單，勞動強度低，生產效率高；所以，彈性隔套廣泛應用于圓錐滾子軸承的調隙中[2]。

企業實際生產設計時發現，由于軸承游隙尺寸范圍窄，受軸承工作環境的影響，隔套材料、形狀、尺寸及所受載荷、溫度及加工工藝的選擇設計不當，都無法使其實現調整游隙的目的。

所以，盡管彈性隔套使用方便且能提高軸承疲勞壽命，但設計生產難度較大，只有合格的隔套才能實現軸承游隙的調整。

3 彈性隔套生產設計影響要素分析

3.1 彈性隔套結構設計

彈性隔套安裝于成對使用的單列圓錐滾子軸承中間（見圖2），既可對其兩側的軸承內圈提供穩定支撐，又可推動兩內圈向兩側移動，進而實現軸承裝配高即游隙的調整。

圖2 帶有彈性隔套的輪轂軸承結構圖

按照需調隙圓錐滾子軸承及其安裝軸自身的結構尺寸，通常設計彈性隔套兩端尺寸內徑與安裝軸直徑一致且與軸承間隙配合。由于軸徑的不同，常設計為（圖3）所示形狀，長度及壁厚依其屈服應力設計（長度大于輪轂臺間距L2，壁厚在2m左右）。

圖3 彈性隔套結構模型

3.2 彈性隔套材料選擇

彈性隔套通過螺母鎖緊來支撐兩軸承，擰緊鎖緊螺母產生的軸向力按下式計算[3]：

式中：T 為螺母擰緊力矩；k 為扭矩系數；F 為軸向力；d 為螺栓公稱直徑。據研究[4]，螺母鎖緊時產生的軸向力基本上用來使隔套屈服。隔套屈服即發生塑性變形時所需載荷及變形量的關系可利用實驗法或有限元分析法，繪制出隔套所受軸向壓力及其塑性變形量的曲線圖（如圖4 所示）。

圖4 彈性隔套的壓縮力與變形量關系曲線

彈性隔套在軸向壓力作用下進入塑性變形階段δ2后，在一定范圍內隨著變形量的增加，曲線趨于平緩，反作用力變化較小，此區間即為其使用范圍。

此時，彈性隔套所需屈服壓力F 為[4]：

式中：δ2為材料的屈服極限；A 為可壓縮隔套的截面積A=π（r22- r12）。

其中，r2、r1分別為可壓縮隔套外徑與內徑。所以，隔套設計時，其所受軸向壓力F 必須介于使其發生穩定塑形變形的Pmax 和Pmin 之間，故可依據此來完成隔套材料的選取，依據A 來完成隔套厚度的設計。

3.3 彈性隔套長度的設計

（1）隔套長度L1 太大。隔套長度太大時，螺母按規定的預緊力擰緊后，不能將隔套壓縮變形到位，使得兩軸承外圈大端面無法與輪轂臺間相接觸，致使軸承裝配

后存在竄動現象，易因軸承定位不穩定而導致車輛運行偏擺[5]。（2）隔套長度L1 偏小。當隔套長度偏小時，螺母按規定的預緊力擰緊后，隔套既不能起到支撐軸承內圈又不能使內圈向兩側移動的作用，軸承只會在預緊力的作用下使裝配高和游隙嚴重減小，致使軸承“過緊”，導致啟動力矩過大。車輛運行時，軸承易因磨損嚴重而出現點蝕、過早疲勞、過燒現象。（3）合格的隔套長度L1。當隔套被壓縮δ2后，其長度等于輪轂臺間距與兩軸承內圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離時，隔套長度L 合格，即：L=L1+δ2（L1=L2+ 兩軸承內圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離）。

其中：（1） 隔套長度壓縮量δ2可通過試驗法或利用有限元分析法進行測定。本文采用有限元分析法完成，首先完成隔套三維模型的繪制，再對隔套進行材料屬性設置、網格劃分、約束及小端軸向載荷F 的施加，接著在后處理中完成計算和軸向位移的顯示及軸向位移與應力關系圖的繪制，可得出隔套在F 作用下的位移量δ2，如圖5 所示。（2）輪轂臺間距L2 的測量可通過逆向掃描或三坐標測量法來精確測定。（3）軸承內圈小端到外軸承外圈大端的軸向距離，可在軸承寬度、合格的裝配高、滾子長度、內外圈軸向尺寸間組成的封閉尺寸鏈中求解。

圖5 彈性隔套的軸向位移圖

4 結論

在成對使用的單列圓錐滾子軸承中加裝彈性隔套可有效調整隔套游隙，從而提高軸承壽命及車輛運行穩定性。但隔套設計生產難度大、影響因素多，稍有不當，會使隔套發揮不了應有的作用。本文從隔套結構、材料、尺寸方面進行了淺顯的分析，為隔套設計提供了理論指引。