整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關節(jié)軸承裝配技術

公平，劉璐，張傳偉

(1.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150001)

1 概述

自潤滑鋁合金關節(jié)軸承(圖1)是在接觸表面粘結(jié)自潤滑襯墊以減小摩擦的球面滑動軸承，具有擺動速度低，尺寸大，質(zhì)量輕，承載大，抗沖擊，壽命長等特點，廣泛應用于國防軍事領域[1]，尤其是各類飛機的承載系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，是航空裝備的關鍵零部件。

圖1 自潤滑鋁合金關節(jié)軸承結(jié)構示意圖

關節(jié)軸承主要裝配方法包括外圈開縫裝配、外圈帶裝球缺口裝配及收壓裝配，整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關節(jié)軸承無法采用上述方法將內(nèi)圈裝入外圈，需開展該類軸承的裝配技術研究。

2 自潤滑鋁合金關節(jié)軸承裝配原理

零件在拉伸(壓縮)時被拉長(壓寬)，然后在某一截面處變細，直至該處斷裂，該過程可分為彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及局部塑性變形4個階段。零件產(chǎn)生彈性變形時可恢復原狀，產(chǎn)生塑性變形時不可恢復原狀。為實現(xiàn)整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關節(jié)軸承裝配，需施加預載荷使軸承內(nèi)、外圈在彈性變形范圍內(nèi)發(fā)生變形[2]，完成內(nèi)、外圈裝配，如圖2所示[3]；但需確定滿足材料屈服極限條件下可施加的預載荷范圍和彈性變形區(qū)間。

圖2 自潤滑鋁合金關節(jié)軸承裝配原理示意圖

3 有限元分析

以某自潤滑鋁合金關節(jié)軸承為例，其主要結(jié)構參數(shù)見表1。套圈材料為7075鋁合金，材料參數(shù)為：彈性模量71 020 MPa，泊松比0.33，密度2 700 kg/m3，屈服強度455 MPa，拉伸強度468.86 MPa。基于ANSYS軟件建立套圈及模具仿真分析模型，采用六面體單元對模型進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

表1 自潤滑鋁合金關節(jié)軸承主要結(jié)構參數(shù)

(a)外圈+模具 (b)內(nèi)圈+模具

預載荷作用下內(nèi)、外圈的變形及應力云圖如圖4所示：1)內(nèi)圈最大變形量及等效應力均在z方向(垂直于預載荷方向)，x方向內(nèi)圈向外擴張，z方向內(nèi)圈向內(nèi)收縮；2)外圈最大變形量及等效應力均位于z方向(垂直于預緊力方向)，x方向外圈向內(nèi)收縮，z方向外圈向外擴張。

(a)內(nèi)圈

內(nèi)、外圈最大等效應力和變形隨預載荷的變化曲線如圖5所示：

圖5 內(nèi)、外圈最大等效應力和變形隨預載荷的變化曲線

1)隨預載荷增大，內(nèi)圈最大等效應力和變形逐漸增大，預載荷增大至5.8 kN時，最大等效應力趨近于材料屈服極限強度455 MPa，此時內(nèi)圈處于彈性極限，最大彈性變形量為1.29 mm，繼續(xù)增大預載荷，內(nèi)圈將產(chǎn)生塑性變形；

2)隨預載荷增大，外圈最大等效應力和變形逐漸增大，預載荷增大至2.9 kN時，最大等效應力趨近于材料屈服極限強度455 MPa，此時外圈處于彈性極限，最大彈性變形量為1.35 mm，繼續(xù)增大預載荷，外圈將產(chǎn)生塑性變形。

根據(jù)幾何關系(圖6)可得外圈溝底深度為2.4 mm，小于內(nèi)、外圈最大彈性變形量之和2.64 mm，軸承可以實現(xiàn)彈性裝配。

圖6 內(nèi)、外圈尺寸示意圖

4 實際裝配

內(nèi)、外圈預載荷施加裝置如圖7所示，通過螺紋桿上螺紋和螺母進給對內(nèi)、外圈施加預載荷，使其產(chǎn)生彈性變形。考慮外載荷會使套圈表面產(chǎn)生劃傷和壓痕，與套圈表面接觸的壓頭設計為圓弧形。內(nèi)、外圈分別施加5.6，2.8 kN的預載荷，內(nèi)圈收縮位置變形后最大直徑小于外圈擴張位置變形后最小直徑，可以實現(xiàn)整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關節(jié)軸承裝配。裝配后的軸承如圖8所示，外觀良好，旋轉(zhuǎn)靈活。裝配前、后軸承主要結(jié)構參數(shù)實測值見表2，變化較小，滿足要求。

(a)內(nèi)圈

圖8 裝配后自潤滑鋁合金關節(jié)軸承

表2 裝配前、后自潤滑鋁合金關節(jié)軸承主要結(jié)構參數(shù)實測值

5 結(jié)束語

基于ANSYS建立整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關節(jié)軸承內(nèi)、外圈與裝配模具的仿真分析模型，得到了內(nèi)、外圈等效應力和變形，確定了內(nèi)、外圈彈性變形量，制作了簡易預載荷施加裝置，實現(xiàn)了整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關節(jié)軸承的裝配。該裝配方法可為該類軸承的設計和應用提供參考。