萬向節十字軸滾針軸承結構優化

王多亮

（哈爾濱軸承集團公司 制造技術部，黑龍江 哈爾濱150036）

萬向節十字軸滾針軸承結構優化

王多亮

（哈爾濱軸承集團公司 制造技術部，黑龍江 哈爾濱150036）

摘 要：針對某型車用萬向節十字軸軸承出現溫升異常的現象，對其產生的原因進行了分析，并對軸承進行了優化設計，使軸承溫升滿足了設計要求。

關鍵詞：萬向節；滾針軸承；優化設計；溫升

1 前言

萬向節軸承指的是利用球型或其他滾動裝置實現一些軸線相交或相對位置經常變化的轉軸之間的動力傳遞，是汽車上的一個很重要部件。萬向節與傳動軸組合，稱為萬向節傳動裝置。萬向節的結構和作用有點像人體的關節部位，它允許被連接的零件在一定角度范圍內擺動，來滿足動力傳遞、適應轉向和車輛運行時所產生的上下跳動所造成的角度變化。

2 失效軸承故障現象

失效萬向節十字軸軸承應用在時速200km的某型車輛上，結構見圖1。十字軸上、下、左、右軸承套端面均貼有溫度感應貼片，該組件在使用中經常發生一個十字軸四個軸套中某一個軸套溫度異常升高導致溫度感應貼片變色的現象，導致車輛不能正常行駛，甚至出現危及乘車人員生命財產安全的問題。

圖1 萬向節十字軸軸承結構

3 失效軸承故障分析

3.1 失效軸承結構

失效軸承為一個十字軸帶4個軸承，軸承為自密封滿裝滾針結構，見圖2。

十字軸四個軸端分別開軸向油孔，四個油孔與十字軸中央的注油孔相通（見圖3），通過該油孔分別給4套軸承同時注脂。

每個軸端配一個軸套。軸套一端開口，一端為盲端（見圖4）。軸套的內部滾動通過滾針與軸配合，傳遞載荷。

軸套與十字萬向軸軸肩部位的配合部位采用注塑密封件進行接觸式密封。密封由外部的密封圈與內部的密封環共同形成迷宮式密封，防止軸承工作時油脂溢出以及水、灰塵、異物進入，結構見圖5。

圖2 十字軸外形結構

圖3 十字軸注油孔

圖4 軸套

圖5 密封結構

3.2 失效軸承故障分析

個別軸承在車輛行駛中出現溫度貼片或紅外線檢測十字軸萬向節軸承某個軸端的溫度超過80℃，造成車輛減速行駛或停車。

后對超過規定溫度的十字軸進行分解檢查。分解后發現溫度超標的軸端軸套內潤滑脂較少或者沒有潤滑脂，甚至個別出現分流片磨損及軸徑磨損現象。

原因分析。該結構設計為通過十字軸中央的注脂孔分別給四個軸套進行注脂，由于四個軸套與密封件配合的過盈量存在微小差別，導致油脂溢出密封件處所需的壓力有所不同。進行油脂溢出檢查時，在油壓一定，軸套內部壓力不完全相同的工況下，注脂不能從四個軸套同時溢出，油脂只能通過壓力較小的的軸套溢出，導致部分軸套油脂量過少或者沒有，在車輛運行過程中造成潤滑不良，摩擦增大，軸承溫度過高，影響車輛的安全運行。

4 新結構設計

萬向軸為電機與齒輪箱連接、傳遞扭矩的重要部件。原電機端十字軸有防護罩，不與外界產生碰撞，但空間狹小維修注脂不方便。原齒輪箱端離地面較近、無防護，容易被飛起的石子擊中，但是維修注脂方便。

新結構是在每個軸套的盲孔端設計有單獨的注油孔，同時將十字軸的油孔堵塞，使每個軸套形成單獨的油路，油封設計為多唇口的結構，其內、外封口分別與十字軸軸頭的中臺肩和小臺肩過盈配合。改進后的十字軸具有結構合理、密封性好、磨損小、使用壽命長等特點，尤其適用于在較惡劣的環境中使用。

4.1 注油孔端設計

4.1.1 齒輪箱端

軸承盲孔端為單套注脂，設計注脂嘴保護結構，防止注脂嘴在動車運行過程中被飛起的石子擊損（見圖6）。

4.1.2 電機端

軸承盲孔端為單套注脂，設有凸臺（見圖7），油嘴軸向安裝便于注脂。

圖6 帶防護環的軸套

圖7 帶凸臺的軸套

4.2 內部設計

原軸承套圈內部無擋邊，滾針靠間隔環進行定位和引導（見圖8）。

圖8 套圈內部無擋邊結構

優化設計的軸承外套為雙擋邊引導結構（見圖9）。該結構有利于彈性油膜潤滑的形成，較少不良潤滑的發生，引導擋邊盡量減小滾子的歪斜，延長軸套的壽命。同時滾動體與油脂分流片不接觸，確保油脂儲存和分流效果。

盲孔內端面采用油脂分流片（見圖10），分流片上設計有油脂流通通道，用于油脂均勻分流。

圖9 雙引導邊結構

4.3 密封設計

密封采用三層迷宮密封結構，油脂在離心力作用下不會外溢（見圖11），并避免外界異物的進入。

密封件與軸套的配合采用嵌入式配合（見圖12）。在軸套的相應位置設計有360°凹槽，密封圈的6個凸臺嵌入到凹槽內，避免注脂時油脂的壓力將密封件擠出。

5 熱工藝研究

GCr15馬氏體淬火后脆性大，在伴隨沖擊載荷的情況下容易導致產品脆裂。貝氏體淬火與常規馬氏體淬火相比，耐磨性相當、抗彎強度提高15%，沖擊韌度比常規淬、回火馬氏體高2倍以上。下貝氏體等溫淬火可以減少熱應力和變形，使零件表面呈壓應力，從而提高了軸承壽命和可靠性。下貝氏體等溫淬火后零件硬度均勻性好，淬硬層深，有利于接觸疲勞壽命的提高，不易產生淬火裂紋。高碳鉻軸承鋼貝氏體淬火后組織為下貝氏體+未溶解碳化物以及殘留奧氏體所組成，因殘留奧氏體含量很低，具備較高的尺寸穩定性，力學性能良好。

經過多次的試驗證明，GCr15貝氏體等溫淬火方式更適應本工況要求。

圖12 密封件與軸套嵌入式配合

6 試驗

產品通過安裝、回轉、動平衡、注脂等驗證，結構設計符合要求。裝車運行溫升都未超過20℃，設計滿足用戶要求。

7 結束語

本設計方案由于軸套采用雙擋邊、增加注脂嘴數量等設計方案會增加產品的整體成本，但是十字軸軸端單獨注脂潤滑的方式將保證每個軸碗內部的油脂量充足，避免缺脂或無潤滑脂的情況發生，減少或避免因潤滑脂缺失造成的行車安全問題。

（編輯：鐘媛）

中圖分類號：TH133.33+2

文獻標識碼：B

文章編號：1672-4852（2016）02-0003-03

收稿日期：2016-04-19.

作者簡介：王多亮（1980-），男，工程師.

Structure optimization of universal joint cross shaft needle bearing

Wang Duoliang
（Manufacturing Technology Departnent，Harbin Bearing Group Corporation，Harbin 150036，China）

Abstract:For phenomenon of abnormal temperature rise of a certain type of automobile universal joint cross shaft bearing， the reasons were analyzed， and the design of bearing was optimized to the bearing temperature rise to meet the design requirement.

Key words:universal joint； needle bearing； optimizating design； temperature rise