滾針軸承的微動(dòng)磨損分析

徐海山

(唐山愛信齒輪有限責(zé)任公司，河北唐山 063033 )

0 引言

在變速器中，滾針軸承的作用是支撐軸上的游動(dòng)齒輪。其中，軸的外徑相當(dāng)于滾針軸承的內(nèi)滾道，齒輪的內(nèi)孔相當(dāng)于滾針軸承的外滾道，內(nèi)、外滾道與滾針和保持架一起組成了一個(gè)完整的滾針軸承(如圖1所示)。

圖1 滾針軸承

近年來，隨著變速器輸入轉(zhuǎn)速和傳遞扭矩的提高，滾針軸承的工作環(huán)境變得更加苛刻。在開發(fā)試驗(yàn)中和售后市場上，滾針軸承的微動(dòng)磨損失效案例也都呈現(xiàn)出上升趨勢。設(shè)計(jì)上，通常滾針的硬度比互相配合的軸外圓和齒輪內(nèi)孔硬度略高，所以微動(dòng)磨損通常會(huì)發(fā)生在與滾針接觸的齒輪內(nèi)孔或軸的外圓部位(如圖2所示)。基于此，深入研究微動(dòng)磨損產(chǎn)生的機(jī)制及其影響因素就提上了日程。掌握微動(dòng)磨損的機(jī)制和成因，才能從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行規(guī)避，也才能夠快速解決市場上出現(xiàn)的微動(dòng)磨損問題。

圖2 磨損等距溝痕

1 微動(dòng)磨損產(chǎn)生的機(jī)制

變速器中的游動(dòng)齒輪通常為斜齒輪，在傳扭運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，受力分析如圖3所示。其中，法向力Fn為齒輪的綜合受力；切向力Ft使齒輪傳遞扭矩；徑向力Fr使齒輪內(nèi)孔對滾針施加壓力；由于齒輪軸向和徑向間隙的存在，軸向力Fn使齒輪沿軸向傾斜，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中形成擺動(dòng)(如圖4所示)。齒輪在擺動(dòng)過程中，齒輪內(nèi)孔相對于滾針產(chǎn)生了徑向壓力作用下的小位移軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)稱之為“微動(dòng)”，因此產(chǎn)生的磨損，稱之為“微動(dòng)磨損”。

圖3 齒輪受力分析

圖4 齒輪的擺動(dòng)

微動(dòng)磨損是一種分子磨損過程，即兩接觸面在垂直負(fù)荷下進(jìn)行微小位移的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使接觸表面足以接近到范德瓦爾力起作用的程度，從而導(dǎo)致材料脫離母體，然后被氧化。可以看到，微動(dòng)磨損導(dǎo)致材料損失是化學(xué)(氧化)與機(jī)械(受載運(yùn)動(dòng))共同作用的結(jié)果，機(jī)械作用將氧化層和吸附層刮掉，露出清潔而活潑的新鮮金屬表面。新鮮表面迅速吸附周圍氣體并發(fā)生氧化反應(yīng)，這是化學(xué)作用。機(jī)械和化學(xué)作用交替造成材料損失[1]。

2 微動(dòng)磨損的影響因素及預(yù)防

從滾針軸承微動(dòng)磨損的機(jī)制分析可以看出，最主要的影響因素有3個(gè)。它們分別是：徑向垂直載荷、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移、循環(huán)次數(shù)。從摩擦學(xué)機(jī)制分析，磨損程度還受到材料硬度、表面粗糙度、潤滑等因素的影響。下面就逐一進(jìn)行分析。

2.1 徑向垂直載荷

滾針軸承的徑向垂直載荷主要來源于齒輪的徑向力，徑向力越大，作用在接觸部位的壓力越大(小于4 000 MPa)，越容易加劇相對運(yùn)動(dòng)時(shí)的磨損。齒輪的徑向力的大小是由所傳遞的扭矩決定的，通常不能改動(dòng)，而接觸部位的壓力可以通過滾針軸承的優(yōu)化來降低。可選擇的優(yōu)化方案為：通過增加滾針長度、滾針個(gè)數(shù)、滾針直徑等方法，降低局部壓力，提升耐磨性，預(yù)防微動(dòng)磨損。

2.2 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移

往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移是由滾針軸承的軸向間隙(0.15～0.45 mm)和徑向間隙(0.015～0.058 mm)引起的。間隙越大，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移越大，速度越快，摩擦功越高，越容易引起局部的磨損。可選擇的優(yōu)化方案有兩個(gè)：一個(gè)是通過提高齒輪和軸的軸向定位精度來降低軸向間隙(0.1～0.35 mm)；另一個(gè)是通過減小軸和孔的直徑公差或把軸和孔的直徑公差分組匹配來降低徑向間隙(0.009～0.048 mm)。通過間隙的優(yōu)化，可顯著降低往復(fù)運(yùn)動(dòng)的位移，降低摩擦功，起到預(yù)防微動(dòng)磨損的作用。

2.3 循環(huán)次數(shù)

滾針軸承工作過程中，循環(huán)次數(shù)越高，微動(dòng)磨損的程度越明顯。循環(huán)次數(shù)是由車輛的行駛里程(3×105km)和速比(隨車輛和擋位變化)決定的。行駛里程越長，循環(huán)次數(shù)越多；如果游動(dòng)齒輪是主動(dòng)輪，里程一定，速比越小，循環(huán)次數(shù)越少。這兩個(gè)參數(shù)都是由主機(jī)廠決定，行駛里程代表了車輛的壽命，通常不可改變。速比與整車的動(dòng)力性和油耗相關(guān)，在征得主機(jī)廠同意的前提下，有時(shí)可做微小調(diào)整，以適當(dāng)降低微動(dòng)磨損的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 材料表面硬度

在其他條件相同的條件下，材料表面硬度越高，防止微動(dòng)磨損的能力就越高。滾針多為軸承鋼，硬度略高于齒輪和軸，所以微動(dòng)磨損通常發(fā)生在齒輪內(nèi)孔或軸的外徑上。齒輪和軸的材料硬度取決于材料型號(20CrMnTiH、20CrMo、18MnCr5等)和熱處理?xiàng)l件(通常為滲碳淬火)。可選擇的優(yōu)化方案是：適當(dāng)降低回火溫度以得到更高的表面硬度(HV700以上)，提升耐磨性。

2.5 表面粗糙度

提升表面粗糙度水平，可通過降低摩擦因數(shù)，減少摩擦功，從而達(dá)到抑制微動(dòng)磨損的作用。磨削加工的內(nèi)外滾道粗糙度可達(dá)到Ra0.4 μm，可基本滿足使用要求。在其他影響因素不夠理想時(shí)，有時(shí)也會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損。可選擇的優(yōu)化方案是：在工藝流程上增加精磨工序。適當(dāng)提高齒輪內(nèi)孔和軸外徑的粗糙度水平(Ra0.2 μm)，可以有效降低微動(dòng)磨損的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

2.6 潤滑

滾針軸承的潤滑通常是通過油孔把軸心的油導(dǎo)入滾道實(shí)現(xiàn)的。良好的潤滑可以確保在滾針和滾道之間形成油膜，降低摩擦因數(shù)，減少摩擦功，預(yù)防磨損產(chǎn)生。可選擇的優(yōu)化方案是：首先，通過改善導(dǎo)油槽的深度和角度，把充足的潤滑油引導(dǎo)到軸心。其次，通過擴(kuò)大軸上油孔的直徑或增加油孔個(gè)數(shù)，把充分的油量從軸心引導(dǎo)到軸承滾道處。最后，通過添加劑的調(diào)整，提高潤滑油的極壓性能，提高油膜的抗壓穩(wěn)定性。從產(chǎn)品開發(fā)過程中微動(dòng)磨損的發(fā)生、對策和試驗(yàn)結(jié)果分析，充分地潤滑是避免微動(dòng)磨損產(chǎn)生的最有效辦法之一。

3 其他加劇微動(dòng)磨損的因素分析

3.1 滾針與內(nèi)、外滾道無相對轉(zhuǎn)動(dòng)

滾針軸承的微動(dòng)磨損痕跡通常是等距壓痕(如圖2所示)，這是因?yàn)樽兯倨髟趻焐蠐踹\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾針與齒輪內(nèi)孔和軸一起公轉(zhuǎn)，滾針沒有自轉(zhuǎn)，而且滾針與齒輪內(nèi)孔和軸的外徑?jīng)]有相對轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，滾針與齒輪內(nèi)孔或軸的外徑圓周方向相對位置保持不變，只有軸向往復(fù)移動(dòng)，因此出現(xiàn)等距壓痕。通過滾針軸承保持架開口或保持架剖分為兩半的方法，實(shí)現(xiàn)徑向的非對稱受力和重力、離心力的不平衡，從而強(qiáng)迫滾針與齒輪內(nèi)孔或軸的外徑產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，避免在同一位置長時(shí)間軸向摩擦形成微動(dòng)磨損。這個(gè)辦法也是工程中常用來解決滾針軸承微動(dòng)磨損的措施之一。

3.2 與軸自身振動(dòng)產(chǎn)生共振

由于加工誤差和裝配誤差原因，軸本身會(huì)在工作過程中產(chǎn)生偏心振動(dòng)。這個(gè)振動(dòng)的頻率如果與微動(dòng)過程的振動(dòng)頻率相同或接近，二者極易產(chǎn)生共振。一旦產(chǎn)生共振，會(huì)顯著加劇滾針軸承的微動(dòng)磨損。通過提升軸的直線度加工精度和裝配同軸度精度可有效降低軸自身的振幅，從而達(dá)到削弱共振的目的。

4 結(jié)束語

微動(dòng)磨損是滾針軸承的常見失效形式之一，通過對滾針軸承微動(dòng)磨損機(jī)制的分析，找出了微動(dòng)磨損的主要影響因素。通過對微動(dòng)磨損各影響因素的作用原理的分析，從設(shè)計(jì)方面提出了避免微動(dòng)磨損的多項(xiàng)預(yù)防措施。在這些預(yù)防措施中，改善潤滑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)充分潤滑和采用開口或剖分保持架實(shí)現(xiàn)滾針與內(nèi)外滾道相對轉(zhuǎn)動(dòng)是工程中最常采用也是最有效的措施。而降低滾針軸承的微動(dòng)位移是在研究微動(dòng)磨損機(jī)制的基礎(chǔ)上提出的新措施，為后續(xù)設(shè)計(jì)和市場問題的分析解決提供了新的思路。隨著對微動(dòng)磨損機(jī)制的更深入研究，以及更多的工程實(shí)踐，還會(huì)有更多更好的優(yōu)化措施被發(fā)現(xiàn)和提出，徹底規(guī)避微動(dòng)磨損問題的發(fā)生。