自潤滑桿端關節軸承壓裝對啟動摩擦力矩的影響分析

牛榮軍，張建虎，戴明鐘，鄧四二

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.福建龍溪軸承(集團)股份有限公司，福建 漳州 363020)

自潤滑桿端關節軸承是向心型關節軸承的一種變形結構，其外圈一般為帶螺紋桿的軸承殼體[1-2]，具有結構簡單、緊湊，質量輕，承載大和免維護等優點。同時裝配的螺紋桿結構與其他組件組合，具有安裝簡便，可靠性高等特點，廣泛應用于操縱和動力傳遞機構中，如直升機旋翼支承系統的變距拉桿結構，飛機起落支架和儀表操作系統等[3-5]。

自潤滑桿端向心關節軸承主要承受徑向載荷，也能承受一定的軸向載荷。在承受徑向載荷時，需正確選擇和保持外圈與桿端座孔的配合，避免軸承與座孔之間發生滑動；在承受軸向載荷時，桿端座孔與外圈的收壓固定必須保證外圈不能出現大的軸向相對位移或被壓出[6]。因此，確定桿端座孔與軸承外圈正確的壓配量和收壓方法尤為關鍵。同時，在保證上述可靠連接的條件下，要滿足軸承的使用性能指標要求，如無載啟動力矩、旋轉靈活性等，保證關節軸承的運動性能。

鑒于此，以某自潤滑桿端向心關節軸承無載啟動力矩為控制指標，通過裝配試驗分析壓配和收壓工序對軸承無載啟動力矩的影響，確定桿端座孔與軸承外圈的配合量和收壓方法。并通過仿真方法驗證壓配、收壓工序和推出試驗對軸承接觸性能的影響，以求揭示軸承壓裝過程中無載啟動力矩發生變化的原因，為自潤滑桿端關節軸承的裝配提供參考依據。

1 壓裝過程

在自潤滑關節軸承制成成品后，還需與桿端座孔進行壓裝，主要包括壓配和收壓2道工序。

壓配過程中，首先需在桿端座孔涂鋅黃底漆、環氧樹脂底漆和密封劑等[7]，然后使用專用工具對關節軸承進行壓配。壓配過程(圖1)中作用力要保持平行于桿端座孔軸線，施加于外圈端面，緩慢、均勻地將關節軸承壓入桿端座孔。

圖1 關節軸承的壓配過程Fig.1 Press-fit process of spherical plain bearing

收壓工序是通過收壓模具對關節軸承的安裝槽進行擠壓，使其發生塑性變形，將其一部分材料填充到軸承座孔倒角部位，使軸承在承受軸向載荷時不發生位移，如圖2所示。收壓過程中，收壓力的大小、軸向進給量和進給速度等參數應根據關節軸承和桿端座孔的尺寸、材料等進行調整。若選擇不當，易造成關節軸承收壓后啟動力矩或游隙急劇變化，甚至造成關節軸承抱死，使其喪失功能。

圖2 關節軸承的收壓過程Fig.2 Press-down process of spherical plain bearing

2 裝配設計

壓配和收壓工序會對原軸承無載啟動力矩產生明顯影響。因此，要控制最終無載啟動力矩在要求的范圍內，關鍵要確定合適的外圈外徑和座孔內徑的公差范圍，此外，要選擇恰當的收壓參數，確保表面成形質量和軸承在軸向極限推出力下不被推出。

以某傳動系統使用的SA6DEM桿端自潤滑關節軸承(圖3)為研究對象，要求壓裝后軸承的無載啟動力矩為壓裝前的1～1.5倍。根據控制目標，需合理設計外圈與桿端座孔間的配合關系。可進行多套軸承壓裝試驗，驗證所設計的配合關系，以滿足無載啟動力矩的指標要求。

圖3 自潤滑桿端關節軸承結構Fig.3 Structure of rod end self-lubricating spherical plain bearing

3 壓裝試驗

試驗流程為：首先，對關節軸承進行無載啟動力矩測試，篩選出滿足啟動力矩指標要求的試樣；然后，測量其外徑和桿端座孔內徑，篩選出滿足上下公差范圍的試樣；最后，進行壓配和收壓工序，記錄試樣的啟動力矩(不同位置測試3次，取平均值為試驗結果)。

3.1 軸承無載啟動力矩和外徑測試

抽取SA6DEM關節軸承試樣，分別對其無載啟動力矩和外圈外徑進行測試，從中篩選出12套滿足無載啟動力矩在0.037～0.187 N·m和外徑公差帶-0.008～0 mm的試樣。無載啟動力矩和外圈外徑分別測量2次后取其平均值，以減少人為誤差對測量結果的影響，具體測試結果見表1。

表1 軸承無載啟動力矩和外徑測試結果Tab.1 Test results of no-load starting torque and outer diameter

3.2 壓配試驗

為確定合適的座孔內徑公差帶，選擇無載啟動力矩最大和最小的5#和6#試樣進行試驗。桿端座孔內徑公差帶范圍初步選擇-0.012～-0.002 mm，通過磨削加工，2套試樣內徑的尺寸上下偏差分別為-0.004，-0.009和-0.005,-0.009 mm，滿足桿端座孔內徑公差帶范圍要求。

選擇上述配合，在萬能壓力機上進行壓配試驗。壓配過程如圖4所示。通過手動方式控制壓配下降量，最終壓配完成后總的上模下移量為0.389 mm。壓配完成后，采用無載摩擦力矩檢測儀檢測無載啟動力矩，2套試樣的測試結果分別為0.26，0.11 N·m，都在1.5倍無載啟動力矩0.056～0.281 N·m范圍內。由此可以看出，選擇的尺寸配合公差帶范圍合適，但軸承在壓配安裝后，為了保證軸承與桿端可靠連接，還需進行收壓裝配。

圖4 壓配試驗過程Fig.4 Press-fit test process

3.3 收壓試驗

在收壓過程中，要選擇合適的鉚合力確保可靠連接和表面成形質量。通過收壓試驗和成形結果分析，對于SA6DEM關節軸承選擇90 kN的鉚合力較為合適。此外，需設置收壓參數，從而確保準確的鉚合力。

2套試樣的鉚合力-位移曲線如圖5所示。從圖中可以看出，整個收壓過程基本呈線性加載，在達到設置的90 kN鉚合力后進行10 s的保壓。收壓后的最大鉚合力為90.128 kN，最大位移變形量為1.72 mm，整個收壓過程需99.87 s。最終試樣的壓裝實物圖如圖6所示。從圖中可以看出，收壓位置表面質量完好，沒有開裂等問題。收壓后測試2套試樣的無載啟動力矩分別為0.083，0.025 N·m。

圖5 鉚合力-位移曲線Fig.5 Curves of riveting force-displacement

圖6 壓裝后軸承實物圖Fig.6 Physical diagram of bearing after press assembly

由無載啟動力矩測試結果可知：收壓工序對壓配后的力矩影響明顯，使壓配后無載啟動力矩明顯減小，減小比例分別為68.1%和77.3%。其中6#試樣壓裝后的無載啟動力矩下降為0.025 N·m，不滿足1.0～1.5倍壓裝前無載啟動力矩(0.037～0.281 N·m)的裝配要求。因此，初步選擇的桿端座孔內徑-0.012～-0.002 mm上下偏差過小，根據加工水平和上述試驗分析結果，適當調整桿端座孔內徑公差帶范圍為-0.020～-0.010 mm。

4 結果與分析

4.1 壓裝試驗

根據上述試驗方法和調整后的配合參數，對剩余的10套試樣按順序重新編號，并進行壓裝。在壓裝過程中記錄無載啟動力矩變化，結果如圖7所示。從圖中可以看出，5#試樣壓裝數據出現異常，壓配后力矩為1.5 N·m，收壓后下降到0.80 N·m，無載啟動力矩過大，超出要求的摩擦力矩范圍要求。這可能是由于外圈與套筒雖然控制在很小的公差帶范圍內，但由于加工工藝誤差會出現橢圓輪廓表面，若剛好橢圓長軸相對配合安裝，通過壓配和收壓后其無載啟動力矩會較大。其他試樣壓裝后無載啟動力矩都達到設計指標要求，說明選擇的外徑公差范圍和調整的桿端座孔內徑上下偏差合適。

圖7 壓裝過程無載啟動力矩變化Fig.7 Variation of no-load starting torque during press assembly process

此外，壓配和收壓階段對軸承的無載啟動摩擦力矩影響均較大，特別是收壓階段使摩擦力矩明顯下降，但其下降比例需根據軸承具體型號和尺寸通過分析和試驗確定，沒有具體規律可循，不能將此類試驗結果直接應用于其他型號軸承的裝配。但通過具體試驗可以很好地掌握3個階段對無載啟動摩擦力矩的影響程度，從而為裝配提供經驗數據。

4.2 推出試驗

為檢驗連接的可靠性，隨機選擇3套壓裝好的軸承，采用CMT5150萬能試驗機進行推出試驗，推出過程如圖8所示，結果見表2。由表可知，3套試樣的推出力均遠遠大于標準要求，連接可靠。

表2 推出力試驗結果Tab.2 Results of push-off test kN

5 仿真分析

采用DEFORM材料成形軟件[9]，分別對3個裝配過程進行仿真分析，仿真結果如圖9—圖11所示，其中應力曲線圖中的橫坐標起點為外圈軸向左側端。設置的自潤滑襯墊材料性能參數見表3。

表3 自潤滑襯墊性能參數Tab.3 Performance parameters of self-lubricating liner

圖9 壓配過程仿真結果Fig.9 Simulation results of press-fit process

圖10 收壓過程仿真結果Fig.10 Simulation results of press-down process

圖11 推出過程仿真結果Fig.11 Simulation results of push-off process

從圖9可以看出，壓配過程中由于過盈配合量不大，應力值都不大。隨著座圈套筒不斷壓入，襯墊表面接觸應力不斷增大，特別是壓入的最底端的接觸應力最大，但小于襯墊材料的應力極限[10]。

從圖10可以看出，收壓階段可以使關節軸承與座圈可靠連接，不會出現在軸向力作用下軸承與座圈由于連接力不夠導致脫離的問題。但收壓過程是材料的變形過程，模具結構和鉚頭壓力等工藝參數都會對最終的成形質量產生影響。通過仿真分析發現，在上下壓模的作用下，外圈安裝槽翻邊成形，與座圈可靠連接。但在外圈中間區域產生較明顯的作用力，使得襯墊表面中間區域的接觸應力升高，而兩端的接觸應力下降。此外，在收壓過程中，座圈也發生明顯外擴，使座圈與外圈的連接主要發生在翻邊區域，中間區域可能已經產生較大的間隙。

從圖11可以看出，隨著推出量的增加，襯墊的接觸應力不斷增加，最大達到179 MPa，接近織物襯墊的應力極限[10]。推出過程是一個破壞性試驗，會在襯墊表面產生較大的接觸應力，甚至超過其應力極限，對軸承造成損壞性影響。仿真推出力為10.8 kN(圖11c)，明顯大于標準值6.9 kN。

6 結束語

通過裝配試驗分析了自潤滑桿端向心關節軸承的壓配和收壓工序對軸承無載啟動力矩的影響。試驗表明：收壓階段使軸承摩擦力矩明顯下降，根據加工水平和試驗分析結果調整桿端座孔內徑在-0.020～-0.010 mm公差帶范圍較合適。通過材料成形仿真，分析了裝配過程對襯墊接觸狀態的影響，通過3個階段應力場和襯墊接觸層應力變化揭示了壓裝過程中無載啟動力矩發生變化的原因。