重卡離合器分離軸承的接觸角設計和測量

黃東勛，羅廷銀

重卡離合器分離軸承的接觸角設計和測量

黃東勛，羅廷銀

（杭州雷迪克節(jié)能科技股份有限公司，浙江 杭州 311231）

簡要闡述了離合器的功能和分離軸承的重要性，介紹了重型卡車（后簡稱“重卡”）離合器分離軸承的特點和使用環(huán)境，分析了分離軸承的結構和接觸角的設計和測量方法。針對公司現(xiàn)有產(chǎn)品試制過程中出現(xiàn)的問題，提出接觸角測量裝置的設計和使用，根據(jù)驗證得出重卡分離軸承接觸角設計驗證的方法，為以后產(chǎn)品設計和規(guī)范提供依據(jù)，確保產(chǎn)品設計滿足使用需求，從而延長重卡離合器的使用壽命。

重卡離合器；分離軸承；接觸角；載荷

根據(jù)牛錢網(wǎng)的數(shù)據(jù)，中國重卡市場2019年全年大約實現(xiàn)了117萬輛的總銷量，比上年同期的114.8萬輛小幅增長2%，創(chuàng)造了中國乃至全球重卡市場年銷量的新高。隨著中國物流的發(fā)展，重卡在相當長的時間內(nèi)應該是中國汽車業(yè)發(fā)展的中堅力量。

1 離合器分離軸承的特點和使用環(huán)境

離合器是重卡中重要的三大系統(tǒng)之一，而離合器分離軸承則是應用于離合器中連接和切斷動力輸出的關鍵零件，對整個重卡的動力傳遞起著決定性的作用。分離軸承相對于整個重卡離合器價值不高，但是其質(zhì)量決定整個離合器的壽命。重卡載重大，可達上百噸，需要很大的動力輸出，傳遞很大的扭矩，扭矩越大，離合器在傳遞動力時受到的載荷越大，因此分離軸承承受載荷也相應增大，一般達到10 000 N以上。

一般軸承使用時固定在軸或箱體中，可以盡量地加大尺寸以滿足工況所需的大載荷。但是，分離軸承在工作中有一個很大的特點就是位置不固定，其在相對密閉的離合器殼體內(nèi)往復運動。即便是重型卡車這樣大體型的空間，離合器的體積也不會很大。基于空間的限制，分離軸承不能靠增大尺寸來達到增加承載能力的目的。一般需要使用較小的鋼球來縮小分離軸承的體積，減小其占用的空間。軸承承載能力最主要的決定因素就是鋼球的大小。因為分離軸承使用時承受的是純軸向載荷，接觸角是影響軸承軸向承載能力的重要因素。原則上接觸角越大，分離軸承的軸向承載能力越大，離合器工作的剛性和可靠性就越好。因此，需要從結構設計上來增大分離軸承的承載能力，如圖1所示。

2 分離軸承的結構

雖然分離軸承的軸向承載能力隨著接觸角的增大而增大，但是由于軸承內(nèi)部結構的約束，接觸角達到一定程度后不能繼續(xù)增加。

圖1 一個常見的離合器系統(tǒng)

軸承的接觸角根據(jù)其所處的狀態(tài)分為原始接觸角、安裝接觸角和工作接觸角，原始接觸角是產(chǎn)品設計時確定的理論接觸角，安裝接觸角是軸承安裝到使用工位后產(chǎn)品的實際接觸角，工作接觸角是軸承在一定的工況下工作時的實際接觸角。因為軸承的工作接觸角是根據(jù)使用工況發(fā)生變化的，承受載荷越大接觸角的變化也越大，所以分離軸承的接觸角測量和設計同樣重要。

目前，行業(yè)內(nèi)對軸承的接觸角普遍是通過溝道曲率和徑向游隙理論計算得到。也有廠家制作簡易設備來測量，但是一般是測量其原始接觸角，載荷較小，無法實現(xiàn)對重卡分離軸承這樣大載荷的工作接觸角的測量。

在工作中設計一個用于奔馳重卡的分離軸承，要求測試的最大軸向載荷為10 000 N，是軸承額定載荷的50%以上（一般軸承的要求在1/3左右）。由于系統(tǒng)結構限制，最大只能設計φ7.938的鋼球。所以，需要設計出盡可能大的接觸角，以滿足承載要求，初始設計原始接觸角為35.5°～42.6°。試驗階段，為取得大的承載能力，選用原始接觸角為極限上差的產(chǎn)品進行測試，在臺架試驗進行到2/3要求周期時，試驗失敗，軸承溝道出現(xiàn)明顯的剝落，如圖2、圖3所示。

圖2 外圈

圖3 內(nèi)圈

實物查看，剝落的位置都處于滾道的邊緣，鋼球出現(xiàn)明顯爬坡現(xiàn)象，由此推斷接觸角大了。

3 接觸角的設計和測量方法

結構和尺寸設計是經(jīng)過專業(yè)客戶論證過的，應該沒有問題。但是，軸承的工作接觸角是多少并不知道。因此，需要知道軸承在試驗狀態(tài)下，工作接觸角到底是多少。需要設計一套重卡分離軸承在大載荷下工作接觸角的測量裝置。

重卡分離軸承屬于角接觸球軸承。角接觸球軸承的接觸角在內(nèi)外圈上略微不同，一般是以外圈的接觸角為準。但重卡分離軸承以內(nèi)圈旋轉工作，因此，測量內(nèi)圈的接觸角更具實際意義。所以，設計的裝置要以內(nèi)圈接觸角測量為準則。

3.1 裝置組成

裝置組成如圖4所示。由墊塊、角度刻度盤、指針、輔助軸承及加載機構組成。輔助軸承是保證被測軸承在受到很大的載荷下可以順暢地旋轉；墊塊是用來支撐被測軸承的；一個指針固定在內(nèi)圈的墊塊上，以確定內(nèi)圈轉動的角度；另一個指針固定在保持架上以確認鋼球轉動的角度。墊塊、刻度盤、輔助軸承和加載頭的中心要在同一軸線上。

圖4 裝置示意圖

3.2 測量方法

按照圖4放好被測軸承，先將固定在內(nèi)圈和保持架上的指針同時對準“0”位，然后用加載裝置施加所需載荷，手工扳動壓在內(nèi)圈上的墊塊旋轉10圈整（3 600°），記錄保持架旋轉的角度。根據(jù)兩者的角度和內(nèi)部尺寸，利用幾何關系得出此時的接觸角即是該載荷狀態(tài)下軸承的工作接觸角。

3.3 測量原理

式（1）中，為被測軸承的工作接觸角；2為被測軸承鋼球運行的角度，通過固定在保持架上的指針讀出；1為被測軸承內(nèi)圈旋轉的角度，通過固定在內(nèi)圈上的指針讀出；為被測軸承的中心徑；為鋼球的直徑。

3.4 測量分析

針對這款重卡分離軸承，分別選用預緊載荷（200 N）、試驗載荷（7 000 N）和最大載荷（10 000 N）對軸承三個狀態(tài)下的接觸角進行測量，并和理論計算對比。測量前，分別測出被測軸承的內(nèi)部尺寸，然后根據(jù)內(nèi)部尺寸配出不同接觸角的5套產(chǎn)品，測得結果如表1所示。

表1 測得結果

編號外圈滾道內(nèi)圈滾道測量接觸角/°理論原始接觸角/° 直徑曲率直徑曲率加載200 N加載7 000 N加載10 000 N 1105.0294.16888.9604.17539.94744.01545.39739.529 2105.0274.17888.9644.16239.33743.73545.66938.991 3105.0084.17588.9864.15335.16240.84641.73034.590 4105.0494.16089.0044.16138.09441.73042.88539.160 5104.9974.14388.9734.11641.63346.12746.66541.291

4 結論

根據(jù)測量結果得出，被測軸承受到預緊載荷（200 N）下所測得的接觸角和理論原始接觸角基本一致。隨著載荷的增加，接觸角在逐漸地增大，試驗載荷下接觸角的增加量達到4°以上。反推測試失敗的兩套軸承，工作接觸角都達到48°以上，這樣軸承受到大載荷作用下，鋼球更接近滾道的邊沿，出現(xiàn)鋼球爬坡現(xiàn)象，也印證了之前的推測。使用以上測量裝置，可以方便地根據(jù)不同載荷下測出軸承的工作接觸角。對于重卡分離軸承的接觸角，只要空間允許，應盡量選取較大的溝深比，適當加大軸承的接觸角，提高軸向承載能力、剛性和可靠性。因此，核算并測量工作接觸角是非常必要的。

［1］鄧四二，賈群義.滾動軸承設計原理［M］.北京：中國標準出版社，2008.

2095－6835（2020）06－0090－02

U463.211

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.06.033

黃東勛（1977—），男，工學學士，中級工程師，主要從事動力傳動產(chǎn)品的研發(fā)和制造方面的工作。

〔編輯：辛霞〕