圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出問題的解決

劉玉舒　藍(lán)余永　李良　文敏　鄭榮亮

摘 要：汽車變速器產(chǎn)品中，傳動(dòng)系統(tǒng)大多采用滾動(dòng)軸承對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的輪軸進(jìn)行支撐，以保證旋轉(zhuǎn)輪軸的傳動(dòng)穩(wěn)定。一款使用圓柱滾子軸承支撐傳動(dòng)輪軸的無級(jí)自動(dòng)變速器在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)軸承內(nèi)圈脫出問題，本文通過傳動(dòng)軸布置結(jié)構(gòu)分析及CAE輔助計(jì)算分析，研究圓柱滾子軸承脫出故障，找出問題原因和解決方法。

關(guān)鍵詞：無級(jí)自動(dòng)變速器;軸承;脫出

1 引言

汽車變速器產(chǎn)品種類中，無級(jí)自動(dòng)變速器（簡(jiǎn)稱：CVT，以下都使用簡(jiǎn)稱。）因其舒適性和自動(dòng)性以及相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)在行業(yè)中應(yīng)用越來越大。在CVT結(jié)構(gòu)中，主動(dòng)輪軸接受輸入的動(dòng)力扭矩，通過鋼帶將扭矩傳遞到從動(dòng)輪軸。主動(dòng)輪軸和從動(dòng)輪軸通都常采用2套軸承進(jìn)行徑向和軸向的支撐，若軸承與軸及軸承座之間有固定結(jié)構(gòu)無相對(duì)軸向移動(dòng)，則稱為“固定端軸承”，軸承與軸及軸承座之間無固定結(jié)構(gòu)可進(jìn)行相對(duì)軸向移動(dòng)的則稱為“自由端軸承”。目前大多廠家的CVT產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都是一端固定另一端自由的主、從動(dòng)輪軸軸承。在某個(gè)公司的某款CVT產(chǎn)品的臺(tái)架驗(yàn)證中出現(xiàn)故障問題，拆解發(fā)現(xiàn)主動(dòng)輪軸的自由端的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出。為解決軸承內(nèi)圈脫出問題，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。

2 故障現(xiàn)象及影響分析

2.1 故障現(xiàn)象

故障件從整箱內(nèi)拆出檢查，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)主動(dòng)輪軸的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫離內(nèi)側(cè)所貼平面位置3mm，此類型的故障現(xiàn)象在樣機(jī)試驗(yàn)階段連續(xù)出現(xiàn)兩次。

2.2 影響分析

由于圓柱滾子軸承屬于分體式軸承，即內(nèi)圈、外圈可分離，外圈由卡簧固定在相鄰殼體上，若內(nèi)圈脫出一定距離，滾子與軸承內(nèi)圈滾道面未進(jìn)行全長(zhǎng)度接觸，在載荷下軸承會(huì)出現(xiàn)異常振動(dòng)，該振動(dòng)會(huì)影響變速箱整箱運(yùn)行，產(chǎn)生不良噪音，影響用戶體驗(yàn)與使用。

3 故障原因探索

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

如圖2所示，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主動(dòng)輪軸的兩端軸承，固定端采用深溝球軸承，自由端采用圓柱滾子軸承。深溝球軸承受到鋼帶產(chǎn)生的徑向力以及主軸油壓產(chǎn)生軸向力。圓柱滾子軸承僅受到從輪軸傳遞過來的鋼帶拉力，無軸向力施加到此軸承上，即圓柱滾子軸承不會(huì)受到軸向力使其脫出。

3.2 原因分析

從機(jī)械原理可以得知，兩個(gè)過盈配合的零件使用過程出現(xiàn)了脫離，要么是零件制造超差，使緊固力減小不足，要么是設(shè)計(jì)的配合過盈偏小使產(chǎn)生的緊固力不足，零件工作中產(chǎn)生的推力大過了緊固力，從而使零件送動(dòng)脫移。軸承的脫出原因基于這個(gè)思路進(jìn)行探尋。

3.2.1 尺寸檢測(cè)

若零件尺寸不合格，則有導(dǎo)致軸承內(nèi)圈脫出風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)兩個(gè)樣機(jī)的軸承配合件進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如表1所示，零件尺寸符合設(shè)計(jì)要求，可排除該因素影響。

3.2.2 結(jié)合力計(jì)算

軸承內(nèi)圈與輪軸是過盈配合，內(nèi)圈脫出的原因可能為設(shè)計(jì)的過盈量不足。檢查輪軸與軸承的尺寸設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)二者之間在極限狀態(tài)下的最小過盈量為0.002mm，此時(shí)軸承內(nèi)圈與輪軸的結(jié)合力可通過以下公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)計(jì)算可知，軸承與輪軸的過盈量為0.002mm時(shí)，結(jié)合緊固力P為23.73N，此值過于小，容易使主動(dòng)輪軸對(duì)軸承內(nèi)圈的緊固固定不足而造成軸承脫出。但在前面的結(jié)構(gòu)分析中，圓柱滾子軸承是不受軸向力的，貌似還不能說明結(jié)合力小就會(huì)產(chǎn)生脫出問題，問題需要更深一步的探究。

3.2.3 輪軸與軸承受力CAE分析

按照?qǐng)D2結(jié)構(gòu)建立模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行CAE分析。根據(jù)CAE計(jì)算分析結(jié)果，輪軸未受到鋼帶拉力作用時(shí)的狀態(tài)如圖3所示;輪軸在受到鋼帶拉力作用下的狀態(tài)如圖4 所示，輪軸受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲變形，進(jìn)而對(duì)軸承產(chǎn)生軸向力。

同時(shí)，主動(dòng)輪軸的CAE分析結(jié)果顯示，接觸鋼帶的錐面法蘭也產(chǎn)生變形，如圖5所示，最大鋼帶拉力產(chǎn)生的軸承位置變形為0.084mm。錐面法蘭的變形也對(duì)軸承產(chǎn)生軸向力。

3.3 原因確認(rèn)

根據(jù)上述的分析可知，在鋼帶拉力作用下，輪軸與圓柱滾子軸承之間不會(huì)完全不存在軸向力的產(chǎn)生，再加上產(chǎn)品制造及裝配的誤差，軸向力會(huì)加大。當(dāng)輪軸受力運(yùn)轉(zhuǎn)及制造誤差造成的軸向力總和大過軸承的結(jié)合緊固力時(shí)，軸承就會(huì)在輪軸上的原始位置發(fā)生滑移。

輪軸變形產(chǎn)生的軸向力的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜，此處就不作具體推導(dǎo)計(jì)算。從CAE分析的結(jié)果——主動(dòng)輪軸的錐面法蘭軸承位處有0.084mm變形可知軸向力不會(huì)太小，軸承與軸的最小過盈量結(jié)合緊固力23.73N與其相比肯定微乎其微。

由此，可以確認(rèn)，此CVT產(chǎn)品在臺(tái)架試驗(yàn)出現(xiàn)的主動(dòng)輪軸的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出的故障原因，是零件設(shè)計(jì)給定的軸承與輪軸的配合過盈量不足，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上沒有軸承在輪軸上的限位防脫結(jié)構(gòu)。

4 解決方案及驗(yàn)證

4.1 解決方案

針對(duì)上述確認(rèn)的兩個(gè)方面原因，制定出解決問題的兩條措施：

a）增大軸承內(nèi)圈與輪軸的過盈量。調(diào)整輪軸對(duì)軸承配合處的直徑公差，將使輪軸與圓柱滾子軸承的最小配合過盈量值由0.002mm增加到0.011mm。

b）對(duì)軸承內(nèi)圈增加一個(gè)限位防脫結(jié)構(gòu)。在輪軸上軸承配合外側(cè)位置增加一個(gè)擋圈槽，裝上擋圈，對(duì)軸承內(nèi)圈進(jìn)行限位，防止內(nèi)圈脫出，如圖6所示。

4.2 措施驗(yàn)證及效果

采用上述兩條措制造出新的CVT樣件產(chǎn)品，重新進(jìn)行完整的臺(tái)架試驗(yàn)，在后續(xù)所有樣件的試驗(yàn)過程中，再無軸承脫出故障問題，確認(rèn)了對(duì)問題的原因分析正確，以及制定的改進(jìn)措施有效，可以應(yīng)用到生產(chǎn)產(chǎn)品。

5 結(jié)束語

在CVT以及其他類型變速器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，不可避免地要使用軸承來對(duì)輪軸系統(tǒng)進(jìn)行支撐，當(dāng)使用圓柱滾子軸承時(shí)，需考慮到輪軸的工作彎曲變形對(duì)軸承內(nèi)圈的影響。在無法避免或改善輪軸變形的情況下，增加一個(gè)擋圈防止軸承內(nèi)圈脫出是一個(gè)較為直接有效的解決方法，可為大家提供解決類似問題提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤紹軍，軸承內(nèi)圈與軸的配合過盈量分析[J].軸承，2011年10期：12-13.

作者簡(jiǎn)介

劉玉舒：（1992—），女，廣西柳州人，本科，工程師，現(xiàn)任職于柳州上汽汽車變速器有限公司柳東分公司，主要從事自動(dòng)變速器無級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)的工作。