淺談一種減輕軸承內環與軸頸磨損的結構優化設計

陳浩宇，李黎，陳金

（中國航發湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002）

1 概述

某型減速器采用懸臂支撐方式，軸承采用過盈配合安裝、負游隙結構。在以往的臺架試驗后發現大錐軸承內環與相配合的齒輪軸軸頸標記線錯位，即軸承內環與軸頸出現相對轉動；齒輪軸軸頸出現異常微動磨損、軸肩出現掉塊等現象；軸肩貼合區域細微金屬塊剝落，剝落的金屬塊可能進入潤滑循環，引起齒輪副在嚙合過程中由于異物造成齒面擦傷等情況。為避免齒輪軸軸頸異常微動磨損，軸肩掉塊的現象，本文研究了軸承克服過盈配合發生相對轉動的機理，并針對該型減速器懸臂支撐、軸承負游隙的結構特點設計了軸承內環止動結構。

2 相對轉動機理分析

大錐軸承與軸采用過盈配合，過盈量為-0.102～-0.076mm。運轉過程中，功率及載荷通過軸傳遞，軸承內環與齒輪軸過盈聯接，軸承滾子對軸承內環產生拖拽力矩，造成內環克服與齒輪軸過盈配合產生的周向靜摩擦力，從而軸承內環與齒輪軸出現相對轉動。根據機械設計手冊相關內容，過盈聯接傳遞扭矩過程中，發生周向滑移視為破壞過盈配合；在不破壞過盈配合情況下，承載的最大扭矩與過盈量成正比，在過盈摩擦系數0.2條件下，各個過盈量可承載最大扭矩估計值見表1。

表1 各個過盈量可承載最大扭矩估計值

而在實際中，過盈配合的摩擦系數并不一定為0.2，以下推導過盈摩擦系數并對表1中數據進行修正。

根據相關研究，當傳遞扭矩T時，應保證過盈聯接在此載荷作用下，不產生周向滑移（即相對滑動）。即在外載荷T的作用下，配合面上所能產生的周向最大摩擦力矩M應大于或等于轉矩T。

定義過盈配合中：配合面外徑為df，配合面間的摩擦系數為μt，配合長度為lf，配合面壓強為Pf，配合位置的周長為l，摩擦力為f。則有：

其中：

在配合表面對摩擦力進行積分得：

由式(1)、(2)、(3)，并考慮軸套結合長度上的過盈量在沿軸向及周向分布是均勻的，得：

即得：

根據實際情況，按式(4)計算得出，對表1中數據進行修正，重新計算表1中過盈配合不產生周向滑移情況下所能承受的最大扭矩。將數據代入仿真分析，在過盈量0.09mm情況下，加載扭矩T逐漸增加直至到達過盈聯接破壞點1380Nm。在過盈聯接被破壞時，結合面發生相對滑動，在經歷很短的滑動時間后，試件重新接觸形成靜摩擦（1200Nm），直到下一次滑動的到來。

3 軸承內環止動設計

為了防止該型減速器軸承內環工作中相對齒輪軸轉動，增加軸承內環過盈量方案不適用于該型減速器。因此，采用特制的軸承內環止動結構，依靠增加額外的靜摩擦力矩止動。

3.1 軸承內環止動結構

該型減速器軸承附近空間較為寬裕，因此，在錐滾軸承之間設計止動間隔套，在大錐軸承內環處配合止動。在大錐軸承內環設計止動凸臺；輸入止動間隔套設計有止動槽，裝配時，與大錐軸承內環止動凸臺配合；輸出導油套設計止動槽，即可承擔導流潤滑油同時也可對輸出大錐軸承內環止動，裝配時與大錐軸承內環止動凸臺配合。

止動機理：止動間隔套、導油套小端由小錐軸承、軸承調整墊壓緊在齒輪軸軸肩，小錐軸承與齒輪軸過盈配合，通過溫差法壓緊形成拖拽力矩，再通過軸端鎖緊螺母施加預緊力壓實間隔套（導油套）；由于軸承內環凸臺卡在間隔套（導油套）止動槽內，依靠間隔套（導油套）被壓緊的軸向預緊力產生靜摩擦力防止軸承內環轉動。

3.2 軸端鎖緊預緊力選取

為保證減速器止動間隔套軸向預緊力形成的靜摩擦力矩能夠抵御大錐軸承內環破壞過盈聯接時的扭矩，選取合適的軸端鎖緊機構產生的預緊力至關重要，本節闡述軸端預緊力的選取。根據圖1中仿真結果，在軸承內環發生周向滑移時，減速器止動間隔套需承受至少1200Nm扭矩。亟需中減止動間隔套配合面上所能產生的最大摩擦力矩M應大于或等于轉矩T。

圖1 克服過盈配合的扭矩曲線

在T=1200Nm時，可得軸向壓力N=42857N。

由于輸出小錐軸承與齒輪軸為過盈配合，過盈量將影響軸端鎖緊產生的預緊力傳遞，如在圖樣規定的過盈配合公差帶中，較大過盈量將導致傳遞的軸向預緊力損失。為了確定減速器間隔套實際所受軸向壓力，對間隔套貼應變片并標定，得到標定所受軸向力與應變關系見表2。

表2 間隔套所受實際軸向力標定

選取不同裝配過盈量的中輸出小錐軸承，在特定的軸端鎖緊力矩（300Nm）情況下，軸端鎖緊產生的預緊力傳遞至間隔套產生的應變見表3～5。

由表3～5可知，裝配過盈量與間隔套實際所受軸向力成反比，裝配過盈量為-0.101～-0.095mm的輸出小錐軸承（間隔套實際所受軸向預緊力最小）后，對應表3中應變標定數據，間隔套所受軸向力為47000N左右，該軸向力可滿足抵御1200Nm軸承內環周向滑移扭矩需求。

表3 間隔套試驗（小錐軸承過盈量-0.101～-0.095）

表4 間隔套試驗（小錐軸承過盈量-0.091～-0.085）

表5 間隔套試驗（小錐軸承過盈量-0.075～-0.069）

4 試驗驗證

該型減速器裝配輸入止動間隔套、輸出導油套后，其他裝配條件：軸端螺母擰緊力矩選用290Nm，小錐軸承過盈量0.101mm，進行試驗。經過多次試驗驗證，結果顯示，輸入、輸出齒輪軸軸頸配合處未出現異常微動磨損。

5 結語

根據試驗結果，可得出如下結論：

（1）經檢查，試驗后大錐軸承位置無微動磨損。

（2）軸端鎖緊機構所提供的軸向預緊力可以滿足該型最大功率下的軸承內環止動要求。

（3）根據計算，在加載至極限扭矩情況下，大錐軸承內環克服過盈配合產生周向相對滑移，滑移力矩達到1200Nm；在此基礎上增加止動間隔套，軸端鎖緊螺母擰緊力矩290Nm以上時，可實現該型減速器大錐軸承內環止動。