趙坤，張恒

(慈興集團有限公司 技術中心，浙江 寧波 315301)

發(fā)動機是汽車心臟，而張緊輪軸承是其動力穩(wěn)定輸出的關鍵零部件[1-5]。國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的張緊輪軸承壽命基本在(8～12)×104km，個別企業(yè)能達到(14～16)×104km，與國外一流主機客戶20×104km以上的要求差距較大。張緊輪軸承運行在高速、高溫的工況條件下，密封性能是影響軸承壽命的主要因素，故有必要對張緊輪軸承的密封結構進行改進設計。

1 軸承工況及設計要求

張緊輪的結構及安裝位置示意圖如圖1、圖2所示。張緊輪用深溝球軸承6203PLLH工況及設計要求為：1)轉(zhuǎn)速0～12 000 r/min；2)工作環(huán)境溫度-40～120 ℃；3)良好的密封性能，防漏脂、防雜質(zhì)侵入；4)低的啟動扭矩和旋轉(zhuǎn)扭矩；5)長壽命,高可靠性(壽命20×104km以上)。

圖1 張緊輪結構

圖2 張緊輪安裝位置示意圖

2 密封結構設計

6203PLLH軸承在寬溫度范圍、高轉(zhuǎn)速工況下工作，為確保高、低溫環(huán)境下的密封圈性能保持穩(wěn)定，選擇ACM橡膠作為密封材料，并要求低的啟動扭矩和旋轉(zhuǎn)扭矩。較低的扭矩可有效減少密封圈的磨損，降低溫升，從而延長密封圈壽命，使軸承密封更可靠。

為確保低的扭矩，可通過減少密封圈主接觸唇與內(nèi)圈防塵槽接觸面的過盈量實現(xiàn)，但過盈量過小，會增大油脂泄漏風險。根據(jù)經(jīng)驗及試驗可對過盈量進行改進設計，改進前、后的密封結構如圖3所示。為增加外圈旋轉(zhuǎn)時密封圈的緊固性，骨架外徑改進為“兩次折邊”的結構，增大骨架外徑，提高密封圈安裝到外圈密封槽中的緊固性。

圖3 密封結構

改進前、后的密封唇結構設計參數(shù)見表1。對套圈密封槽的要求：1)內(nèi)圈密封槽與密封唇接觸面的表面粗糙度Ra≤0.63 mm；2)內(nèi)、外圈密封槽的對稱差不大于0.03 mm；3)內(nèi)、外圈密封槽的深度差不大于0.02 mm。

表1 密封圈結構設計參數(shù)

3 有限元分析

以軸承各零部件的尺寸中間公差值建模，采用有限元軟件ANSYS進行分析。改進前、后密封結構的主接觸唇與內(nèi)圈密封槽接觸面的接觸應力和等效應力分別如圖4，圖5所示。

圖4 接觸應力云圖

圖5 等效應力云圖

從圖中可以看出，改進前、后接觸應力分別為1.68，0.96 MPa;改進前、后等效應力分別為1.88，1.36 MPa;改進后密封結構的接觸應力及等效應力明顯小于原密封結構，從而使改進后軸承的摩擦力矩小于原軸承。

4 試驗分析

4.1 啟動扭矩

使用有定位指針的扭矩表測量，測量前扭矩表的定位指針和活動指針均調(diào)零，內(nèi)圈固定在扭矩表所夾持的芯軸上，測量時水平勻速轉(zhuǎn)動軸承外圈，當扭矩表顯示穩(wěn)定的最大值時，其值即為測量值，測量示意圖如圖6所示。

圖6 扭矩測量示意圖

改進前、后軸承的啟動扭矩測量值見表2，密封結構改進后的軸承啟動扭矩較低，降低了約47.2%。

表2 啟動扭矩測量值

4.2 旋轉(zhuǎn)扭矩

試驗條件為：徑向力Fr=120 N,內(nèi)圈轉(zhuǎn)速800 r/min,室溫,試驗時間10 min。試驗原理如圖7所示，裝入2套相同的待測軸承，施加徑向力，電動機驅(qū)動內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，測量扭矩。

圖7 旋轉(zhuǎn)扭矩試驗原理圖

改進前、后軸承的旋轉(zhuǎn)扭矩測量數(shù)據(jù)見表3，密封結構改進后的軸承旋轉(zhuǎn)扭矩更低，降低了約72.0%。

表3 旋轉(zhuǎn)扭矩測量值

4.3 高溫變速漏脂測試

將裝有被測軸承的張緊輪安裝在張緊輪變速試驗臺上，6套一組，通過編程自動控制軸承的轉(zhuǎn)速變化。試驗條件為：環(huán)境溫度110 ℃，徑向載荷600 N，外圈旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速變化如圖8所示。變化過程如下：1)從0加速到7 000 r/min，加速時間為15 s；2)7 000 r/min維持60 s；3)從7 000 r/min減速到2 500 r/min，減速時間為5 s；4)2 500 r/min維持30 s；5)從2 500 r/min加速到7 000 r/min，加速時間為5 s。重復步驟(2)～(5)直至40 h。

圖8 轉(zhuǎn)速變化圖

密封結構改進前、后軸承的高溫變速漏脂試驗結果見表4。結果表明：2種密封結構軸承都符合要求。

表4 漏脂試驗對比

4.4 浸油試驗

試驗條件為：將軸承浸入Fuchs 03WC油中，室溫，內(nèi)圈以2 000 r/min旋轉(zhuǎn)，運轉(zhuǎn)24 h。試驗原理如圖9所示。通過試驗，改進前、后的軸承內(nèi)部均未進入03WC油，抗液體進入性能相當。

圖9 浸油試驗原理圖

注：考慮稱重誤差及試驗過程中正常油脂量損耗，漏脂百分比不大于3%視為可接受。

4.5 高速耐久試驗

試驗條件為：轉(zhuǎn)速12 000 r/min，徑向載荷800 N，環(huán)境溫度100 ℃。張緊輪疲勞耐久試驗原理如圖10所示，1#～6#為測試軸承，7#～10#為輔助定位軸承，11#為驅(qū)動軸，F(xiàn)為浮動加載力。密封結構改進前、后軸承各測試6套。改進前軸承在未達到2 000 h前，有3套溫升超過150 ℃而停機，拆套分析發(fā)現(xiàn)主接觸唇磨損嚴重，油脂泄漏嚴重，內(nèi)、外圈溝道和鋼球表面由于高溫產(chǎn)生回火氧化。改進后軸承的運行時間均超過2 000 h，外圈溫度均未超過150 ℃，在運行到2 300 h后停機。

圖10 張緊輪耐久試驗機原理圖

5 結束語

通過對2種密封結構的有限元分析和軸承的5項對比試驗，結果表明，密封結構改進后軸承與原密封結構軸承相比，具有更低的啟動和旋轉(zhuǎn)扭矩，密封壽命更優(yōu)。密封結構改進后的6203PLLH軸承銷量已達800余萬套，市場證明其滿足高端汽車張緊輪的應用要求。