整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承裝配技術(shù)

公平，劉璐，張傳偉

(1.中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司，哈爾濱 150025；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001)

1 概述

自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承(圖1)是在接觸表面粘結(jié)自潤滑襯墊以減小摩擦的球面滑動(dòng)軸承，具有擺動(dòng)速度低，尺寸大，質(zhì)量輕，承載大，抗沖擊，壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域[1]，尤其是各類飛機(jī)的承載系統(tǒng)和操作系統(tǒng)，是航空裝備的關(guān)鍵零部件。

圖1 自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

關(guān)節(jié)軸承主要裝配方法包括外圈開縫裝配、外圈帶裝球缺口裝配及收壓裝配，整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承無法采用上述方法將內(nèi)圈裝入外圈，需開展該類軸承的裝配技術(shù)研究。

2 自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承裝配原理

零件在拉伸(壓縮)時(shí)被拉長(壓寬)，然后在某一截面處變細(xì)，直至該處斷裂，該過程可分為彈性變形、屈服變形、均勻塑性變形及局部塑性變形4個(gè)階段。零件產(chǎn)生彈性變形時(shí)可恢復(fù)原狀，產(chǎn)生塑性變形時(shí)不可恢復(fù)原狀。為實(shí)現(xiàn)整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承裝配，需施加預(yù)載荷使軸承內(nèi)、外圈在彈性變形范圍內(nèi)發(fā)生變形[2]，完成內(nèi)、外圈裝配，如圖2所示[3]；但需確定滿足材料屈服極限條件下可施加的預(yù)載荷范圍和彈性變形區(qū)間。

圖2 自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承裝配原理示意圖

3 有限元分析

以某自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承為例，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。套圈材料為7075鋁合金，材料參數(shù)為：彈性模量71 020 MPa，泊松比0.33，密度2 700 kg/m3，屈服強(qiáng)度455 MPa，拉伸強(qiáng)度468.86 MPa?；贏NSYS軟件建立套圈及模具仿真分析模型，采用六面體單元對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

表1 自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

(a)外圈+模具 (b)內(nèi)圈+模具

預(yù)載荷作用下內(nèi)、外圈的變形及應(yīng)力云圖如圖4所示：1)內(nèi)圈最大變形量及等效應(yīng)力均在z方向(垂直于預(yù)載荷方向)，x方向內(nèi)圈向外擴(kuò)張，z方向內(nèi)圈向內(nèi)收縮；2)外圈最大變形量及等效應(yīng)力均位于z方向(垂直于預(yù)緊力方向)，x方向外圈向內(nèi)收縮，z方向外圈向外擴(kuò)張。

(a)內(nèi)圈

內(nèi)、外圈最大等效應(yīng)力和變形隨預(yù)載荷的變化曲線如圖5所示：

圖5 內(nèi)、外圈最大等效應(yīng)力和變形隨預(yù)載荷的變化曲線

1)隨預(yù)載荷增大，內(nèi)圈最大等效應(yīng)力和變形逐漸增大，預(yù)載荷增大至5.8 kN時(shí)，最大等效應(yīng)力趨近于材料屈服極限強(qiáng)度455 MPa，此時(shí)內(nèi)圈處于彈性極限，最大彈性變形量為1.29 mm，繼續(xù)增大預(yù)載荷，內(nèi)圈將產(chǎn)生塑性變形；

2)隨預(yù)載荷增大，外圈最大等效應(yīng)力和變形逐漸增大，預(yù)載荷增大至2.9 kN時(shí)，最大等效應(yīng)力趨近于材料屈服極限強(qiáng)度455 MPa，此時(shí)外圈處于彈性極限，最大彈性變形量為1.35 mm，繼續(xù)增大預(yù)載荷，外圈將產(chǎn)生塑性變形。

根據(jù)幾何關(guān)系(圖6)可得外圈溝底深度為2.4 mm，小于內(nèi)、外圈最大彈性變形量之和2.64 mm，軸承可以實(shí)現(xiàn)彈性裝配。

圖6 內(nèi)、外圈尺寸示意圖

4 實(shí)際裝配

內(nèi)、外圈預(yù)載荷施加裝置如圖7所示，通過螺紋桿上螺紋和螺母進(jìn)給對內(nèi)、外圈施加預(yù)載荷，使其產(chǎn)生彈性變形?？紤]外載荷會(huì)使套圈表面產(chǎn)生劃傷和壓痕，與套圈表面接觸的壓頭設(shè)計(jì)為圓弧形。內(nèi)、外圈分別施加5.6，2.8 kN的預(yù)載荷，內(nèi)圈收縮位置變形后最大直徑小于外圈擴(kuò)張位置變形后最小直徑，可以實(shí)現(xiàn)整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承裝配。裝配后的軸承如圖8所示，外觀良好，旋轉(zhuǎn)靈活。裝配前、后軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測值見表2，變化較小，滿足要求。

(a)內(nèi)圈

圖8 裝配后自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承

表2 裝配前、后自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承主要結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)測值

5 結(jié)束語

基于ANSYS建立整體式、無裝球缺口的自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承內(nèi)、外圈與裝配模具的仿真分析模型，得到了內(nèi)、外圈等效應(yīng)力和變形，確定了內(nèi)、外圈彈性變形量，制作了簡易預(yù)載荷施加裝置，實(shí)現(xiàn)了整體式、無裝球缺口自潤滑鋁合金關(guān)節(jié)軸承的裝配。該裝配方法可為該類軸承的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考。