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汽車變速器中，傳統(tǒng)系統(tǒng)大多采用滾動軸承對轉(zhuǎn)動的輪軸進行支撐，以保證旋轉(zhuǎn)輪軸的轉(zhuǎn)動穩(wěn)定，這里采用的是圓柱滾子軸承支撐轉(zhuǎn)動輪軸的傳動穩(wěn)定，在使用過程中，發(fā)現(xiàn)圓柱滾子軸承內(nèi)圈出現(xiàn)了脫出現(xiàn)象。導致圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出的原因是什么？如果解決為最好的方案?下面本公司簡稱根據(jù)對軸承知識的了解，來分享相關(guān)內(nèi)容。
一、圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出故障現(xiàn)象及影響
故障件從整箱內(nèi)拆出檢查，如圖1所示，發(fā)現(xiàn)主動輪軸的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫離內(nèi)測所貼平面位置3mm。若圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出一定距離，滾子與軸承內(nèi)圈滾道面未進行全長度接觸，在載荷下軸承會出現(xiàn)異常振動，而該振動會直接影響變速箱整箱運行，產(chǎn)生不良噪音，從而影響正常使用。
圖1 圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出圖示
二、圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出故障原因分析
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，主動輪軸的兩端軸承，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受到軸向力使其脫出。
圖2 帶輪系統(tǒng)軸承受力示意圖
2、原因分析：從機械原理可以得知，兩個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，從而使零件送動脫移。軸承的脫出原因基于這個思路進行探尋。
1）尺寸檢測：
若零件尺不合格，則有導致軸承內(nèi)圈脫出風險。對兩個樣機的軸承配合件進行測量結(jié)果如表1所示，零件尺寸符合設(shè)計要求，可排除該因素影響。
2）結(jié)合力計算：
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)計的過盈量不足。檢查輪軸與軸承的尺寸設(shè)計，發(fā)現(xiàn)二者之間在極限狀態(tài)下的最小過盈量為0.002mm，此時軸承內(nèi)圈與輪軸的結(jié)合可通過以下公式(1)進行計算：
其中：
P - 內(nèi)圈與軸的結(jié)合力，N
d1 - 軸的直徑，mm
d2 - 軸承內(nèi)徑，mm
B - 軸承與內(nèi)圈接觸寬度，mm
E - 軸的彈性模量，Mpa
根據(jù)計算可知，軸承與輪軸的過盈量為0.002mm 時，結(jié)合緊固力 P 為 23.73N，此值過于小，容易使主動輪軸對軸承內(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)合力小就會產(chǎn)生脫出問題，問題需要更深一步的探究。
3）輪軸與軸承受力 CAE 分析按照圖2 結(jié)構(gòu)建立模型，運用計算機軟件進行 CAE 分析。根據(jù) CAE 計算分析結(jié)果，輪軸未受到鋼帶拉力作用時的狀態(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，輪軸受力時會產(chǎn)生一定的彎曲變形，進而對軸承產(chǎn)生軸向力。
圖 3 輪軸在未受到鋼帶拉力時狀態(tài)示意圖
圖4 輪軸在鋼帶拉力下變形示意圖
同時，主動輪軸的 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軸承產(chǎn)生軸向力。
圖5 帶輪軸變曲CAE分析云圖
3）原因確認
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，軸向力會加大。當輪軸受力運轉(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，軸承就會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)值計算比較復雜，此處就不作具體推導計算。從 CAE 分析的結(jié)果——主動輪軸的錐面法蘭軸承位處有 0.084mm 變形可知軸向力不會太小，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，此 CVT 產(chǎn)品在臺架試驗出現(xiàn)的主動輪軸的圓柱滾子軸承內(nèi)圈脫出的故障原因，是零件設(shè)計給定的軸承與輪軸的配合過盈量不足，同時結(jié)構(gòu)設(shè)計上沒有軸承在輪軸上的限位防脫結(jié)構(gòu)。
三、解決方案
針對上述確認的兩個方面原因，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) 對軸承內(nèi)圈增加一個限位防脫結(jié)構(gòu)。在輪軸上軸承配合外側(cè)位置增加一個擋圈槽，裝上擋圈，對軸承內(nèi)圈進行限位，防止內(nèi)圈脫出，如圖 6 所示。
圖6 擋圈安裝位置示意圖
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