王多亮

（哈爾濱軸承集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036）

萬向節(jié)十字軸滾針軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王多亮

（哈爾濱軸承集團(tuán)公司 制造技術(shù)部，黑龍江 哈爾濱150036）

摘 要：針對某型車用萬向節(jié)十字軸軸承出現(xiàn)溫升異常的現(xiàn)象，對其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并對軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使軸承溫升滿足了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：萬向節(jié)；滾針軸承；優(yōu)化設(shè)計；溫升

1 前言

萬向節(jié)軸承指的是利用球型或其他滾動裝置實(shí)現(xiàn)一些軸線相交或相對位置經(jīng)常變化的轉(zhuǎn)軸之間的動力傳遞，是汽車上的一個很重要部件。萬向節(jié)與傳動軸組合，稱為萬向節(jié)傳動裝置。萬向節(jié)的結(jié)構(gòu)和作用有點(diǎn)像人體的關(guān)節(jié)部位，它允許被連接的零件在一定角度范圍內(nèi)擺動，來滿足動力傳遞、適應(yīng)轉(zhuǎn)向和車輛運(yùn)行時所產(chǎn)生的上下跳動所造成的角度變化。

2 失效軸承故障現(xiàn)象

失效萬向節(jié)十字軸軸承應(yīng)用在時速200km的某型車輛上，結(jié)構(gòu)見圖1。十字軸上、下、左、右軸承套端面均貼有溫度感應(yīng)貼片，該組件在使用中經(jīng)常發(fā)生一個十字軸四個軸套中某一個軸套溫度異常升高導(dǎo)致溫度感應(yīng)貼片變色的現(xiàn)象，導(dǎo)致車輛不能正常行駛，甚至出現(xiàn)危及乘車人員生命財產(chǎn)安全的問題。

圖1 萬向節(jié)十字軸軸承結(jié)構(gòu)

3 失效軸承故障分析

3.1 失效軸承結(jié)構(gòu)

失效軸承為一個十字軸帶4個軸承，軸承為自密封滿裝滾針結(jié)構(gòu)，見圖2。

十字軸四個軸端分別開軸向油孔，四個油孔與十字軸中央的注油孔相通（見圖3），通過該油孔分別給4套軸承同時注脂。

每個軸端配一個軸套。軸套一端開口，一端為盲端（見圖4）。軸套的內(nèi)部滾動通過滾針與軸配合，傳遞載荷。

軸套與十字萬向軸軸肩部位的配合部位采用注塑密封件進(jìn)行接觸式密封。密封由外部的密封圈與內(nèi)部的密封環(huán)共同形成迷宮式密封，防止軸承工作時油脂溢出以及水、灰塵、異物進(jìn)入，結(jié)構(gòu)見圖5。

圖2 十字軸外形結(jié)構(gòu)

圖3 十字軸注油孔

圖4 軸套

圖5 密封結(jié)構(gòu)

3.2 失效軸承故障分析

個別軸承在車輛行駛中出現(xiàn)溫度貼片或紅外線檢測十字軸萬向節(jié)軸承某個軸端的溫度超過80℃，造成車輛減速行駛或停車。

后對超過規(guī)定溫度的十字軸進(jìn)行分解檢查。分解后發(fā)現(xiàn)溫度超標(biāo)的軸端軸套內(nèi)潤滑脂較少或者沒有潤滑脂，甚至個別出現(xiàn)分流片磨損及軸徑磨損現(xiàn)象。

原因分析。該結(jié)構(gòu)設(shè)計為通過十字軸中央的注脂孔分別給四個軸套進(jìn)行注脂，由于四個軸套與密封件配合的過盈量存在微小差別，導(dǎo)致油脂溢出密封件處所需的壓力有所不同。進(jìn)行油脂溢出檢查時，在油壓一定，軸套內(nèi)部壓力不完全相同的工況下，注脂不能從四個軸套同時溢出，油脂只能通過壓力較小的的軸套溢出，導(dǎo)致部分軸套油脂量過少或者沒有，在車輛運(yùn)行過程中造成潤滑不良，摩擦增大，軸承溫度過高，影響車輛的安全運(yùn)行。

4 新結(jié)構(gòu)設(shè)計

萬向軸為電機(jī)與齒輪箱連接、傳遞扭矩的重要部件。原電機(jī)端十字軸有防護(hù)罩，不與外界產(chǎn)生碰撞，但空間狹小維修注脂不方便。原齒輪箱端離地面較近、無防護(hù)，容易被飛起的石子擊中，但是維修注脂方便。

新結(jié)構(gòu)是在每個軸套的盲孔端設(shè)計有單獨(dú)的注油孔，同時將十字軸的油孔堵塞，使每個軸套形成單獨(dú)的油路，油封設(shè)計為多唇口的結(jié)構(gòu)，其內(nèi)、外封口分別與十字軸軸頭的中臺肩和小臺肩過盈配合。改進(jìn)后的十字軸具有結(jié)構(gòu)合理、密封性好、磨損小、使用壽命長等特點(diǎn)，尤其適用于在較惡劣的環(huán)境中使用。

4.1 注油孔端設(shè)計

4.1.1 齒輪箱端

軸承盲孔端為單套注脂，設(shè)計注脂嘴保護(hù)結(jié)構(gòu)，防止注脂嘴在動車運(yùn)行過程中被飛起的石子擊損（見圖6）。

4.1.2 電機(jī)端

軸承盲孔端為單套注脂，設(shè)有凸臺（見圖7），油嘴軸向安裝便于注脂。

圖6 帶防護(hù)環(huán)的軸套

圖7 帶凸臺的軸套

4.2 內(nèi)部設(shè)計

原軸承套圈內(nèi)部無擋邊，滾針靠間隔環(huán)進(jìn)行定位和引導(dǎo)（見圖8）。

圖8 套圈內(nèi)部無擋邊結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計的軸承外套為雙擋邊引導(dǎo)結(jié)構(gòu)（見圖9）。該結(jié)構(gòu)有利于彈性油膜潤滑的形成，較少不良潤滑的發(fā)生，引導(dǎo)擋邊盡量減小滾子的歪斜，延長軸套的壽命。同時滾動體與油脂分流片不接觸，確保油脂儲存和分流效果。

盲孔內(nèi)端面采用油脂分流片（見圖10），分流片上設(shè)計有油脂流通通道，用于油脂均勻分流。

圖9 雙引導(dǎo)邊結(jié)構(gòu)

4.3 密封設(shè)計

密封采用三層迷宮密封結(jié)構(gòu)，油脂在離心力作用下不會外溢（見圖11），并避免外界異物的進(jìn)入。

密封件與軸套的配合采用嵌入式配合（見圖12）。在軸套的相應(yīng)位置設(shè)計有360°凹槽，密封圈的6個凸臺嵌入到凹槽內(nèi)，避免注脂時油脂的壓力將密封件擠出。

5 熱工藝研究

GCr15馬氏體淬火后脆性大，在伴隨沖擊載荷的情況下容易導(dǎo)致產(chǎn)品脆裂。貝氏體淬火與常規(guī)馬氏體淬火相比，耐磨性相當(dāng)、抗彎強(qiáng)度提高15%，沖擊韌度比常規(guī)淬、回火馬氏體高2倍以上。下貝氏體等溫淬火可以減少熱應(yīng)力和變形，使零件表面呈壓應(yīng)力，從而提高了軸承壽命和可靠性。下貝氏體等溫淬火后零件硬度均勻性好，淬硬層深，有利于接觸疲勞壽命的提高，不易產(chǎn)生淬火裂紋。高碳鉻軸承鋼貝氏體淬火后組織為下貝氏體+未溶解碳化物以及殘留奧氏體所組成，因殘留奧氏體含量很低，具備較高的尺寸穩(wěn)定性，力學(xué)性能良好。

經(jīng)過多次的試驗(yàn)證明，GCr15貝氏體等溫淬火方式更適應(yīng)本工況要求。

圖12 密封件與軸套嵌入式配合

6 試驗(yàn)

產(chǎn)品通過安裝、回轉(zhuǎn)、動平衡、注脂等驗(yàn)證，結(jié)構(gòu)設(shè)計符合要求。裝車運(yùn)行溫升都未超過20℃，設(shè)計滿足用戶要求。

7 結(jié)束語

本設(shè)計方案由于軸套采用雙擋邊、增加注脂嘴數(shù)量等設(shè)計方案會增加產(chǎn)品的整體成本，但是十字軸軸端單獨(dú)注脂潤滑的方式將保證每個軸碗內(nèi)部的油脂量充足，避免缺脂或無潤滑脂的情況發(fā)生，減少或避免因潤滑脂缺失造成的行車安全問題。

（編輯：鐘媛）

中圖分類號：TH133.33+2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-4852（2016）02-0003-03

收稿日期：2016-04-19.

作者簡介：王多亮（1980-），男，工程師.

Structure optimization of universal joint cross shaft needle bearing

Wang Duoliang
（Manufacturing Technology Departnent，Harbin Bearing Group Corporation，Harbin 150036，China）

Abstract:For phenomenon of abnormal temperature rise of a certain type of automobile universal joint cross shaft bearing， the reasons were analyzed， and the design of bearing was optimized to the bearing temperature rise to meet the design requirement.

Key words:universal joint； needle bearing； optimizating design； temperature rise