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滾針軸承額微動磨損和那些因素有關?

2020-12-01 11:04:41

在變速器中,滾針軸承的作用是支撐軸上的游動齒輪。其中,軸的外徑相當于滾針軸承的內滾道,齒輪的內孔相當于滾針軸承的外滾道,內、外滾道與滾針和保持架一起組成了一個完整的滾針軸承。

圖1滾針軸承

微動磨損是滾針軸承的主要失效形式之一,通常滾針的硬度比互相配合的軸外圓和齒輪內孔硬度略高,所以微動磨損通常會發生在與滾針接觸的齒輪內孔或軸的外圓部位



1、滾針軸承微動磨損產生的機制

變速器中的游動齒輪通常為斜齒輪,在傳扭運轉過程中,受力分析如圖3所示。其中,法向力Fn為齒輪的綜合受力;切向力Ft使齒輪傳遞扭矩;徑向力Fr使齒輪內孔對滾針施加壓力;由于齒輪軸向和徑向間隙的存在,軸向力Fn使齒輪沿軸向傾斜,運轉過程中形成擺動(如圖4所示)。齒輪在擺動過程中,齒輪內孔相對于滾針產生了徑向壓力作用下的小位移軸向往復運動,這種運動稱之為“微動”,因此產生的磨損,稱之為“微動磨損”。


微動磨損是一種分子磨損過程,即兩接觸面在垂直負荷下進行微小位移的往復運動,使接觸表面足以接近到范德瓦爾力起作用的程度,從而導致材料脫離母體,然后被氧化??梢钥吹?,微動磨損導致材料損失是化學(氧化)與機械(受載運動)共同作用的結果,機械作用將氧化層和吸附層刮掉,露出清潔而活潑的新鮮金屬表面。新鮮表面迅速吸附周圍氣體并發生氧化反應,這是化學作用。機械和化學作用交替造成材料損失。

2、微動磨損的影響因素及預防

從滾針軸承微動磨損的機制分析可以看出,最主要的影響因素有3個。它們分別是:徑向垂直載荷、往復運動的位移、循環次數。從摩擦學機制分析,磨損程度還受到材料硬度、表面粗糙度、潤滑等因素的影響。下面中華軸承網(華軸網)進行逐一分享。

2.1徑向垂直載荷

滾針軸承的徑向垂直載荷主要來源于齒輪的徑向力,徑向力越大,作用在接觸部位的壓力越大(小于4000MPa),越容易加劇相對運動時的磨損。齒輪的徑向力的大小是由所傳遞的扭矩決定的,通常不能改動,而接觸部位的壓力可以通過滾針軸承的優化來降低??蛇x擇的優化方案為:通過增加滾針長度、滾針個數、滾針直徑等方法,降低局部壓力,提升耐磨性,預防微動磨損。

2.2往復運動的位移

往復運動的位移是由滾針軸承的軸向間隙(0.15~0.45mm)和徑向間隙(0.015~0.058mm)引起的。間隙越大,往復運動的位移越大,速度越快,摩擦功越高,越容易引起局部的磨損??蛇x擇的優化方案有兩個:一個是通過提高齒輪和軸的軸向定位精度來降低軸向間隙(0.1~0.35mm);另一個是通過減小軸和孔的直徑公差或把軸和孔的直徑公差分組匹配來降低徑向間隙(0.009~.048mm)。通過間隙的優化,可顯著降低往復運動的位移,降低摩擦功,起到預防微動磨損的作用。

2.3循環次數

滾針軸承工作過程中,循環次數越高,微動磨損的程度越明顯。循環次數是由車輛的行駛里程 ( 3×105 km) 和速比 ( 隨車輛和擋位變化) 決定的。行駛里程越長,循環次數越多; 如果游動齒輪是主動輪,里程一定,速比越小,循環次數越少。這兩個參數都是由主機廠決定,行駛里程代表了車輛的壽命,通常不可改變。速比與整車的動力性和油耗相關,在征得主機廠同意的前提下,有時可做微小調整,以適當降低微動磨損的風險。

2. 4 材料表面硬度

在其他條件相同的條件下,材料表面硬度越高,防止微動磨損的能力就越高。滾針多為軸承鋼,硬度略高于齒輪和軸,所以微動磨損通常發生在齒輪內孔或軸的外徑上。齒輪和軸的材料 硬 度 取 決 于 材 料 型 號 ( 20CrMnTiH、20CrMo、18MnCr5等) 和熱處理條件 ( 通常為滲碳淬火) ??蛇x擇的優化方案是:適當降低回火溫度以得到更高的表面硬度 ( HV700 以上) ,提升耐磨性。

2. 5 表面粗糙度

提升表面粗糙度水平,可通過降低摩擦因數,減少摩擦功,從而達到抑制微動磨損的作用。磨削加工的內外滾道粗糙度可達到 Ra0. 4 μm,可基本滿足使用要求。在其他影響因素不夠理想時,有時也會產生微動磨損??蛇x擇的優化方案是:在工藝流程上增加精磨工序。適當提高齒輪內孔和軸外徑的粗糙度水平 ( Ra0. 2 μm) ,可以有效降低微動磨損的發生風險。

2. 6 潤滑

滾針軸承的潤滑通常是通過油孔把軸心的油導入滾道實現的。良好的潤滑可以確保在滾針和滾道之間形成油膜,降低摩擦因數,減少摩擦功,預防磨損產生??蛇x擇的優化方案是:首先,通過改善導油槽的深度和角度,把充足的潤滑油引導到軸心。其次,通過擴大軸上油孔的直徑或增加油孔個數,把充分的油量從軸心引導到軸承滾道處。最后,通過添加劑的調整,提高潤滑油的極壓性能,提高油膜的抗壓穩定性。從產品開發過程中微動磨損的發生、對策和試驗結果分析,充分地潤滑是避免微動磨損產生的最有效辦法之一。

3、其他加劇微動磨損的因素分析

3. 1 滾針與內、外滾道無相對轉動

滾針軸承的微動磨損痕跡通常是等距壓痕 ( 如圖 2 所示) ,這是因為變速器在掛上擋運轉時,滾針與齒輪內孔和軸一起公轉,滾針沒有自轉,而且滾針與齒輪內孔和軸的外徑沒有相對轉動。此時,滾針與齒輪內孔或軸的外徑圓周方向相對位置保持不變,只有軸向往復移動,因此出現等距壓痕。通過滾針軸承保持架開口或保持架剖分為兩半的方法,實現徑向的非對稱受力和重力、離心力的不平衡,從而強迫滾針與齒輪內孔或軸的外徑產生相對轉動,避免在同一位置長時間軸向摩擦形成微動磨損。這個辦法也是工程中常用來解決滾針軸承微動磨損的措施之一。

3. 2 與軸自身振動產生共振

由于加工誤差和裝配誤差原因,軸本身會在工作過程中產生偏心振動。這個振動的頻率如果與微動過程的振動頻率相同或接近,二者極易產生共振。一旦產生共振,會顯著加劇滾針軸承的微動磨損。通過提升軸的直線度加工精度和裝配同軸度精度可有效降低軸自身的振幅,從而達到削弱共振的目的。

微動磨損是滾針軸承的常見失效形式之一,通過對滾針軸承微動磨損機制的分析,找出了微動磨損的主要影響因素。通過對微動磨損各影響因素的作用原理的分析,從設計方面提出了避免微動磨損的多項預防措施。在這些預防措施中,改善潤滑結構實現充分潤滑和采用開口或剖分保持架實現滾針與內外滾道相對轉動是工程中最常采用也是最有效的措施。而降低滾針軸承的微動位移是在研究微動磨損機制的基礎上提出的新措施,為后續設計和市場問題的分析解決提供了新的思路。隨著對微動磨損機制的更深入研究,以及更多的工程實踐,還會有更多更好的優化措施被發現和提出,徹底規避微動磨損問題的發生。

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