万向节十字轴滚针轴承结构优化

王多亮

（哈尔滨轴承集团公司 制造技术部，黑龙江 哈尔滨150036）

万向节十字轴滚针轴承结构优化

王多亮

（哈尔滨轴承集团公司 制造技术部，黑龙江 哈尔滨150036）

摘 要：针对某型车用万向节十字轴轴承出现温升异常的现象，对其产生的原因进行了分析，并对轴承进行了优化设计，使轴承温升满足了设计要求。

关键词：万向节；滚针轴承；优化设计；温升

1 前言

万向节轴承指的是利用球型或其他滚动装置实现一些轴线相交或相对位置经常变化的转轴之间的动力传递，是汽车上的一个很重要部件。万向节与传动轴组合，称为万向节传动装置。万向节的结构和作用有点像人体的关节部位，它允许被连接的零件在一定角度范围内摆动，来满足动力传递、适应转向和车辆运行时所产生的上下跳动所造成的角度变化。

2 失效轴承故障现象

失效万向节十字轴轴承应用在时速200km的某型车辆上，结构见图1。十字轴上、下、左、右轴承套端面均贴有温度感应贴片，该组件在使用中经常发生一个十字轴四个轴套中某一个轴套温度异常升高导致温度感应贴片变色的现象，导致车辆不能正常行驶，甚至出现危及乘车人员生命财产安全的问题。

图1 万向节十字轴轴承结构

3 失效轴承故障分析

3.1 失效轴承结构

失效轴承为一个十字轴带4个轴承，轴承为自密封满装滚针结构，见图2。

十字轴四个轴端分别开轴向油孔，四个油孔与十字轴中央的注油孔相通（见图3），通过该油孔分别给4套轴承同时注脂。

每个轴端配一个轴套。轴套一端开口，一端为盲端（见图4）。轴套的内部滚动通过滚针与轴配合，传递载荷。

轴套与十字万向轴轴肩部位的配合部位采用注塑密封件进行接触式密封。密封由外部的密封圈与内部的密封环共同形成迷宫式密封，防止轴承工作时油脂溢出以及水、灰尘、异物进入，结构见图5。

图2 十字轴外形结构

图3 十字轴注油孔

图4 轴套

图5 密封结构

3.2 失效轴承故障分析

个别轴承在车辆行驶中出现温度贴片或红外线检测十字轴万向节轴承某个轴端的温度超过80℃，造成车辆减速行驶或停车。

后对超过规定温度的十字轴进行分解检查。分解后发现温度超标的轴端轴套内润滑脂较少或者没有润滑脂，甚至个别出现分流片磨损及轴径磨损现象。

原因分析。该结构设计为通过十字轴中央的注脂孔分别给四个轴套进行注脂，由于四个轴套与密封件配合的过盈量存在微小差别，导致油脂溢出密封件处所需的压力有所不同。进行油脂溢出检查时，在油压一定，轴套内部压力不完全相同的工况下，注脂不能从四个轴套同时溢出，油脂只能通过压力较小的的轴套溢出，导致部分轴套油脂量过少或者没有，在车辆运行过程中造成润滑不良，摩擦增大，轴承温度过高，影响车辆的安全运行。

4 新结构设计

万向轴为电机与齿轮箱连接、传递扭矩的重要部件。原电机端十字轴有防护罩，不与外界产生碰撞，但空间狭小维修注脂不方便。原齿轮箱端离地面较近、无防护，容易被飞起的石子击中，但是维修注脂方便。

新结构是在每个轴套的盲孔端设计有单独的注油孔，同时将十字轴的油孔堵塞，使每个轴套形成单独的油路，油封设计为多唇口的结构，其内、外封口分别与十字轴轴头的中台肩和小台肩过盈配合。改进后的十字轴具有结构合理、密封性好、磨损小、使用寿命长等特点，尤其适用于在较恶劣的环境中使用。

4.1 注油孔端设计

4.1.1 齿轮箱端

轴承盲孔端为单套注脂，设计注脂嘴保护结构，防止注脂嘴在动车运行过程中被飞起的石子击损（见图6）。

4.1.2 电机端

轴承盲孔端为单套注脂，设有凸台（见图7），油嘴轴向安装便于注脂。

图6 带防护环的轴套

图7 带凸台的轴套

4.2 内部设计

原轴承套圈内部无挡边，滚针靠间隔环进行定位和引导（见图8）。

图8 套圈内部无挡边结构

优化设计的轴承外套为双挡边引导结构（见图9）。该结构有利于弹性油膜润滑的形成，较少不良润滑的发生，引导挡边尽量减小滚子的歪斜，延长轴套的寿命。同时滚动体与油脂分流片不接触，确保油脂储存和分流效果。

盲孔内端面采用油脂分流片（见图10），分流片上设计有油脂流通通道，用于油脂均匀分流。

图9 双引导边结构

4.3 密封设计

密封采用三层迷宫密封结构，油脂在离心力作用下不会外溢（见图11），并避免外界异物的进入。

密封件与轴套的配合采用嵌入式配合（见图12）。在轴套的相应位置设计有360°凹槽，密封圈的6个凸台嵌入到凹槽内，避免注脂时油脂的压力将密封件挤出。

5 热工艺研究

GCr15马氏体淬火后脆性大，在伴随冲击载荷的情况下容易导致产品脆裂。贝氏体淬火与常规马氏体淬火相比，耐磨性相当、抗弯强度提高15%，冲击韧度比常规淬、回火马氏体高2倍以上。下贝氏体等温淬火可以减少热应力和变形，使零件表面呈压应力，从而提高了轴承寿命和可靠性。下贝氏体等温淬火后零件硬度均匀性好，淬硬层深，有利于接触疲劳寿命的提高，不易产生淬火裂纹。高碳铬轴承钢贝氏体淬火后组织为下贝氏体+未溶解碳化物以及残留奥氏体所组成，因残留奥氏体含量很低，具备较高的尺寸稳定性，力学性能良好。

经过多次的试验证明，GCr15贝氏体等温淬火方式更适应本工况要求。

图12 密封件与轴套嵌入式配合

6 试验

产品通过安装、回转、动平衡、注脂等验证，结构设计符合要求。装车运行温升都未超过20℃，设计满足用户要求。

7 结束语

本设计方案由于轴套采用双挡边、增加注脂嘴数量等设计方案会增加产品的整体成本，但是十字轴轴端单独注脂润滑的方式将保证每个轴碗内部的油脂量充足，避免缺脂或无润滑脂的情况发生，减少或避免因润滑脂缺失造成的行车安全问题。

（编辑：钟媛）

中图分类号：TH133.33+2

文献标识码：B

文章编号：1672-4852（2016）02-0003-03

收稿日期：2016-04-19.

作者简介：王多亮（1980-），男，工程师.

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