6203PLLH张紧轮轴承密封结构的改进设计

2019-07-22赵坤张恒

轴承 2019年1期

赵坤，张恒

(慈兴集团有限公司技术中心，浙江宁波 315301)

发动机是汽车心脏，而张紧轮轴承是其动力稳定输出的关键零部件[1-5]。国内企业生产的张紧轮轴承寿命基本在(8～12)×104km，个别企业能达到(14～16)×104km，与国外一流主机客户20×104km以上的要求差距较大。张紧轮轴承运行在高速、高温的工况条件下，密封性能是影响轴承寿命的主要因素，故有必要对张紧轮轴承的密封结构进行改进设计。

1 轴承工况及设计要求

张紧轮的结构及安装位置示意图如图1、图2所示。张紧轮用深沟球轴承6203PLLH工况及设计要求为：1)转速0～12 000 r/min；2)工作环境温度-40～120 ℃；3)良好的密封性能，防漏脂、防杂质侵入；4)低的启动扭矩和旋转扭矩；5)长寿命,高可靠性(寿命20×104km以上)。

图1 张紧轮结构

图2 张紧轮安装位置示意图

2 密封结构设计

6203PLLH轴承在宽温度范围、高转速工况下工作，为确保高、低温环境下的密封圈性能保持稳定，选择ACM橡胶作为密封材料，并要求低的启动扭矩和旋转扭矩。较低的扭矩可有效减少密封圈的磨损，降低温升，从而延长密封圈寿命，使轴承密封更可靠。

为确保低的扭矩，可通过减少密封圈主接触唇与内圈防尘槽接触面的过盈量实现，但过盈量过小，会增大油脂泄漏风险。根据经验及试验可对过盈量进行改进设计，改进前、后的密封结构如图3所示。为增加外圈旋转时密封圈的紧固性，骨架外径改进为“两次折边”的结构，增大骨架外径，提高密封圈安装到外圈密封槽中的紧固性。

图3 密封结构

改进前、后的密封唇结构设计参数见表1。对套圈密封槽的要求：1)内圈密封槽与密封唇接触面的表面粗糙度Ra≤0.63 mm；2)内、外圈密封槽的对称差不大于0.03 mm；3)内、外圈密封槽的深度差不大于0.02 mm。

表1 密封圈结构设计参数

3 有限元分析

以轴承各零部件的尺寸中间公差值建模，采用有限元软件ANSYS进行分析。改进前、后密封结构的主接触唇与内圈密封槽接触面的接触应力和等效应力分别如图4，图5所示。

图4 接触应力云图

图5 等效应力云图

从图中可以看出，改进前、后接触应力分别为1.68，0.96 MPa;改进前、后等效应力分别为1.88，1.36 MPa;改进后密封结构的接触应力及等效应力明显小于原密封结构，从而使改进后轴承的摩擦力矩小于原轴承。

4 试验分析

4.1 启动扭矩

使用有定位指针的扭矩表测量，测量前扭矩表的定位指针和活动指针均调零，内圈固定在扭矩表所夹持的芯轴上，测量时水平匀速转动轴承外圈，当扭矩表显示稳定的最大值时，其值即为测量值，测量示意图如图6所示。

图6 扭矩测量示意图

改进前、后轴承的启动扭矩测量值见表2，密封结构改进后的轴承启动扭矩较低，降低了约47.2%。

表2 启动扭矩测量值

4.2 旋转扭矩

试验条件为：径向力Fr=120 N,内圈转速800 r/min,室温,试验时间10 min。试验原理如图7所示，装入2套相同的待测轴承，施加径向力，电动机驱动内圈旋转，测量扭矩。

图7 旋转扭矩试验原理图

改进前、后轴承的旋转扭矩测量数据见表3，密封结构改进后的轴承旋转扭矩更低，降低了约72.0%。

表3 旋转扭矩测量值

4.3 高温变速漏脂测试

将装有被测轴承的张紧轮安装在张紧轮变速试验台上，6套一组，通过编程自动控制轴承的转速变化。试验条件为：环境温度110 ℃，径向载荷600 N，外圈旋转，转速变化如图8所示。变化过程如下：1)从0加速到7 000 r/min，加速时间为15 s；2)7 000 r/min维持60 s；3)从7 000 r/min减速到2 500 r/min，减速时间为5 s；4)2 500 r/min维持30 s；5)从2 500 r/min加速到7 000 r/min，加速时间为5 s。重复步骤(2)～(5)直至40 h。

图8 转速变化图

密封结构改进前、后轴承的高温变速漏脂试验结果见表4。结果表明：2种密封结构轴承都符合要求。

表4 漏脂试验对比

4.4 浸油试验

试验条件为：将轴承浸入Fuchs 03WC油中，室温，内圈以2 000 r/min旋转，运转24 h。试验原理如图9所示。通过试验，改进前、后的轴承内部均未进入03WC油，抗液体进入性能相当。

图9 浸油试验原理图

注：考虑称重误差及试验过程中正常油脂量损耗，漏脂百分比不大于3%视为可接受。

4.5 高速耐久试验

试验条件为：转速12 000 r/min，径向载荷800 N，环境温度100 ℃。张紧轮疲劳耐久试验原理如图10所示，1#～6#为测试轴承，7#～10#为辅助定位轴承，11#为驱动轴，F为浮动加载力。密封结构改进前、后轴承各测试6套。改进前轴承在未达到2 000 h前，有3套温升超过150 ℃而停机，拆套分析发现主接触唇磨损严重，油脂泄漏严重，内、外圈沟道和钢球表面由于高温产生回火氧化。改进后轴承的运行时间均超过2 000 h，外圈温度均未超过150 ℃，在运行到2 300 h后停机。