圆柱滚子轴承内圈脱出问题的解决

刘玉舒　蓝余永　李良　文敏　郑荣亮

摘 要：汽车变速器产品中，传动系统大多采用滚动轴承对转动的轮轴进行支撑，以保证旋转轮轴的传动稳定。一款使用圆柱滚子轴承支撑传动轮轴的无级自动变速器在试验过程中出现轴承内圈脱出问题，本文通过传动轴布置结构分析及CAE辅助计算分析，研究圆柱滚子轴承脱出故障，找出问题原因和解决方法。

关键词：无级自动变速器;轴承;脱出

1 引言

汽车变速器产品种类中，无级自动变速器（简称：CVT，以下都使用简称。）因其舒适性和自动性以及相对简单的结构在行业中应用越来越大。在CVT结构中，主动轮轴接受输入的动力扭矩，通过钢带将扭矩传递到从动轮轴。主动轮轴和从动轮轴通都常采用2套轴承进行径向和轴向的支撑，若轴承与轴及轴承座之间有固定结构无相对轴向移动，则称为“固定端轴承”，轴承与轴及轴承座之间无固定结构可进行相对轴向移动的则称为“自由端轴承”。目前大多厂家的CVT产品的结构设计中都是一端固定另一端自由的主、从动轮轴轴承。在某个公司的某款CVT产品的台架验证中出现故障问题，拆解发现主动轮轴的自由端的圆柱滚子轴承内圈脱出。为解决轴承内圈脱出问题，对系统进行分析研究。

2 故障现象及影响分析

2.1 故障现象

故障件从整箱内拆出检查，如图1所示，发现主动轮轴的圆柱滚子轴承内圈脱离内侧所贴平面位置3mm，此类型的故障现象在样机试验阶段连续出现两次。

2.2 影响分析

由于圆柱滚子轴承属于分体式轴承，即内圈、外圈可分离，外圈由卡簧固定在相邻壳体上，若内圈脱出一定距离，滚子与轴承内圈滚道面未进行全长度接触，在载荷下轴承会出现异常振动，该振动会影响变速箱整箱运行，产生不良噪音，影响用户体验与使用。

3 故障原因探索

3.1 系统结构分析

如图2所示，根据结构设计，主动轮轴的两端轴承，固定端采用深沟球轴承，自由端采用圆柱滚子轴承。深沟球轴承受到钢带产生的径向力以及主轴油压产生轴向力。圆柱滚子轴承仅受到从轮轴传递过来的钢带拉力，无轴向力施加到此轴承上，即圆柱滚子轴承不会受到轴向力使其脱出。

3.2 原因分析

从机械原理可以得知，两个过盈配合的零件使用过程出现了脱离，要么是零件制造超差，使紧固力减小不足，要么是设计的配合过盈偏小使产生的紧固力不足，零件工作中产生的推力大过了紧固力，从而使零件送动脱移。轴承的脱出原因基于这个思路进行探寻。

3.2.1 尺寸检测

若零件尺寸不合格，则有导致轴承内圈脱出风险。对两个样机的轴承配合件进行测量，结果如表1所示，零件尺寸符合设计要求，可排除该因素影响。

3.2.2 结合力计算

轴承内圈与轮轴是过盈配合，内圈脱出的原因可能为设计的过盈量不足。检查轮轴与轴承的尺寸设计，发现二者之间在极限状态下的最小过盈量为0.002mm，此时轴承内圈与轮轴的结合力可通过以下公式（1）进行计算：

根据计算可知，轴承与轮轴的过盈量为0.002mm时，结合紧固力P为23.73N，此值过于小，容易使主动轮轴对轴承内圈的紧固固定不足而造成轴承脱出。但在前面的结构分析中，圆柱滚子轴承是不受轴向力的，貌似还不能说明结合力小就会产生脱出问题，问题需要更深一步的探究。

3.2.3 轮轴与轴承受力CAE分析

按照图2结构建立模型，运用计算机软件进行CAE分析。根据CAE计算分析结果，轮轴未受到钢带拉力作用时的状态如图3所示;轮轴在受到钢带拉力作用下的状态如图4 所示，轮轴受力时会产生一定的弯曲变形，进而对轴承产生轴向力。

同时，主动轮轴的CAE分析结果显示，接触钢带的锥面法兰也产生变形，如图5所示，最大钢带拉力产生的轴承位置变形为0.084mm。锥面法兰的变形也对轴承产生轴向力。

3.3 原因确认

根据上述的分析可知，在钢带拉力作用下，轮轴与圆柱滚子轴承之间不会完全不存在轴向力的产生，再加上产品制造及装配的误差，轴向力会加大。当轮轴受力运转及制造误差造成的轴向力总和大过轴承的结合紧固力时，轴承就会在轮轴上的原始位置发生滑移。

轮轴变形产生的轴向力的数值计算比较复杂，此处就不作具体推导计算。从CAE分析的结果——主动轮轴的锥面法兰轴承位处有0.084mm变形可知轴向力不会太小，轴承与轴的最小过盈量结合紧固力23.73N与其相比肯定微乎其微。

由此，可以确认，此CVT产品在台架试验出现的主动轮轴的圆柱滚子轴承内圈脱出的故障原因，是零件设计给定的轴承与轮轴的配合过盈量不足，同时结构设计上没有轴承在轮轴上的限位防脱结构。

4 解决方案及验证

4.1 解决方案

针对上述确认的两个方面原因，制定出解决问题的两条措施：

a）增大轴承内圈与轮轴的过盈量。调整轮轴对轴承配合处的直径公差，将使轮轴与圆柱滚子轴承的最小配合过盈量值由0.002mm增加到0.011mm。

b）对轴承内圈增加一个限位防脱结构。在轮轴上轴承配合外侧位置增加一个挡圈槽，装上挡圈，对轴承内圈进行限位，防止内圈脱出，如图6所示。

4.2 措施验证及效果

采用上述两条措制造出新的CVT样件产品，重新进行完整的台架试验，在后续所有样件的试验过程中，再无轴承脱出故障问题，确认了对问题的原因分析正確，以及制定的改进措施有效，可以应用到生产产品。

5 结束语

在CVT以及其他类型变速器产品结构中，不可避免地要使用轴承来对轮轴系统进行支撑，当使用圆柱滚子轴承时，需考虑到轮轴的工作弯曲变形对轴承内圈的影响。在无法避免或改善轮轴变形的情况下，增加一个挡圈防止轴承内圈脱出是一个较为直接有效的解决方法，可为大家提供解决类似问题提供参考。

参考文献：

[1]尤绍军，轴承内圈与轴的配合过盈量分析[J].轴承，2011年10期：12-13.

作者简介

刘玉舒：（1992—），女，广西柳州人，本科，工程师，现任职于柳州上汽汽车变速器有限公司柳东分公司，主要从事自动变速器无级传动系统开发的工作。