某型发动机三联轴承结构改进报告

摘要：本文简要介绍了某型发动机三联轴承磨损故障原因及结构改进方案，并对改进后的结构进行了强度计算及滑油系统评估分析，更改后的结构及润滑系统能够满足发动机使用要求。

关键词：三联轴承;磨损;滑油系统

中图分类号：V263   文献标识码：A  文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

1 概述

三联轴承为某涡轴发动机测扭机构的重要组成部分，本文分析了三联轴承磨损的故障原因及其改进方案（三联轴承改为单个球轴承），并对改进后的结构进行了强度计算及滑油润滑评估分析。

2 结构简介

三联轴承（见图1）由三个角接触球轴承串联而成，安装在减速器中间齿轮腔后部，用于支撑测扭柱塞。该轴承内、外环都有螺母压紧。测扭柱塞内部安装有润滑导管，具体见图2。

3 三联轴承磨损原因分析

发动机起动和工作时，中间齿轮受到向前的轴向力，载荷通过三联轴承传递给柱塞，并由柱塞前的滑油压力平衡。发动机停车时，中间齿轮受到向后的轴向力。

三联轴承这种结构设计是为了让三联轴承分担中间齿轮向前的轴向力。三联轴承为三个轴承的组合，因此要求三个轴承间组配间隙合理。三联轴承如组配合格，三个内、外环彼此相互贴紧，在中间齿轮向前的轴向力作用下，轴向游隙可以同时消除，此时可均匀分担中间齿轮向前的轴向力。

所谓组配间隙是指三联轴承中的每一个轴承都消除轴向游隙后，外环端面相对内环端面的高度两两之差（见图1）。

如果三联轴承组配不合格，三个轴承将不能均匀分担中间齿轮向前的轴向力，并最终导致1#轴承磨损失效。在组配间隙合格的情况，轴承接触角的不一致也是导致轴承磨损剥落失效的潜在原因。由此可知，三联轴承结构对轴承的加工精度、装配精度要求极高，极小的偏差就可能引起三个轴承载荷分配不均而导致磨损。

4 结构改进方案

图2、3为三联轴承改进前、后结构示意图，改进内容如下：

（1）用1个球轴承代替原有的三联轴承;

（2）将螺母4改为了自锁形式;

（3）为满足改进后球轴承的装配与润滑需要，对中间齿轮、柱塞、润滑导管进行了适应性改进。

5滑油分析

轴承在工作时，滚珠与其滚道之间发生急剧的摩擦，产生摩擦热，如果产生的摩擦热不能有效地散发，轴承就会因过热产生早期报废，对系统的可靠性和使用寿命产生影响。因此，滑油系统对轴承进行润滑，既减缓滚珠与滚道之间的摩擦，也将大部分废热带走。对于计算轴承的滑油量是否满足要求，主要取决于滑油供给量和轴承发热量。

5.1供给量分析

（1）公式：按照下式（1）计算，可得到滑油的供给量：

（1）

式中：

m-孔径比系数，m= D2  / d2  ;

D-喷嘴内径;

d-润滑导管内径;

A0-喷嘴孔口面积，A0 =ЛD2  /4;

Cd-流量系数

ΔP-喷嘴油腔与机匣腔之间的压力差

ρ-滑油密度

（2）供给量分析：除了润滑导管与供给量相关外，其余零部件的更改与滑油量的供给无关。由于润滑导管只是调整了喷嘴的位置，其余尺寸未变，且工作环境一致，滑油牌号未变，根据公式可知供给量未变。具体相关参数和结论见表1。

（3）小结：根据以上分析，结构改进前后滑油供给量并未改变。

5.2载荷计算

5.2.1 受力分析

中间齿轮主要承受来自主动齿轮的轴向力Fa1，径向力Fr1，切向力Ft1;来自输出齿轮的轴向力Fa2，径向力Fr2，切向力Ft2;来自柱塞的轴向力Fa0（见图4）。

图4中间齿轮受力分析

根据齿轮所受切向力计算公式FT=2000*T/d及《齿轮手册》中轮齿受力分析图可知齿轮所受轴向力：

中间齿轮第一级斜齿轴向力：     （2）

第二级斜齿轴向力：     （3）

斜齿圆柱齿轮轴向力：Fa=Fa2-Fa1       （4）

式中：T1、T2    — 中间齿轮大、小齿轮传递的扭矩

d1、d2    — 中间齿轮大、小齿轮分度圆直径

β1、β2  — 中间齿轮大、小齿轮螺旋角

5.2.2 载荷分析

根据方案，改进前的三联轴承与改进后的滚珠轴承所受的轴向力一致，相关参数和结论见表2。

5.2.3 小结

根据以上分析，结构改进前后，轴承的所受载荷一致。

5.3需求量分析

此处滑油的供给主要用于润滑轴承，因此需对轴承的需求量进行分析。轴承的需求量主要取决于摩擦力矩，形成正比例关系。在軸承的摩擦力矩中，一是由载荷产生的摩擦力矩，二是由润滑油粘性产生的力矩，其中第二个力很小，可忽略不计。

5.3.1 公式

按照下式（5）计算得到滚动轴承摩擦力矩M，从而确定滑油需求量。

M=μ F d/2                            （5）

式中：

μ —摩擦系数

d —轴承内径

F —轴承所受载荷

5.3.2 需求量分析

根据轴承的工作状况，两处轴承所受载荷相同，工作环境一致，滑油牌号未变，根据公式可知轴承产生的力矩相同，而滑油的作用是通過滑油系统带走热量，滑油的需求量与力矩成正比例关系，滑油需求量未变，具体相关参数如表3。

5.3.3 小结

根据以上分析，结构改进后，润滑轴承的滑油需求量不变。

5.4结论

根据以上分析可知，单个滚珠轴承结构的滑油供给量和需求量保持不变，且润滑更加方便，改进后的结构能满足设计要求。

6 强度分析

由于改进前、后中间齿轮的齿面和幅板参数未变，且材料均为16Ni3CrMoE，因此只需要校核齿轮的内腔。用ANSYS对改进前、后的中间齿轮进行有限元计算，更改前中间齿轮与更改后中间齿轮的最大当量应力处基本一致，均为大端齿与腹板的转接处，分别为77.3 MPa和76.4 MPa，差异仅为1.16%。

对改进前、后中间齿轮的前端、小端齿、后端的对应应力点进行分析，可知两中间齿轮的应力差异很小，且应力值均不高，均在30MPa以下，满足使用要求。

7 结语

通过以上滑油系统评估分析及强度分析可知，用一个球轴承代替三联轴承承受载荷是可行的，能够满足发动机使用要求。

参考文献

[1]《齿轮手册（上下册）》[M].齿轮手册委员会，机械工业出版社，2004年2月1日.

收稿日期：2019-07-06

作者简介：张丽秀（1990—），女，汉族，福建漳州人，本科，技术员，工程师，研究方向：减速传动。