轴承调隙用弹性隔套设计浅析

甘肃机电职业技术学院 陈亚军

1 弹性隔套应用现状

图1 康迈轮毂轴承模型

在成对使用的单列圆锥滚子轴承中间加装隔套，可有效保证轴承游隙的合理性。在提高轴承疲劳寿命的同时，可实现轴承游隙的免调整。美国康迈公司研制开发的Preset- plus 轮毂轴承，在进行游隙控制时，考虑实际工作温度、预紧等因素对工作游隙的影响在尺寸链控制的基础上又增加了一个可以预调整的弹性套圈（如图1 所示），较好实现了重卡轮毂轴承游隙的免调整。在国内，轮毂轴承的预调整方面也做了一些很有价值的探索，主要的轴承开发商已经开始免调整轴承的研究与开发，但还处于初期阶段，与国外有一定差距[1]。

2 弹性隔套生产应用特点分析

应用中发现，弹性隔套可以解决轴承装配高调整的麻烦，装配时，只需保证预紧力矩在合适范围，便可得到合理的轴承游隙；此外，弹性隔套还可以防止预紧力过大。防止轴承磨损发热，提高轴承寿命；另外，装有弹性隔套后，企业装配轴承时，操作相对简单，劳动强度低，生产效率高；所以，弹性隔套广泛应用于圆锥滚子轴承的调隙中[2]。

企业实际生产设计时发现，由于轴承游隙尺寸范围窄，受轴承工作环境的影响，隔套材料、形状、尺寸及所受载荷、温度及加工工艺的选择设计不当，都无法使其实现调整游隙的目的。

所以，尽管弹性隔套使用方便且能提高轴承疲劳寿命，但设计生产难度较大，只有合格的隔套才能实现轴承游隙的调整。

3 弹性隔套生产设计影响要素分析

3.1 弹性隔套结构设计

弹性隔套安装于成对使用的单列圆锥滚子轴承中间（见图2），既可对其两侧的轴承内圈提供稳定支撑，又可推动两内圈向两侧移动，进而实现轴承装配高即游隙的调整。

图2 带有弹性隔套的轮毂轴承结构图

按照需调隙圆锥滚子轴承及其安装轴自身的结构尺寸，通常设计弹性隔套两端尺寸内径与安装轴直径一致且与轴承间隙配合。由于轴径的不同，常设计为（图3）所示形状，长度及壁厚依其屈服应力设计（长度大于轮毂台间距L2，壁厚在2m左右）。

图3 弹性隔套结构模型

3.2 弹性隔套材料选择

弹性隔套通过螺母锁紧来支撑两轴承，拧紧锁紧螺母产生的轴向力按下式计算[3]：

式中：T 为螺母拧紧力矩；k 为扭矩系数；F 为轴向力；d 为螺栓公称直径。据研究[4]，螺母锁紧时产生的轴向力基本上用来使隔套屈服。隔套屈服即发生塑性变形时所需载荷及变形量的关系可利用实验法或有限元分析法，绘制出隔套所受轴向压力及其塑性变形量的曲线图（如图4 所示）。

图4 弹性隔套的压缩力与变形量关系曲线

弹性隔套在轴向压力作用下进入塑性变形阶段δ2后，在一定范围内随着变形量的增加，曲线趋于平缓，反作用力变化较小，此区间即为其使用范围。

此时，弹性隔套所需屈服压力F 为[4]：

式中：δ2为材料的屈服极限；A 为可压缩隔套的截面积A=π（r22- r12）。

其中，r2、r1分别为可压缩隔套外径与内径。所以，隔套设计时，其所受轴向压力F 必须介于使其发生稳定塑形变形的Pmax 和Pmin 之间，故可依据此来完成隔套材料的选取，依据A 来完成隔套厚度的设计。

3.3 弹性隔套长度的设计

（1）隔套长度L1 太大。隔套长度太大时，螺母按规定的预紧力拧紧后，不能将隔套压缩变形到位，使得两轴承外圈大端面无法与轮毂台间相接触，致使轴承装配

后存在窜动现象，易因轴承定位不稳定而导致车辆运行偏摆[5]。（2）隔套长度L1 偏小。当隔套长度偏小时，螺母按规定的预紧力拧紧后，隔套既不能起到支撑轴承内圈又不能使内圈向两侧移动的作用，轴承只会在预紧力的作用下使装配高和游隙严重减小，致使轴承“过紧”，导致启动力矩过大。车辆运行时，轴承易因磨损严重而出现点蚀、过早疲劳、过烧现象。（3）合格的隔套长度L1。当隔套被压缩δ2后，其长度等于轮毂台间距与两轴承内圈小端到外轴承外圈大端的轴向距离时，隔套长度L 合格，即：L=L1+δ2（L1=L2+ 两轴承内圈小端到外轴承外圈大端的轴向距离）。

其中：（1） 隔套长度压缩量δ2可通过试验法或利用有限元分析法进行测定。本文采用有限元分析法完成，首先完成隔套三维模型的绘制，再对隔套进行材料属性设置、网格划分、约束及小端轴向载荷F 的施加，接着在后处理中完成计算和轴向位移的显示及轴向位移与应力关系图的绘制，可得出隔套在F 作用下的位移量δ2，如图5 所示。（2）轮毂台间距L2 的测量可通过逆向扫描或三坐标测量法来精确测定。（3）轴承内圈小端到外轴承外圈大端的轴向距离，可在轴承宽度、合格的装配高、滚子长度、内外圈轴向尺寸间组成的封闭尺寸链中求解。

图5 弹性隔套的轴向位移图

4 结论

在成对使用的单列圆锥滚子轴承中加装弹性隔套可有效调整隔套游隙，从而提高轴承寿命及车辆运行稳定性。但隔套设计生产难度大、影响因素多，稍有不当，会使隔套发挥不了应有的作用。本文从隔套结构、材料、尺寸方面进行了浅显的分析，为隔套设计提供了理论指引。