浅谈如何提升轴承游隙测量准确性

浅谈如何提升轴承游隙测量准确性

余佳 周勇 李凯

中车株洲电力机车有限公司  

[摘要]：本文旨在针对城轨车辆齿轮箱轴承组装的游隙调整及测量方面做出讲解，从工装改善、成组零部件尺寸保障及测量方法优化等方面着手系统提升配对单列圆锥滚子轴承游隙的准确性。

［关键词］齿轮箱、圆锥滚子轴承、游隙测量

［引言］轴承在机械设备中起着支撑转动的作用，可以有效保证回转部件的回转精度，减少零部件之间的磨损，在齿轮传动、回转机械结构中应用广泛，圆锥滚子轴承因其既能承受较大径向载荷，又能承受较大轴向载荷，在轨道交通车辆产品（动车组、电力机车、地铁、有轨电车、单轨车、齿轨车、磁浮列车）应用最广。

圆锥滚子轴承为便于装配及调整，通常是分离型的，即轴承的内外圈可以单独装配，装配时须进行轴承内部游隙的调整，正确的轴承游隙对于车辆驱动单元使用寿命及使用安全起着极为重要作用，不准确轻则对车辆舒适性产生影响、降低驱动单元产品使用寿命，重则影响车辆行车安全。

一轴承游隙在产品装配中的意义和作用

圆锥滚子轴承游隙的调整是其装配工作的一个重要环节。准确把握游隙调整的工艺概念，并且在装配工作中准确测量轴承游隙，是轴承装配质量的保证。圆锥滚子轴承游隙是指在一个套圈固定的情况下，另一个套圈沿径向或轴向的最大活动量，沿径向的最大活动量为径向游隙（Gr），沿轴向的最大活动量为轴向游隙（Ga）。轴承装配时，其游隙不能太大，也不能太小。游隙太大，会造成同时承受载荷的滚动体的数量减少，使单个滚动体的载荷增大，从而降低轴承的旋转精度，降低轴承使用寿命，游隙太大振动也随之增加，给产品本身带来的运用冲击也会造成产品达不到设计寿命；游隙太小，会使摩擦力增大，产生的热量增加，加剧磨损，造成轴承早期失效，大大降低轴承使用寿命及影响产品运用安全。

图1 圆锥滚子轴承的游隙

实际生产中，通常设计给定的轴承游隙范围仅有0.04-0.06mm，因此，圆锥滚子轴承在装配时要严格操纵和调整游隙。游隙的调整通常是采用配磨调整垫使轴承的内圈对外圈作适当的轴向相对位移的方法来完成的。精准控制轴承游隙难度非常之高，作业过程中常常导致配磨件返回供应商进行反复配磨，返工率达60%，作业效率低下；同时，轴承游隙质量特性极为重要，通过将圆锥滚子轴承游隙的调整至设计要求范围内，可以提高轴承的承载能力和旋转精度，大大提升轴承的使用寿命。因此，轴承游隙测量准确性对轴承本身使用寿命、对作业生产效率都起着至关重要的作用。

本文基于城轨齿轮箱产品，主要研究了配对双列圆锥滚子轴承轴向游隙测量及提升游隙测量准确性的操作方法。

图2 轴承布置结构示意图

二城轨齿轮箱轴承组件基本结构

城轨齿轮箱产品(以深圳五号线国产化齿轮箱为例）圆锥滚子轴承组件主要由圆锥滚子轴承、从动轴（车轴）、轴承挡边、齿轮箱、外端盖及密封环等六部分组成，具体结构如图3所示。圆锥滚子轴承采用背对背配对方式，轴承内圈安装在从动轴上，轴承外圈安装在齿轮箱中，通过配磨轴承挡边，调整轴承外圈与轴承内圈相对位置，从而达到控制轴承游隙符合设计要求。深圳五号线国产化齿轮箱产品轴承游隙要求0.08-0.12mm，游隙范围仅有0.04mm。

三轴承游隙值不准确引发的后果

3.1游隙值偏大

游隙值偏大，有效承载轴承滚子数量减少，造成单个滚子载荷较大，影响轴承使用寿命；同时游隙偏大将造成轴承晃动较大，运用时体现为齿轮箱晃动、各类零部件冲击较大，噪音明显变大，运行振动变大，影响车辆舒适性；零部件持续冲击造成疲劳变形或裂纹，导致齿轮箱静密封逐渐失效，继而引发漏油甚至螺栓松动及其他质量问题。

3.2 游隙值偏小

游隙值小，轴承摩擦力增加，运行过程中，工作温度上升游隙进一步减小，导致进一步加剧轴承摩擦，最终造成滚子或滚道表面磨损严重，进而产生胶合、剥离甚至轴承裂损，严重将造成轴承固死，对车辆行车安全造成极大威胁。

图4 轴承故障案例

四 提升游隙值测量准确性方法

4.1从游隙测量工装方面进行提升

原始测量方式是将整个车轴垂直吊起，受齿轮箱重心影响，齿轮箱会箱小轴侧发生偏斜，两侧百分表度数差异太太，车轴也无法处于竖直状态，准确性差，因而配磨挡边常常造成返工，返工率可达60%。为改变现状，制作齿轮箱固定工装，将齿轮箱固定在游隙测量平台上，再使用电子秤提升车轴，车轴在提升过程中可保持处于竖直状态，因而两块百分表示数差异较小，测量更精准。

4.2从游隙测量方法方面进行提升

为避免测量误差及测量偶然性，采用多次测量、更换不同厚度调整垫测量的方式，通过多组数据比对，确保调整垫厚度变化与游隙测量值变化呈规律线性变化，从而保证游隙测量准确。规范游隙测量操作流程，严格按操作流程分三阶段进行游隙测量及调整：

第一阶段，在安装较薄工艺轴承挡边后直接测出轴承初始游隙，此阶段轴承游隙较大，控制在比最终安装游隙值大0.1mm以上；第二阶段，根据第一阶段测量结果换装合适尺寸的工艺轴承挡边，再次进行游隙测量，保证两阶段测得的游隙值之差与工艺轴承挡边尺寸之差呈规律线性变化；第二阶段，配磨安装游隙目标值的轴承挡边，安装后再次进行游隙测量，确保游隙测量值变化与轴承挡边尺寸变化呈规律线性变化。

4.3从零部件装配关键尺寸管控提升

由于轴承游隙范围仅有0.04mm，各成组零部件相关尺寸必须进行严格检查。

1）零部件之定位销组装。

定位销贯穿轴承挡边和外端盖，加工不准有偏差或孔口有问题会造成外端盖无法完全贴死调整垫，在后续组装过程中受挤压，间隙会改变，游隙值跟着改变，不能准确测量出游隙值。在组装前先检查或试装挡边和外端盖是否轻松对准，保证两者无间隙方可正常组装。

 2）零部件之轴承挡边或调整垫尺寸检查。

轴承挡边或调整垫厚度须保证均匀，如尺寸差异较大、厚度不均匀或存在变形，将造成与轴承未能紧密贴合，导致游隙测量不准确，在运转后随着配件微动，轴承游隙变大。使用外径千分尺对调整垫及挡边厚度尺寸进行周向多点测量，各点尺寸差异不超过0.02mm，保证厚度均匀。测量齿轮箱内孔尺寸，保证齿轮箱内孔尺寸合格，如过盈量太大，在提升车轴时调整垫或轴承挡边无法正常轴向运动，游隙无法准确测量。

3）零部件之轴承热装。轴承内圈采用热套方式安装至车轴，在冷却过程中，由于表面毛刺及回弹现象，会造成轴承和定位端面产生不均匀间隙，间隙可达0.1mm甚至更大，在运用过程中轴承受载荷后慢慢游隙变大。因而，轴承热套后需要对轴承内圈进行保压，保压冷却后再使用0.02mm塞尺进行间隙测量，保证贴合。

五 总结

本文基于城轨车辆齿轮箱轴承组装的游隙调整及测量方面进行研究，从工装改善、测量方法及原材料尺寸管控等方面全面提升配对圆锥轴承游隙的准确性。通过提升游隙测量准确性，消除因测量不准造成的反复拆解对齿轮箱及配件的表面损伤，调整垫配磨更加精准，减少了现场的返工频次和作业时间，大大提升组装作业效率，一对齿轮箱可以按照工艺要求可保证游隙测量准确，调整垫或挡边配磨返工率几乎为0，相比之前作业效率提升约1倍。同时，轴承游隙值可以保证100%合格，大大降低城轨驱动齿轮箱产品的质量风险，消除了因轴承游隙不合格造成的质量隐患。