【正文】 商臺灣立多祿工業(yè)股份有限公司，其生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)滾針是以軸承鋼（ JIS SUJ2/SAE 52100/DIN 100 Cr6 ）經(jīng)由熱處理與多次精密研磨而成，硬度為 HV 700~860 以上（ HRC 60~66 ）。精密級滾針直徑互差在 ，圓筒度、真圓度在 ，表面粗糙度小于 。 滾針凸度對軸承壽命的影響滾針軸承是摩托車發(fā)動機中重要的機械零部件，其壽命直接影響到發(fā)動機的工作性能。普通的直素線（無凸度）滾子軸承的滾子與滾道間的早期接觸疲勞點蝕和磨損常常發(fā)生在滾子或滾道靠近滾子端部的區(qū)域，這是因為直素線滾子軸承在受載后滾子兩端不可避免地存在邊界應力集中，即所謂的“邊緣效應”。由于“邊緣效應”的影響，軸承的疲勞破壞常常過早地出現(xiàn)在滾針端部和滾道兩側(cè)?！斑吘壭钡漠a(chǎn)生使軸承的疲勞壽命大大降低，因為研究表明，軸承的壽命與應力的7次方成反比[7]。為了克服這種“邊緣效應”，人們進行了大量的理論分析和實驗研究[7]。早在19世紀30年代末Lundberg就提出了素線修形的基本理論，直至20世紀60年代SKF軸承公司進一步發(fā)展了滾子軸承的修形技術(shù)。通過使用特殊的滾子外廓曲面已經(jīng)可以避免或降低滾子和內(nèi)外圈接觸引起的邊界應力集中。 滾針凸度的合理設(shè)計滾子凸度設(shè)計包含凸型設(shè)計和凸度量計算兩部分，其中凸型研究是滾子凸度設(shè)計應用的基礎(chǔ)。在此以有限長圓柱滾子與彈性半無限體接觸為例，著重介紹滾子凸型對接觸壓力分布特性的影響，從而為凸度設(shè)計應用找到優(yōu)化凸型。滾子凸度一般有5種型式，即：直線型、圓弧半凸型、圓弧全凸型、修正線型和對數(shù)型。1）直線型滾子，凸型為直線（見圖35 a）。由于滾子兩端有突變的倒角，近似于直角邊緣，兩端出現(xiàn)嚴重的邊緣效應，壓力急劇增大，接觸區(qū)域急劇擴展，形成了接觸壓力的奇異分布區(qū)，造成該處的早期疲勞失效。當受到偏載荷時，滾子的邊緣效應急劇增大。因此在直母線圓柱滾子軸承安裝時，不允許歪斜，否則軸承會很快地疲勞損壞。 b. 全圓弧凸型結(jié) c. 圓弧修正線型滾子結(jié)構(gòu)圖35 幾種常見的滾子凸型結(jié)構(gòu)2）圓弧半凸型滾子，凸型由圓弧與直線截交形成。由于圓弧修型，避免了兩端的邊緣效應。但是圓弧與直線的交點處存在斜率的突變，出現(xiàn)了類似邊緣效應的結(jié)果，因而在此處也常常發(fā)生早期疲勞失效。當受到偏載荷時，它的適應性較直母線型滾子強，但比圓弧全凸型滾子差。3）圓弧全凸型滾子，凸型為一圓?。ㄒ妶D35b）。當凸度半徑取值合理時，即凸度量選擇合理，滾子全長接觸并且兩端無邊緣效應。但接觸具有點接觸的本質(zhì)，接觸區(qū)域為橢圓，接觸壓力按半橢球規(guī)律分布并容易引起傾斜。也正是由于此特點，它能適應一定的偏載負荷，這是此種凸度滾子的最大特點。4）修正線型滾子，凸型為兩段圓弧相切形成（見圖35c）。由于形成光滑連續(xù)的曲線，其切點附近基本不存在壓力奇異分布現(xiàn)象，但曲率有階躍，壓力集中現(xiàn)象并未完全消除。一般情況下，不存在壓力奇異分布現(xiàn)象，能滿足較高的精度要求，是目前應用較為廣泛、比較好的滾子凸型。5）對數(shù)母線型滾子，凸型為一條特殊對數(shù)函數(shù)曲線。該曲線在中部70%的長度上接近于直線，在滾子兩端曲率變化很快，接觸壓力沿長度方向均勻分布，是最為理想的壓力分布，最有利于承載。當受偏載荷時，它的壓力分布更優(yōu)于上述各種凸型的滾子。所以說對數(shù)母線滾子是最理想的凸度滾子。6）對數(shù)母線型滾子的優(yōu)越性。接觸壓力集中系數(shù)γ的對比(見表32)表32 接觸壓力集中系數(shù)γ的對比類型接觸壓力集中系數(shù)備注直線型兩端壓力奇異分布最大點在兩端圓弧半凸型兩交點處壓力奇異分布最大點在兩交點圓弧全凸型最大點在中間修正線型最大點在相切處對數(shù)型0均勻分布——接觸負荷分布的最大線負荷密度，N/mm——接觸負荷分布的平均線負荷密度，N/mm壽命對比試驗(見表33)表33 壽命對比試驗滾子類型對數(shù)型修正線型直線型L10壽命（107循環(huán)）壽命對比試驗再次證明，對數(shù)母線滾子的統(tǒng)計壽命最高，他們的L10壽命之比為，對數(shù)型∶修正線型∶直線型 = ∶∶1。因此，對數(shù)母線凸型是滾子凸度設(shè)計應用的優(yōu)選凸型。同時建議在廣泛采用對數(shù)凸型之前，滾子凸度設(shè)計應使用應力求凸型使曲線連續(xù)光滑，且其曲率變化應平緩。 目前設(shè)計在存在的問題目前，我國圓柱滾子軸承的使用壽命僅相當于發(fā)達國家同類產(chǎn)品的1/8~1/12，滾子的破壞比國內(nèi)外分別占80%%。其主要原因之一是國內(nèi)的滾子大都不帶凸度，致使軸承在運轉(zhuǎn)過程中滾子兩端出現(xiàn)邊緣效應，使?jié)L子兩端過早疲勞磨損而失效。經(jīng)過系統(tǒng)的論證滾子凸型對接觸壓力分布的影響，通過理論分析和壽命對比試驗得出：對數(shù)母線凸型是滾子凸度設(shè)計優(yōu)先選用的凸型。 目前，國內(nèi)的不少滾針生產(chǎn)廠家缺乏對滾針凸度的真正意義上的研究。沒有對滾針的凸型和凸度量系統(tǒng)的分析設(shè)計，導致滾針質(zhì)量較國外先進行業(yè)的同類產(chǎn)品的承載能力和使用壽命都有很大的距離。為提高滾針軸承產(chǎn)品的性能質(zhì)量及其配套產(chǎn)品的使用性能和可靠性，減少產(chǎn)品發(fā)生早期失效現(xiàn)象，滾針產(chǎn)品凸型最優(yōu)選擇和凸度量的優(yōu)化計算設(shè)計迫在眉睫。 改進意見 對于滾子出現(xiàn)的“邊緣效應”，凸度技術(shù)的應用是改變這一現(xiàn)象的有效措施。理論和實踐均表明，滾子表面的幾何特性，或者說其母線的型式對其承載能力和接觸疲勞壽命有決定性的影響?！巴苟燃夹g(shù)”包括：凸度型式設(shè)計到制造、檢測技術(shù)。對三輪摩托車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的實際載荷和受力情況進行具體的分析調(diào)查，并進行多體系統(tǒng)動力學仿真研究，根據(jù)三輪摩托車發(fā)動機復雜的結(jié)構(gòu)。最后進行計算分析及結(jié)果處理，建立研究三輪摩托車發(fā)動機的曲柄連桿總成的慣性力數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上運用ANSYS等有限元分析軟件對滾針設(shè)計各凸型和不同的凸度量運算分析，得出最優(yōu)的凸型和凸度量，從而減少甚至消除滾針的邊緣效應，增加滾針的承載能力和抗疲勞特性，提高滾針軸承的使用壽命，整體提高三輪摩托車發(fā)動機的性能和產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性，為三輪摩托車使用者提供更舒適的駕駛感受。 凸度滾子的接觸間題屬非Hertz彈性接觸問題。近20年來，隨著計算機硬軟件的發(fā)展，三維有限長彈性接觸問題的數(shù)值分析法研究已有長足進展，、幾何形狀與尺寸等靜態(tài)參數(shù)，并沒有考慮工作速度、潤滑劑特性等動態(tài)參數(shù)。眾所周知，滾動軸承一定是在潤滑條件下工作，其滾動體和滾道被彈流油膜所隔開，此油膜的厚度不僅與載荷和幾何尺寸有關(guān)，而且還與滾動速度和潤滑劑性能有關(guān)，而油膜的壓力分布也與靜彈性接觸狀態(tài)時不同。所以說不僅是接觸壓力的大小和分布，而且潤滑狀況和滾動速度均對其承載能力、速度性能、工作溫度和使用壽命有很大的影響，它們都是凸度滾子軸承設(shè)計的重要依據(jù)，故用三維有限長彈性接觸理論所得到的最佳凸度量沒有考慮到潤滑劑和滾動速度等因素對接觸壓力分布的影響，同時該方法也無法設(shè)計潤滑膜厚度。有限長線接觸彈流理論不僅可從最佳接觸壓力分布角度，而且也能從最佳油膜厚分布角度進行凸度設(shè)計，故對滾子滾道接觸副的凸度分析與潤滑設(shè)計，改善使用性能和提高使用壽命有重要的實際意義，是考慮因素更為全面的凸度優(yōu)化設(shè)計新理論。 盡管考慮凸度等實際因素的有限長線接觸彈流研究目前還處于艱難的探索中，然而畢竟已取得了相當大的進展，并且已從實驗和理想條件下的有限長線接觸彈流數(shù)值計算兩個方面證明： （1）對數(shù)凸型滾子的油膜形狀、油膜厚度均優(yōu)于用二次曲面修形的滾子，各種凸型滾子的凸度量對其端部的油膜厚度和膜形分布影響很大。 （2）通過比較可知，對于給定的工況條件，必定存在彈流膜厚度最厚和膜形最均勻的最佳凸度量，且此凸度量定大于在相同工況條件下用彈性接觸力學方法求得的最佳凸度量。[9]滾針的凸度決定了滾針軸承的與滾道間接觸壓力的分布狀況，是影響曲柄連桿總成的主要因素之一。改善滾針的凸度工藝技術(shù)，分析軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)對接觸應力分布的影響，提出對三輪摩托車適用的滾針凸度類型和凸度量，避免接觸壓力分布出現(xiàn)“邊緣效應”，提高連桿滾針軸承的性能和使用壽命。對相交圓弧修形輪廓和對數(shù)輪廓兩種凸形滾針，不同凸度量的對數(shù)輪廓滾針，以及不同載荷和速度下相同凸度量的對數(shù)輪廓滾針的擺動疲勞壽命試驗[10]證實：（1）對數(shù)輪廓滾針的潤滑狀態(tài)和承載能力明顯好于相交圓弧修形滾針；（2）凸度量不足會導致邊緣效應，但凸度量過大同樣會降低承載能力，對于確定工況凸度量存在最優(yōu)值；（3）對于凸度量相同的一組滾針，高速輕載工況下的承載能力明顯好于低速重載工況，這與高速輕載工況下的潤滑狀態(tài)較好有關(guān)。凸度設(shè)計屬于精細幾何設(shè)計，以微米為計量單位，它包含兩部分內(nèi)容：凸型選擇和凸度量設(shè)計。凸度量是距滾子或滾道端部距離處的輪廓表面在半徑方向上的跌落量（如圖36所示）。隨的不同而改變，其大小由軸承中承受載荷最大的滾子上所受的載荷和軸承的結(jié)構(gòu)形式來確定。圖36 凸度滾子參數(shù)定義滾針軸承有限長線接觸屬非Hertz彈性接觸問題。對于此類問題的研究，可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學分析中的影響系數(shù)法，將光滑表面彈性接觸問題的主導方程 (Fredholm積分方程) 311 離散為一組n階線性代數(shù)方程： 312 借助數(shù)值計算方法，能夠計算出滾針和滾道之間的接觸應力。式中：R——材料常數(shù)，與兩接觸體材料的彈性模量、泊松比有關(guān)；fij——影響系數(shù)，是作用于單元j上單位壓力，使單元i中心處產(chǎn)生z方向上變形，μm（計量單位）；pj——單元j中心的壓力樣本值，N；p——總的外載荷，N；δ——滾針和滾道之間相對彈性壓縮量，μm。同時，當單元j的面積為Aj時，接觸壓力應滿足平衡條件和物理條件滾針的凸度設(shè)計是提高軸承壽命和承載能力的重要措施，包括兩部分內(nèi)容：凸型選擇和凸度量計算。Lundberg于1939年利用彈性理論的勢函數(shù)法研究表明，滾子最佳凸度輪廓是對數(shù)型，對于長度小于滾道寬度的彈簧卡圈和沖壓套圈結(jié)構(gòu)滾針軸承中的滾針，給出了對數(shù)凸型的凸度量T的計算公式 314 式中 ；Q——作用在滾針上的最大荷載，N；L——滾針的有效接觸長度，mm； lt——滾針全長，mm；D——滾針直徑，mm。目前，滾針的凸度設(shè)計仍以靜彈性接觸理論為基礎(chǔ)，以有限長圓柱體與半無限體接觸為力學模型。隨著數(shù)值計算方法的發(fā)展，三維有限長彈性接觸問題數(shù)值分析的研究已成功地應用于滾子類軸承的凸度設(shè)計中[11]。 在滾針的凸度量設(shè)計過程中，應當結(jié)合滾針的實際加工需求，考慮滾針端部的倒角對凸度設(shè)計的影響，結(jié)合實際輪廓得出滾針的最佳凸度量，克服邊緣效應，使其在整個接觸長度上的壓力分布均勻。 滾針軸承保持器 滾針軸承中，保持器的主要功能是為確保滾針在運動中能與內(nèi)外軌道面成為線接觸狀態(tài)，使?jié)L針能承受大的負荷而不致于損壞。若是保持器各滾針槽孔的平行度不良或使用中保持器破損皆會使?jié)L針歪斜而與軌道面成為點接觸，致使?jié)L針折損破壞失效。在不同的使用環(huán)境，滾針軸承保持器，使用的材料分為低碳鋼、合金鋼、工程塑膠及鋁合金四種。一般而言，高速發(fā)動機用軸承應采用合金鋼或鋁合金的保持器，齒輪箱或中、低速用軸承可用低碳鋼或工程塑膠保持器。（工程塑膠材料保持器應考慮工作溫度）保持架的作用是分隔滾動體，將滾動體本身保持住或使其與一個套圈保持在一起，引導滾動體在正確的軌道上滾動。由于滾針軸承滾動體——滾針的徑向尺寸較小，因此，保持架的引導部分及保持部分的結(jié)構(gòu)尺寸均非常有限，有時往往相互矛盾。滾針軸承，在裝配之后的掉針問題(鎖針不可靠)及夾針問題(鎖針過度，滾針轉(zhuǎn)動不靈活)，是保持架制造工藝中的一個難點，而且，“掉針”或“夾針”往往形成一個矛盾，我們將其歸結(jié)為鎖針問題。保持架的作用是分隔滾動體，將滾動體本身保持住或使其與一個套圈保持在一起，引導滾動體在正確的軌道上滾動。由于滾針軸承滾動體——滾針的徑向尺寸較小，因此，保持架的引導部分及保持部分的結(jié)構(gòu)尺寸均非常有限，有時往往相互矛盾。滾針軸承，在裝配之后的掉針問題(鎖針不可靠)及夾針問題(鎖針過度，滾針轉(zhuǎn)動不靈活)，是保持架制造工藝中的一個難點，而且，“掉針”或“夾針”往往形成一對特殊矛盾，將其歸結(jié)為鎖針問題。 “M”型保持架保持架外型加工成 M 字型結(jié)構(gòu)，為最廣泛使用的摩托車發(fā)動機連桿大頭軸承，其特點是重量輕、剛性高，滾針與保持器自成一體，易于工裝。“M”型保持架多用于無套圈滾針軸承，其優(yōu)點是可以保持較多的滾針數(shù)，而且可以具有較大的滾針長度，因而能使軸承獲得最理想的負荷容量?！癕”型保持架一般采用沖壓方法加工，其工藝經(jīng)過如下幾個階段:沖壓成型→沖窗孔→成M型(同時形成內(nèi)外鎖口)，其鎖針原理如圖37所示。該工藝生產(chǎn)效率和材料利用率都較高，鎖針可靠，質(zhì)量較穩(wěn)定，但需多道沖壓工序，工藝復雜，且保持架強度需通過軟氮化處理，或氣體碳氮共滲處理，工藝成本較高。圖37 “M”型保持架鎖針原理 “K”型保持架“K”型保持架，一般用于無套圈滾針軸承，其優(yōu)點是剛性和強度都較高，常采用車制成型，工藝簡單：對于小尺寸軸承，“K”型保持架的優(yōu)越性更顯突出，在一些使用場合采用“K”形是最佳方案。生產(chǎn)中其鎖針問題可通過兩種途徑解決。（1）車成型——沖窗孔——滾壓鎖口滾壓鎖口工序一般在專用滾鎖口機上進行，也可以在車床上進行，內(nèi)外鎖口同時滾壓效果較好，要求正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)各兩次。此工藝的鎖針原理是利用滾輪的滾壓作用使鎖口部的金屬產(chǎn)生塑性變形，致使窗孔的內(nèi)外鎖口部分尺寸略微減小，即使鎖口尺寸略小于滾針直徑，達到鎖針的目的。該工藝對沖窗孔工序要求不太嚴格，且鎖針效果較好，國外應用較廣泛，國內(nèi)也有廠家使用。但存在問題是滾印的均勻性受保持架壁厚差的影響，故而影響鎖針質(zhì)量的穩(wěn)定性。（2）車成型——沖窗孔(同時形成內(nèi)外鎖口)該工藝是在沖窗孔工序中，一次沖壓出所需窗孔形狀(如圖38所示)，其中部為內(nèi)鎖口(BB剖視，使?jié)L針不致從內(nèi)徑方向掉出；其兩端為外鎖口和引導部(A—A剖視) ，通過一定的沖裁間隙，使保持架的切斷面形成斜面，一方面不使