自关节轴承装配方式及专用装配工装的设计和应用

摘要：自关节轴承是现代化机械设备当中的重要零部件，由于它在内外球面之间粘接有自材料，出于对自材料的保护，文章在装配内外圈时采用了新的装配方式，并为之设计了新型工装，既保护了自材料，又提高了装配效率。

关键词：自关节轴承；装配方式；装配工装

中图分类号：TH133 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）12-0025-03

1 概述

关节轴承是一种滑动轴承，其滑动表面是球面，主要由两个零件组成：一个是有外球面的内圈，另一个是有内球面的外圈。在通常的情况下，关节轴承是在作低速度的旋转、摆动或倾斜运动的，普通的关节轴承在工作时需要对其球面补充剂，以减轻内外球面在运动时产生的摩擦，随着技术的发展，产生了一种在内外球面之间粘接有自材料的关节轴承，其在工作时不用对其球面补充剂，称为自关节轴承。衬垫型自关节轴承是一种典型的自关节轴承，其内外圈之间粘接有由自材料制成的衬垫，在众多的衬垫材料中以聚四氟乙烯（PTFE）纤维编织复合材料性能较佳，它不仅摩擦系数低，并且有较高的强度。其自及耐磨损性能非常好，承载能力高，耐腐蚀，被广泛应用于航空、航天、电力、重载设备、生物医药和纺织等机械

设备。

①关节轴承外圈；②聚四氟乙烯纤维编织复合材料

图1

2 自关节轴承的装配方式的确定

自关节轴承的外圈与非自关节轴承的外圈是一样的，同样具有引裂槽，在内圈压配入外圈前也需要先将外圈进行开缝。非自关节轴承的内外圈球面是钢对钢接触，所以非自关节轴承在接下来的工序将内圈压配入外圈中较为简单，通常是将内圈放置于外圈上面，利用冲床将内圈直接冲压入外圈完成内外圈的装配过程。但是对于自关节轴承来说，因为其外圈内球面粘接有聚四氟乙烯（PTFE）纤维编织复合材料，如果内圈用与非自关节轴承一样的冲压方式进行装配，这时由于内圈在滑入外圈的过程中对外圈有一个撑开的作用力，外圈对内圈同样施加一个反作用力，这个作用力与反作用力是比较大的，会对自材料产生较大的撕扯，轻者对自材料表面产生破坏，重者可能将自材料整片撕扯下。所以不能用常规的装配方式来装配自关节轴承。

为了保护外圈内球面的自材料，必须使内圈在滑入外圈的过程中对外圈里面的自材料没有任何破坏。为此我们想到一个新的装配方式，其装配原理如下：设计一种V形插刃，利用V形插刃的尖刃插入外圈的引裂槽中，利用V形插刃的斜面对引裂槽进行撑开，使外圈端面入口扩大，然后将内圈放入已被撑开的外圈中，当外圈的入口直径大于内圈的最大圆截面直径（约为内圈的球径）时，内圈就可以放入外圈中，让内外圈球心基本重合时，再慢慢抽出V形插刃，外圈恢复原位，这样，内外圈就完成了配套。这种装配方式其优点是在装配的过程中对自材料保护较好，不会对自材料产生损害。但在装配时应注意内圈要避免与V形插刃相碰。

3 工装的设计

3.1 V形插刃的设计

V形插刃在装配过程中主要起到两个作用：一个是利用尖刃插入外圈的引裂槽，一个是利用斜面撑开外圈的引裂槽，因此V形插刃的关键参数是尖刃形状、斜面角度、材料和热处理硬度。

尖刃形状：因关节轴承外圈的引裂缝只是一条细缝，V形插刃要想插入其中，其尖刃必须呈一字锋尖，且不能严重钝化或在尖刃上出现平面。

斜面角度：从上面的分析可知斜面的作用是将引裂槽撑开，使内圈能放入外圈中。因此斜面角度决定了内圈在恰好能放入外圈入口时V形插刃在外圈内部所走的位移。正常情况下此位移的量控制在外圈宽度的1/8～1/6，设外圈的宽度为H，内圈最大圆截面直径为d（约为内圈的球径），外圈的入口直径为D，V形插刃插入外圈的位移量为S（S=1/8～1/6H），如图2所示，由三角关系可知：

图2

材料和热处理硬度的选择：V形插刃在工作时会反复受到轴承外圈的夹紧力并在滑动中产生摩擦。如果材料太软或不耐磨，多次使用后易被轴承外圈夹伤或拉伤。轴承外圈的材料通常为GCr15，它是一种合金含量较少、具有良好性能、应用广泛的高碳铬轴承钢。经过淬火和回火后具有较高的硬度、均匀的组织、良好的耐磨性、较高的接触疲劳性能。因本公司的GCr15材料较多，根据“在技术和经济合理的前提下，保证材料的使用性能与零件的设计功能相适应”的原则，V形插刃的材料也选用GCr15，对照关节轴承外圈的淬火硬度为54～60HRc，为提高V形插刃的耐磨性，将其淬火定为HRC64～66。设计好的零件图如图3

所示：

3.2 V形插刃固定座

V形插刃固定座起到三个作用：一个是与液压机（而不是冲压机）连接，一个是固定V形插刃，另一个是固定定位压紧工装。设计后的图形如图4所示：

3.3 定位压紧工装

如前所述，自关节轴承内外圈的装配是采用撑开外圈的方法实现装配的，在实践中，此种装配方式存在着内圈易滑动倾斜和内圈在无外力助推时会造成合套速度慢的弊端，影响到装配效率。特别是GEEW…ET、GEEM…ET-2RS型关节轴承，因其内圈两边的各有一个圆柱体端面，使得它们更难操作。因此，有必要设计一种全新的工装，使它在撑开外圈的同时既能定位内圈，不让它滑动，又能对内圈施加一个外力，推动内圈更快更好地合套，减少外圈的撑开量，提高合套效率。

3.3.1 定位功能的设计。取较难操作的GEEW…ET型关节轴承作为分析对象，由图5可知，当内圈放置在外圈上面时，在X、Z方向的自由度受外圈约束，只有在Y方向的自由度没有被约束，所以当在Y方向的力不平衡时，将使内圈产生倾斜。如果在内圈端面施加一个水平面约束，使内圈端面紧靠水平面，在施加力时保持约束面水平，同时设计一个内圈滑动导向芯轴，并控制好内圈与导向芯轴的间隙，一般控制约在0.15～0.30mm之间，一方面使内圈沿着导向芯轴滑动，一方面对内圈的位移做一个限位，使它在到达与外圈基本同心时停止，这可以通过计算内圈中心移动到外圈中心的距离来设计导向芯轴定位面的高度，其关系式已在图6中标示出来，这样Y方向的力的不平衡就能得到消除，也就能防止内圈产生倾斜。

图5

设计后的定位工装如图6所示：

图6

3.3.2 压紧功能的设计。由于内圈的定位约束是选取水平平面，因此压紧力也必须是通过水平平面施加于内圈的，利用弹簧的弹力作用能使水平面产生一个压紧力，但是弹簧的固定点可以选定在固定支承面（床身）上，如图7A所示，也可选定在移动支承面（压轴或插刃具）上，如图7B所示，当选定在固定支承面上时，随着水平面的向下移动，根据公式F=KL可知，弹簧是随着水平面的向下移动而变长的，压紧力将随之减少（如图7C所示），当选定在移动支承面上时，由于刚开始时插刃具的位移比内圈的位移大，弹簧是被压缩的，弹力增大，随着内圈被压入外圈，弹簧得到部分释放，弹力减少（如图7D所示），用这种方式，可以在刚开始需要推力的时候弹力很大，而在不需要推力的时候，弹力变小，因此用这种方式是比较合

理的。

3.4 外圈支承件和压紧件的设计

外圈采用三点支承的方法，设计一个定位支承块（图8A）和一个定位支承座（图8B），沿着外圈的中心轴面对称放置，分别支承在外圈端面，定位支承座对外圈的支撑面较大，可以视为有二点的支承，与定位支承块共同完成对外圈的三点支承。其中定位支承块配以定位压紧块（图8C）将外圈固定，作为固定点，而定位支承座的支承点不予固定，作为开放点。外圈在放置时要注意将引裂缝所在的端面位置放置在定位支承座上，并且引裂槽要朝上，当V形插刃插入外圈时，外圈绕固定点撑开，使外圈入口变大。为了增加安全性，再设计两个辅助压板（图8D）从定位支承座旁边靠近外圈上端面（注意紧贴但不能压紧外圈），辅助压板的作用是防止外圈在V形插刃抽回时被向上拉起，增加稳定性。整体图形如图9所示。

①定位支承块及定位压紧块；②辅助压板；③外圈支承座

图9

4 结语

这次技改是为了解决存在问题而进行的，在投入使用后，已装配了16000多套产品，使用效果良好，装配过程中自材料100%得到保护，没有发现损坏现象，工装性能良好，效率较高，可以广泛在自关节轴承的装配中