淦吉昌，王駿宇，王金明

(格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司產(chǎn)品開發(fā)中心，江西 南昌 330012)

0 引 言

變速器作為汽車動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)整車的安全性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)系及舒適性等起著決定性作用。滾針軸承是變速器的重要承載件，具有橫截面小、承載能力強(qiáng)、節(jié)約徑向安裝空間等優(yōu)點(diǎn)，它的性能和疲勞壽命直接影響變速器的性能和使用壽命[1]。滾針軸承實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常遇到的強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命等問題都與軸承的應(yīng)力分布狀態(tài)密切相關(guān)。

目前，進(jìn)行滾針軸承應(yīng)力分析的方法是將計(jì)算得到的應(yīng)力結(jié)果與材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，據(jù)此評(píng)定軸承的強(qiáng)度是否滿足要求[2]。其實(shí)，材料的硬度與強(qiáng)度之間存在一定聯(lián)系[3]，滾針軸承的心部硬度對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響很大，考慮心部硬度進(jìn)行滾針軸承應(yīng)力評(píng)定更加符合實(shí)際情況。

筆者以某后輪驅(qū)動(dòng)變速器中間軸滾針軸承為例，基于有限元分析軟件ABAQUS建立變速箱滾針軸承的三維整體有限元模型，對(duì)整車實(shí)際工況下滾針軸承接觸過程進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)滾針軸承應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行分析，并考慮心部硬度進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定。

1 問題案例

某后輪驅(qū)動(dòng)車輛在行駛過程中，變速箱內(nèi)出現(xiàn)異響。對(duì)變速器進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)中間軸滾針軸承外圈與滾子接觸表面出現(xiàn)壓痕，如圖1所示。軸承外圈出現(xiàn)壓痕后，局部變形導(dǎo)致滾子在外圈內(nèi)表面滾動(dòng)時(shí)出現(xiàn)異常波動(dòng)，發(fā)出周期性的異響。根據(jù)失效零件特征，采用有限元方法分析該滾針軸承在整車實(shí)際工況下的應(yīng)力分布狀態(tài)，進(jìn)而分析失效的原因并提出有效的解決方案。

圖1 滾針軸承外圈壓痕

2 有限元模型建立及分析

2.1 模型簡(jiǎn)化

該變速器滾針軸承由軸承外圈、滾針和軸承內(nèi)圈組成，裝配在中間軸上。根據(jù)計(jì)算準(zhǔn)確性要求，取變速箱殼體、中間軸、軸承和卡環(huán)等進(jìn)入計(jì)算模型。為節(jié)約工作量，除分析的滾針軸承保留詳細(xì)實(shí)體外，其余軸承只保留軸承外圈。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用二階四面體單元C3D10對(duì)殼體進(jìn)行離散，采用一階六面體非協(xié)調(diào)單元C3D8I對(duì)滾針軸承、中間軸和各個(gè)軸承外圈進(jìn)行離散，軸承外圈節(jié)點(diǎn)數(shù)需與硬度測(cè)點(diǎn)數(shù)保持一致。接觸面間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)能有效提高精度和計(jì)算效率，在軸承外圈與軸承座之間、滾針軸承的滾針與軸承內(nèi)圈之間、滾針與軸承外圈之間都采用網(wǎng)格對(duì)應(yīng)方法劃分網(wǎng)格，如圖2所示。

2.3 接觸模型

假定在初始狀態(tài)下，軸承外圈與軸承座、滾針與軸承外圈、滾針與軸承內(nèi)圈之間都為密切的協(xié)調(diào)接觸，接觸面間沒有間隙或嵌入。施加載荷后，各個(gè)接觸面產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)和嵌入，選用面-面接觸和小滑移來分別建立接觸對(duì)[4]。由于螺栓孔區(qū)域不是關(guān)注的重點(diǎn)，螺栓與殼體之間忽略螺紋連接細(xì)節(jié)設(shè)置為綁定接觸。

2.4 材料參數(shù)

變速器各部件材料參數(shù)如表1所列[5]。文中考慮材料心部硬度，對(duì)所分析滾針軸承外圈硬度進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)點(diǎn)間距為0.1mm，實(shí)測(cè)硬度值(HV)如表2所列。

表1 主要材料力學(xué)參數(shù)

表2 軸承外圈硬度值(HV)

2.5 邊界條件與載荷

根據(jù)變速器安裝狀態(tài)，前殼體與發(fā)動(dòng)機(jī)法蘭面螺栓連接采用RBE2單元模擬，并定義6個(gè)自由度全約束；后殼體懸置螺栓連接處定義6個(gè)自由度全約束；前殼體和后殼體之間連接螺栓根據(jù)擰緊力矩施加螺栓預(yù)緊力；軸承外圈與軸承座之間定義最大過盈量。

軸承所受載荷為齒輪和軸系對(duì)其產(chǎn)生的支反力，在一檔驅(qū)動(dòng)工況下滾針軸承所受支反力最大，所以在軸上施加一檔驅(qū)動(dòng)工況下的載荷。

3 結(jié)果分析與強(qiáng)度評(píng)定

3.1 結(jié)果分析

滾針軸承外圈應(yīng)力分布如圖3所示。從應(yīng)力云圖可以看出，在一檔驅(qū)動(dòng)工況下，滾針軸承的最大應(yīng)力為壓應(yīng)力，發(fā)生在滾針與外圈接觸部位，最大壓應(yīng)力值為526 MPa，該處高應(yīng)力是由于滾針與外圈的擠壓而引起。

圖3 滾針軸承外圈應(yīng)力云圖

在軸承外圈內(nèi)表面產(chǎn)生四個(gè)應(yīng)力集中區(qū)域，對(duì)比失效軸承外圈壓痕發(fā)生的位置和應(yīng)力集中的位置可知，兩者所發(fā)生的位置一致。如果按照常規(guī)的方法，將應(yīng)力結(jié)果與材料的屈服強(qiáng)度進(jìn)行比較，那么SPCC材料軸承外圈已經(jīng)完全失效，這顯然與實(shí)際不符。本文提出基于材料心部硬度與強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系的評(píng)定方法，既將應(yīng)力集中部位的應(yīng)力值與硬度對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度極限值進(jìn)行比較，從而判定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 強(qiáng)度評(píng)定

對(duì)應(yīng)力集中位置Point_1～Point_5，取各位置最大應(yīng)力節(jié)點(diǎn)處危險(xiǎn)截面，采用路徑處理法，將危險(xiǎn)截面的各應(yīng)力沿一條應(yīng)力處理線AB進(jìn)行處理，危險(xiǎn)截面強(qiáng)度評(píng)定路徑如圖4所示。

圖4 危險(xiǎn)截面強(qiáng)度評(píng)定路徑

根據(jù)材料強(qiáng)度與硬度的換算關(guān)系得到各點(diǎn)的許用極限[6]，對(duì)應(yīng)力集中位置危險(xiǎn)截面沿路徑進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，結(jié)果如表3所列。由評(píng)定結(jié)果可知，各危險(xiǎn)截面的心部應(yīng)力值均大于其相應(yīng)的許用極限，造成軸承外圈在滾針壓力作用下發(fā)生變形產(chǎn)生壓痕，所以該滾針軸承外圈材料性能不能滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表3 滾針軸承外圈各危險(xiǎn)截面的應(yīng)力強(qiáng)度評(píng)定結(jié)果

4 問題解決

針對(duì)滾針軸承外圈材料心部硬度不足而導(dǎo)致的強(qiáng)度問題，提出變更外圈材料。綜合考慮成本、材料性能、心部硬度等因素，建議采用15GrMo替換現(xiàn)有材料。

對(duì)15GrMo材料為外圈的滾針軸承進(jìn)行有限元分析，對(duì)相同路徑和相同節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力進(jìn)行評(píng)價(jià)，并將SPCC材料與15GrMo材料應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 SPCC材料軸承外圈與15GrMo材料軸承外圈應(yīng)力結(jié)果比較

從結(jié)果可以看出，15GrMo材料的滾針軸承外圈沿路徑各應(yīng)力值均小于相應(yīng)許用極限強(qiáng)度，既沿路徑各點(diǎn)最小安全系數(shù)均大于1，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。將變更材料后的樣件裝配到整車上按實(shí)驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)規(guī)范要求的路試?yán)锍虄?nèi)未出現(xiàn)類似的異響，試驗(yàn)完成后拆解變速器，觀察滾針軸承外圈未見壓痕，有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，變更外圈材料后的軸承強(qiáng)度滿足要求，采用15GrMo作為滾針軸承外圈材料的方案可行。

5 結(jié) 論

(1) 在整車實(shí)際工況下對(duì)滾針軸承進(jìn)行了詳細(xì)應(yīng)力分析，考慮心部硬度與強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)各危險(xiǎn)截面進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)定，SPCC材料外圈心部應(yīng)力小于相應(yīng)的許用極限，說明滾針軸承失效的原因是軸承外圈材料心部硬度不足。

(2) 替代材料的滾針軸承外圈沿厚度方向各應(yīng)力值均小于極限強(qiáng)度，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，并通過整車試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性。這種考慮心部硬度與強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系的軸承外圈有限元應(yīng)力評(píng)定方法與實(shí)際相符，避免了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法的片面性，分析過程和計(jì)算結(jié)果可為工程實(shí)際提供一定的參考和依據(jù)。